[논문]20피트급 파워보트의 구조강도 평가 및 최적화

염재선; 유재훈

doi:10.3744/snak.2016.53.2.108

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, there has been a growing interest in marine leisure sports and high speed power boat for fishing. The prototype of 20 feet class power boat was developed and authors are joined in this government-led project. The research was performed to evaluate the optimal structure and design of the st...

Recently, there has been a growing interest in marine leisure sports and high speed power boat for fishing. The prototype of 20 feet class power boat was developed and authors are joined in this government-led project. The research was performed to evaluate the optimal structure and design of the structural strength necessary to ensure the structural safety of the power boat. A new material ROCICORE fiber added to the mat and roving was adopted for high-power tenacity. ANSYS Workbench has been used to make the structural model, evaluate the strength and optimize the structural design. The response of the structure to quasi-static slamming loads according to the rules and regulations of ISO 12215-5, Lloyd’s Register of Shipping and Korean Register has been implemented and studied. An optimization study for the structural response is carried out by changing the plate thickness and section modulus of stiffeners. The power boat structure derived fuel efficiency is optimized by performing the best possible structural design to minimize the hull weight.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

최근 정부에서는 국내 레저선박산업의 활성화와 세계 레저선박시장 진출을 위해 FRP 재료를 사용한 20피트급 파워보트에 대한 시제선을 개발하였다. 이러한 연구개발 가운데 보트의 구조안전성을 확보하기 위한 방안이 필요하게 되었고, 이를 만족시키기 위해 단위밀도당 강도인 비강도(Specific strength)가 우수하고 효과적인 적층구성으로 된 재료를 사용한 파워보트에 대한 구조강도 평가를 수행하게 되었다.
본 연구에서는 국제표준규정(ISO 12215-5, 2008)과 로이드선급(LR, 2015)의 special service craft, 한국선급(KR, 2015)의 고속경구조선규칙에서 제시한 동적효과를 고려한 설계하중을 각각 산출하여 비교 검토하였다. 그리고 기존 FRP(Fiber reinforced plastic)선박의 적층구성인 춉트스트랜드매트(Chopped strand mat)와 로빙클로스(Roving cloth)의 MR 적층에 ROCICORE 섬유를 추가한 우수한 비강도를 가진 재료를 선체 재료로 사용하였다.

가설 설정

본래 FRP는 등방성재료인 매트와 이방성재료인 로빙이 적층된 복합재이지만, 폴리우레탄폼과 같은 내진재가 없는 판재의 경우 진공적층방법으로 제작한 시편에 대해 직접 재료시험 결과를 이용하였기에 등가의 균일판재로 가정하였다.

