[논문]심해 유인 잠수정 구형 내압 선체의 구조 해석

이한민; 박성환; 이재경

doi:10.7315/cadcam.2015.412

심해 유인 잠수정 구형 내압 선체의 구조 해석
Structural Analysis for Spherical Pressure Hull of Deep Manned Submersible 원문보기

한국CAD/CAM학회논문집 = Transactions of the Society of CAD/CAM Engineers, v.20 no.4, 2015년, pp.412 - 419

이한민 (한국기계연구원 시스템신뢰성연구실) , 박성환 (한국기계연구원 시스템신뢰성연구실) , 이재경 (한국기계연구원 시스템신뢰성연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the results of the structural analysis and the optimization of a 6,500 m manned submersible. Nonlinear structural analysis for imperfect spheres with the maximum allowable out-of-roundness(OOR) was performed to calculate the thickness of the pressure hull. Dimensions of viewports were determined according to ASME PVHO standard. The design optimization of the spherical hull with openings was divided into two steps - the optimization of the detailed shape of the viewport reinforcements and the optimization of the viewport location in the spherical pressure hull.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 6,500m급 심해 유인 잠수정의 구형 내압 선체에 대한 체계적인 설계 절차를 제시하였고, 각 과정에서 구조 안전성을 검토한 결과와 최적 설계안을 제시하였다.
본 연구에서는 6500 m급 심해 유인 잠수정의 구형 내압 선체에 대해 구조 안전성 관점의 체계적인 설계 절차를 구축하였다. 기존 연구에 비해 외부 돌출이 적은 관측창 보강부 형상에 대해 구조 최적설계를 수행하였고, 관측창 위치에 따른 전체 내압 선체의 구조 안전성을 검토하였다.

가설 설정

해석의 단순화를 위해서 Y축을 기준으로 축대칭 조건을 부여하였으며 내압선체 아래쪽 끝단에도 대칭 조건을 부여하였다. 관측창과 내압 선체 사이에는 마찰이 없는(frictionless) 접촉 조건을 가정하였다. 하중은 압력 선체 외부에 97.
본 연구에서는 전면에 대형 관측창이 3개, 좌우 측면에 소형 관측창이 각각 1개 총 5개가 나 있다. 관측창의 위치는 좌우 대칭 형태로 가정하여 1/2 모델만 고려하였다. 관측창의 위치를 결정하는 설계변수로는 Fig.
본 연구에서 사용한 재질 정보는 Table 1에 나타나 있다. 구형 압력 선체는 티타늄 합금 재질을 사용하였으며 비선형 좌굴해석을 위해서 이중선형(bilinear) 탄소성 재료 모델로 가정하였다.
안전율을 적용하기 전의 최대 수압인 65 MPa을 설계압력으로 정하고 수온은 4°C로 가정한다.