제안 방법

그리고 기존 FRP(Fiber reinforced plastic)선박의 적층구성인 춉트스트랜드매트(Chopped strand mat)와 로빙클로스(Roving cloth)의 MR 적층에 ROCICORE 섬유를 추가한 우수한 비강도를 가진 재료를 선체 재료로 사용하였다. 또한 상용 구조해석 프로그램인 ANSYS Workbench를 이용한 선형 및 구조부재에 대한 모델링 및 동적효과를 고려한 준정적해석을 통하여 구조강도를 평가하였다.
그리고 구조강도를 확보하며 동시에 선체 중량 최소화를 위해 허용응력을 제한조건으로 하고 판재 두께와 보강재의 단면계수를 설계변수로 하는 구조부재 최적화를 수행하여 효율적 연료 사용이 가능한 최적화된 파워보트 구조를 제안하였다.
따라서 본 연구에서는 기존에 많이 사용되고 있는 매트와 로빙의 조합에 ROCICORE 섬유를 포함한 FRP로 제작되는 20피트급 파워보트에 대하여 재료시험을 통해 물성치를 확보하고, 세 가지 규정에 의해 선저슬래밍이나 선측충격하중과 같은 국부하중을 적용, 구조해석을 수행하여 파워보트의 구조강도 만족여부를 검토하였다.
목적함수는 파워보트의 전체 중량이고, 설계변수로는 판재의 두께와 보강재의 단면계수를 선택하였으며, 제한조건으로 항복응력에 ISO가 제안한 안전계수 2를 적용한 사용응력을 이용하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 국제표준규정(ISO 12215-5, 2008)과 로이드선급(LR, 2015)의 special service craft, 한국선급(KR, 2015)의 고속경구조선규칙에서 제시한 동적효과를 고려한 설계하중을 각각 산출하여 비교 검토하였다. 그리고 기존 FRP(Fiber reinforced plastic)선박의 적층구성인 춉트스트랜드매트(Chopped strand mat)와 로빙클로스(Roving cloth)의 MR 적층에 ROCICORE 섬유를 추가한 우수한 비강도를 가진 재료를 선체 재료로 사용하였다. 또한 상용 구조해석 프로그램인 ANSYS Workbench를 이용한 선형 및 구조부재에 대한 모델링 및 동적효과를 고려한 준정적해석을 통하여 구조강도를 평가하였다.
20피트급 파워보트에 사용할 재료는 MAT450, ROVING570, ROCICORE300 섬유와 G-613BT 수지를 사용한 재료이며, RTM (Resin Transfer Molding)방식으로 ROCICORE+R.M.R.M의 5개 층으로 적층한 시편에 대한 재료시험 결과 재료물성치는 Table 1과 같다.
판부재는 SHELL181 요소, 보강재는 단면의 특성이 반영된 BEAM188 요소가 사용되었고, element 5,173개, node 5,071개가 사용되었다(Fig. 3 참조).

이론/모형

국제표준규정 (ISO 12215-5, 2008), 로이드선급 (Special service craft, 2015), 한국선급 (고속경구조선 규칙, 2015)의 규정에서 제시한 설계압력(Table 5)을 선체에 작용하는 하중으로 적용하였다. ISO와 LR의 경우 슬래밍을 포함한 충격하중을 고려하기 위해 displacement mode와 planing mode(또는 non-displacement mode)로 구분하여 설계하중이 제시되었고, 이에 보다 심각한 경우인 planing mode의 설계압력을 선택하였다.
그리고 경계조건에 의한 해석모델의 불평형력을 제거하기 위해 ANSYS에서 제공하는 Inertia Relief(강체거동제거) 기능을 사용하였다. 이것은 선형정적해석에서만 적용가능하고, 외부에서 가해진 힘과 토크가 가속도장에서 유도된 관성력과 균형을 이루어야 하는 원리로 ANSYS에서는 3차원 해석의 경우 inertia relief외의 추가적인 경계조건은 6개 이하로 제한 사용되고 있다.
본 연구에서는 파워보트의 중량 최소화를 위한 최적설계를 위해 ANSYS Workbench에서 제공하는 Design Exploration 기능을 사용하였고, 최적화 방법은 gradient 기반 알고리즘으로 global search가 우수한 ASO(Adaptive Single-objective Optimization)를 사용하였다.

성능/효과

국토해양부고시 FRP선의 구조기준(MLTM, 2011)에 의해 초기 설계된 부재치수는 기존 매트와 로빙의 조합으로 된 재료를 사용했을 때의 치수이므로 구조적으로 매우 안전한 것으로 판명되었고, 더 나아가 매우 보수적으로 설계되어 있음을 확인하였다. 보강재 단면계수에 대한 최소값 기준을 따르지 않는다면 Table 8의 결과와 같이 인장강도가 우수한 새로운 적층에 대해 판재의 두께나 보강재의 단면계수를 크게 줄일 수 있어 최적설계를 통해 선체중량을 거의 절반이하로 줄일 수 있음을 확인하였다.
1) FRP 파워보트에 대한 구조강도 평가방법을 정립하였다. 국제표준규정(ISO 12215-5, 2008), 로이드선급(Special service craft, 2015), 한국선급(고속경구조선 규칙, 2015) 규정에서의 설계압력을 산출한 결과 선저슬래밍 압력의 최대값은 ISO > LR > KR의 순서로 나타났고, 예상한 바와 같이 응력과 변형량은 동일한 순서로 계산되었다.
1) FRP 파워보트에 대한 구조강도 평가방법을 정립하였다. 국제표준규정(ISO 12215-5, 2008), 로이드선급(Special service craft, 2015), 한국선급(고속경구조선 규칙, 2015) 규정에서의 설계압력을 산출한 결과 선저슬래밍 압력의 최대값은 ISO > LR > KR의 순서로 나타났고, 예상한 바와 같이 응력과 변형량은 동일한 순서로 계산되었다. 따라서 앞으로 적용할 규정으로는 국제표준이 된 ISO 규정을 사용하는 것이 적합하다고 판단된다.
2) 구조최적화의 결과는 다음과 같다. 판재의 경우 기존 설계값보다 평균 45% 정도 치수를 줄일 수 있었고, 보강재의 경우 기존 단면계수의 90%를 줄이더라도 구조강도상 문제가 없었으며, 그 결과 선체중량은 약 59%를 줄일 수 있었다.

후속연구

국제표준규정(ISO 12215-5, 2008), 로이드선급(Special service craft, 2015), 한국선급(고속경구조선 규칙, 2015) 규정에서의 설계압력을 산출한 결과 선저슬래밍 압력의 최대값은 ISO > LR > KR의 순서로 나타났고, 예상한 바와 같이 응력과 변형량은 동일한 순서로 계산되었다. 따라서 앞으로 적용할 규정으로는 국제표준이 된 ISO 규정을 사용하는 것이 적합하다고 판단된다.
일반적으로 FRP 선박에 대한 구조부재 치수의 경우 선급요구 치수보다 많은 여유를 두어 판재두께나 보강재의 단면계수를 선택하므로, 본 연구에서와 같이 최적화 결과를 기준으로 보트 제작 작업의 효율성 등을 고려한 현실적인 설계를 통해 선체중량을 줄여 속도개선 및 연료비 절감에 도움이 되리라 기대한다.

참고문헌 (10)

International Standard, 2008. ISO 12215-5 Small craft - Hull construction and scantlings - Part 5: Design pressures for monohulls, design stresses, scantlings determination.
Ji, S.H. Roh, J.S. Kang, S.W. Kim, H.W. & Kim, M.H., 2010. Structural Safety Evaluation of 40 Feet Sailing Yacht by Computational Structure Analysis. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 47(5), pp.703-708.

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Kim, B.J. Kwon, S.Y. Kim, S.C. & Lee, J.H., 2011. Comparison Study and Structural Analysis to Investigate the Design Rule and Criteria of Catamaran. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 48(6), pp.479-489.

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Korean Register, 2015. Rules for the classification of high speed light craft.
Lloyd's Register, 2015. Rules and regulations for the classification of special service craft.
MLTM, 2011. Structure standard for fiber reinforced plastic(FRP) vessels.
Ojeda, R. Prusty, B.G. & Salas, M., 2004. Finite element investigation on the static response of a composite catamaran under slamming loads. Ocean Engineering, 31, pp.901-929.

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Park, J.S. Ko, J.Y. Lee, K.W. & Oh, W.J., 2009. Structural analysis of an 38 feet diffusion style for high-speed catamaran yacht. Journal of navigation and Port Research, 33(3), pp.167-174.

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Shin, J.G. Lee, J.Y. Lee, J.H. Van, S.H. Lee, S.H. & Yoo, J.H, 2006. A Study on the Structural Design and Structural Analysis for Small Yacht. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 43(1), pp.75-86.

원문보기 상세보기
Yum, J.S. Kim, K.J. & Yoo, J., 2012. Structural strength assessment for 20 feet class power boat. Proceedings of the Korean Association of Ocean Science and Technology Societies(KAOSTS) 2012 Conference, Daegu, Republic of Korea, 801-806, 31 May-1 June 2012.

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