제안 방법

설계변수에 대한 구체적인 설명과 범위는 Table 2에 제시되어 있다. 관측창 설계에서 계산한 관측창의 두께(t_vp) 범위를 반영하였고, 보강부 형상의 크기를 제한하기 위해서 관측창의 수직위치(VO)와 위아래 필렛의 직경(UD, LD) 값을 고정하였다.
3과 같은 해석 모델을 생성하였다. 구의 두께, 편차의 크기와 각도를 변화시킬 수 있는 파라메트릭 모델을 생성하였으며, 해석의 단순화를 위하여 Y축을 기준으로 축대칭 조건을 적용하였다. 요소는 8 절점을 갖는 고차 2D 요소인 PLANE183을 사용하였다.
5 MPa을 최대 압력으로 정하였다. 구형 내압 선체의 안쪽 반경은 1.05 m, 관측창은 전면부에 위치하는 대형 관측창(내측 직경 177.8 mm)과 측면에 위치하는 소형 관측창(내측 직경 127 mm) 두 종류에 대해 설계를 수행하였다.
1에서 보듯이, 먼저 시스템 레벨의 설계단계에서 구형 내압선체의 안쪽 반경(R), 관측창의 내측 직경(D_i)과 같은 일반적인 제원을 결정한다. 그 후, 초기 결함을 고려한 비선형 좌굴 해석을 통해 구형 내압 선체의 두께(t)를 정하는 한편, ASME PVHO(Pressure Vessels for Human Occupancy)^[6]와 같은 표준 규격에 따라 관측창의 상세 형상에 대한 설계를 수행한다. 비선형 좌굴 해석을 통해 구형 내압 선체의 붕괴 압력을 찾는 방법에는 선형 좌굴 모드 기반 방법과 국부 진원도 기반 방법 등이 있다.
본 연구에서는 6500 m급 심해 유인 잠수정의 구형 내압 선체에 대해 구조 안전성 관점의 체계적인 설계 절차를 구축하였다. 기존 연구에 비해 외부 돌출이 적은 관측창 보강부 형상에 대해 구조 최적설계를 수행하였고, 관측창 위치에 따른 전체 내압 선체의 구조 안전성을 검토하였다.
내압 선체의 전체적인 사이즈와 관측창의 형상, 관측창 보강부의 최적 형상이 결정되면 관측창을 포함한 내압 선체 전체 모델에 대하여 구조 안전성을 검토한다. 본 연구에서는 전면에 대형 관측창이 3개, 좌우 측면에 소형 관측창이 각각 1개 총 5개가 나 있다.
본 연구에서 최대 작업 수심은 6,500 m이며 심해 유인 잠수정 설계에 일반적으로 쓰이는 안전계수 1.5를 적용하여 97.5 MPa을 최대 압력으로 정하였다. 구형 내압 선체의 안쪽 반경은 1.
이는 개구부가 없는 온전한 구에 대해 진원도 만을 고려했을 때 계산되는 값으로써 이후 설계 과정에서 두께의 최소값으로 참고될 뿐이며, 실제 내압 선체에는 관측창과 해치 등 다양한 개구부가 존재하기 때문에 이보다 큰 두께를 갖도록 설계되어야 한다. 본 연구에서는 Shinkai 6500(t = 73.5 mm)^[9], Alvin II(t = 71~72 mm)^[10]와 같은 기존 6500 m급 심해 유인 잠수정의 사례를 참조하여 70 mm 이상의 두께를 갖도록 설계하였다.
국부 진원도 기반의 방법에서는 국부 편차의 크기와 각도를 직접 포함하여 기하 모델을 생성하는 것이 다른 점이다. 선형 좌굴 모드 기반 방법은 최악의 경우를 가정한 것이고 실제로 발생할 가능성이 매우 작기 때문에^[2] 본 연구에서는 국부 진원도 기반 방법을 이용하여 구형 내압선체의 요구 두께를 결정하였다. 위와 같은 과정을 통해 전체 구의 치수와 관측창의 형상이 정해지면 관측창 주위의 보강 부위에 대한 상세한 형상 설계를 수행하고 관측창의 위치를 결정함으로써 구형 내압 선체에 대한 설계를 완성한다.
시야각 중첩 여부는 Fig. 14와 같이 원뿔 형태의 시야각을 모델링하여 중첩 여부를 확인하였다. 가시거리를 3m로 가정했을 때 초기 설계안은 시야각이 중첩되지 않는 반면, 최적 설계안은 시야각이 중첩되는 것을 확인할 수 있다.
8 mm)과 좌우 측면에 각각 1개의 소형 관측창(내측 직경 127 mm)을 갖는다. 유인 잠수정의 안전에 관한 규격인 ASME PVHO에서 제시하는 절차에 따라 관측창의 설계를 수행하였다. 안전율을 적용하기 전의 최대 수압인 65 MPa을 설계압력으로 정하고 수온은 4°C로 가정한다.
최대 응력값이 어떤 설계변수의 변화에 민감한지 파악하기 위하여 설계민감도 해석을 수행하였다. Fig.

대상 데이터

Fig. 6과 같은 원뿔대 모양의 관측창을 선정하였으며, 원뿔 각(θ)은 90°로 정하고 내측직경(Di)은 177.8 mm와 127 mm 두 경우에 대해 각각 설계하였다.
내압 선체와 관측창의 재질은 각각 Table 1에 제시된 티타늄 합금과 아크릴 재질을 사용하였다. 해석의 단순화를 위해서 Y축을 기준으로 축대칭 조건을 부여하였으며 내압선체 아래쪽 끝단에도 대칭 조건을 부여하였다.
본 연구에서 대상으로 하는 심해 유인 잠수정은 전면에 3개의 대형 관측창(내측 직경 177.8 mm)과 좌우 측면에 각각 1개의 소형 관측창(내측 직경 127 mm)을 갖는다. 유인 잠수정의 안전에 관한 규격인 ASME PVHO에서 제시하는 절차에 따라 관측창의 설계를 수행하였다.
내압 선체의 전체적인 사이즈와 관측창의 형상, 관측창 보강부의 최적 형상이 결정되면 관측창을 포함한 내압 선체 전체 모델에 대하여 구조 안전성을 검토한다. 본 연구에서는 전면에 대형 관측창이 3개, 좌우 측면에 소형 관측창이 각각 1개 총 5개가 나 있다. 관측창의 위치는 좌우 대칭 형태로 가정하여 1/2 모델만 고려하였다.
12에 나타나있다. 요소는 20 절점을 갖는 고차 3D 요소인 SOLID186을 사용하였다. 각 노드 별로 x, y, z 방향의 3개의 병진 자유도를 가지며, 2차식의 형상함수를 갖는 요소이다.
구의 두께, 편차의 크기와 각도를 변화시킬 수 있는 파라메트릭 모델을 생성하였으며, 해석의 단순화를 위하여 Y축을 기준으로 축대칭 조건을 적용하였다. 요소는 8 절점을 갖는 고차 2D 요소인 PLANE183을 사용하였다. PLANE183 요소는 평면 응력, 평면 변형률, 축대칭 모델에 사용 가능하고, 각 노드 별로 x, y 방향의 2개의 병진 자유도를 가지며, 2차식의 형상함수를 갖는 요소이다.

이론/모형

3의 B점을 잡아 반경 방향의 자유도는 풀고 수직 방향의 자유도는 구속하는 경계조건을 부여하였다. 구의 외부 면에 0부터 설계 압력 이상의 값까지 외압을 점차 증가시키며 NewtonRapson 방법의 비선형 해석을 수행하여 붕괴가 발생하는 압력을 계산하였다.

성능/효과

9에서 보는 것처럼, 관측창의 두께(t_vp), 보강부 위아래의 폭(UW, LW) 등 보강부 면적에 직접적인 영향을 주는 인자가 최대 응력 결과에도 큰 영향을 끼침을 알 수 있다. 관측창 두께가 커지고 보강부 윗 부분의 폭이 커질수록 보강부 면적이 커져서 응력이 줄어듬을 확인할 수 있다. 보강부 아래 부분의 폭에 대해서 좀 더 구체적인 분석을 해보면 값이 증가함에 따라 다른 변수와 마찬가지로 보강부 면적을 키워 응력을 낮추는 효과가 있지만 25 mm 이상부터는 응력을 점점 높이는 작용을 하는 것을 확인할 수 있다.
8 mm와 127 mm 두 경우에 대해 각각 설계하였다. 규격에서 제시하는 테이블과 그래프로부터 관측창 내측 직경 대비 두께(t_vp /D_i)는 0.77 이상, 보강 돌출부 직경 대비 관측창 내측 경(D_i /D_f)은 1.2 이상이 되도록 설계되어야 함을 확인하였다. 즉, 대형 관측창의 경우, 두께가 136.
관측창 두께가 커지고 보강부 윗 부분의 폭이 커질수록 보강부 면적이 커져서 응력이 줄어듬을 확인할 수 있다. 보강부 아래 부분의 폭에 대해서 좀 더 구체적인 분석을 해보면 값이 증가함에 따라 다른 변수와 마찬가지로 보강부 면적을 키워 응력을 낮추는 효과가 있지만 25 mm 이상부터는 응력을 점점 높이는 작용을 하는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

향후에는 다양한 타입의 형상을 고려한 관측창 보강부 최적설계를 수행하고, 내압 선체 내부의 장비와 탑승자의 위치를 고려하여 시야각에 대한 요구사항을 구체화해서 내압 선체 전체 모델에 대한 최적설계를 완성할 예정이다. 또한, 시제를 제작하고 내압 실험을 수행하여 설계안에 대한 검증을 수행할 예정이다.
향후에는 다양한 타입의 형상을 고려한 관측창 보강부 최적설계를 수행하고, 내압 선체 내부의 장비와 탑승자의 위치를 고려하여 시야각에 대한 요구사항을 구체화해서 내압 선체 전체 모델에 대한 최적설계를 완성할 예정이다. 또한, 시제를 제작하고 내압 실험을 수행하여 설계안에 대한 검증을 수행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	내압 선체는 주로 어떤 재질로 만들어지는가?	심해 유인 잠수정은 사람이 직접 탑승하여 과학 탐사 및 심해 자원 개발을 위한 임무를 수행하는 해양 장비로써, 현재 미국, 프랑스, 러시아, 일본, 중국 등이 6,000 m급 심해 유인 잠수정을 보유하고 있으며, 최근 국내에서도 6,500 m급 심해유인 잠수정 개발을 추진하고 있다[1]. 조종사와 과학자를 포함해 2~3명이 거주하는 내압 선체(pressure hull)는 주로 티타늄 재질의 구(sphere) 형태로 제작된다. 구형 내압 선체는 심해의 엄청난 수압으로부터 탑승자를 안전하게 보호하기 위해 충분한 강도를 가지도록 만들어져야 하며, 전체 잠수정 중량의 약 3분의 1을 차지하기 때문에 한정된 배터리로 가능한 한 오랜 시간 탐사를 하기 위해서는 가볍게 만들어지는 것 또한 중요하다.
	심해 유인 잠수정은 무엇인가?	심해 유인 잠수정은 사람이 직접 탑승하여 과학 탐사 및 심해 자원 개발을 위한 임무를 수행하는 해양 장비로써, 현재 미국, 프랑스, 러시아, 일본, 중국 등이 6,000 m급 심해 유인 잠수정을 보유하고 있으며, 최근 국내에서도 6,500 m급 심해유인 잠수정 개발을 추진하고 있다[1]. 조종사와 과학자를 포함해 2~3명이 거주하는 내압 선체(pressure hull)는 주로 티타늄 재질의 구(sphere) 형태로 제작된다.
	실제 내압 선체 설계 시 구형 내압 선체의 최소 두께보다 큰 두께를 갖도록 설계되어야 하는 이유는?	58 mm 정도가 된다. 이는 개구부가 없는 온전한 구에 대해 진원도 만을 고려했을 때 계산되는 값으로써 이후 설계 과정에서 두께의 최소값으로 참고될 뿐이며, 실제 내압 선체에는 관측창과 해치 등 다양한 개구부가 존재하기 때문에 이보다 큰 두께를 갖도록 설계되어야 한다. 본 연구에서는 Shinkai 6500(t = 73.

참고문헌 (10)

Jin, S., Lim, S., Park, S. and Yoo, S., 2014, Measuring the Scientific Benefits from the Deepsea Human-operated Vehicle Project: A Choice Experiment Study, Ocean and Polar Research, 36(3), pp.277-288.

원문보기 상세보기
Pan, B.B., et al., 2010, Further Study on the Ultimate Strength Analysis of Spherical Pressure Hulls, Marine Structures, 23(4), pp.444-461.

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Pan, B.B. and Weicheng C., 2012, Structural Optimization for a Spherical Pressure Hull of a Deep Manned Submersible Based on an Appropriate Design Standard, IEEE Journal of Oceanic Engineering, 37(3), pp.564-571.

상세보기
Pranesh, B., et al., 2013, Manufacturing Imperfection Sensitivity Analysis of Spherical Pressure Hull for Manned Submersible, Marine Technology Society Journal, 47(6), pp.64-72.

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Pranesh, B., et al., 2014, Structural Reinforcement of Viewports in Spherical Pressure Hull for Manned Submersibles, Marine Technology Society Journal, 48(3), pp.17-24.

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PVHO, Safety Standard for Pressure Vessels for Human Occupancy, 2007, ASME.
Rules for Classification and Construction, 1-Ship Technology, 5-Underwater Technology, 2-Manned Submersibles, 2009, GL.
Rules for Certification/Classification of Submersibles, 1988, DNV.
Nanba, N., Morihana, H., Nakamura, E. and Watanabe, N., 1990, Development of Deep Submergence Research Vehicle "SHINKAI6500", Technical Review of Mitsubishi Heavy Industries, Ltd., 27(3), pp.157-168.
Walden, B.B. and Brown, R.S., 2004, A Replacement for the Alvin Submersible, Marine Technology Society Journal, 38(2), pp.85-91.

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표제어: PCR

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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