[논문]유연식 라이저에 대한 유한요소법과 이론적 방법에 의한 구조 거동의 비교 연구

임기호; 장범선; 유동현

doi:10.3744/snak.2016.53.4.258

유연식 라이저에 대한 유한요소법과 이론적 방법에 의한 구조 거동의 비교 연구
A Comparison Study of Structure Behavior of Flexible Riser Using Numerical and Theoretical Methods 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.53 no.4, 2016년, pp.258 - 265

임기호 (서울대학교 공과대학 협동과정-해양플랜트엔지니어링) , 장범선 (서울대학교 공과대학 조선해양공학과) , 유동현 (서울대학교 공과대학 조선해양공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A flexible riser consists of several layers which have different materials, shapes and functions. The layers designed properly can take the design load safely, and each property of layer provides a complexity of flexible riser. Such complexity/unit-property is an input for global analysis of flexible riser. There are several approaches to calculate the complexity of flexible riser, those are experimental, numerical and theoretical methods. This paper provides a complexity from numerical and theoretical analysis for 2.5 inch flexible riser of which details and the experimental data are already produced under tension, external pressure, and bending moment. In addition, comparison of stiffness and stress are also provided. Especially, analysis of stress could lead to researches on ultimate strength or fatigue strength of flexible risers.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구에서는 물성치가 공개된 2.5 인치 유연식 라이저에 대해 유한요소법 및 이론적 방법으로 구조 거동 해석을 수행할 것이다. 인장력, 외압, 굽힘 모멘트에 대한 강성과 응력을 구하고, 이 결과를 실험 데이터와 비교하여 수치해석적 모델의 정확성과 유효성을 검증하는 것을 목표로 하고 있다.
5 인치 유연식 라이저에 대해 유한요소법 및 이론적 방법으로 구조 거동 해석을 수행할 것이다. 인장력, 외압, 굽힘 모멘트에 대한 강성과 응력을 구하고, 이 결과를 실험 데이터와 비교하여 수치해석적 모델의 정확성과 유효성을 검증하는 것을 목표로 하고 있다.

가설 설정

그러므로 적절한 수준의 모델의 길이를 택하여 계산의 정확성과 양을 적정 수준으로 만들어야 한다. 본 연구에서는 tensile armours의 2-pitch 만큼의 모델 길이를 설정하였다.

제안 방법

5 인치 유연식 라이저의 유한요소 모델을 만들었다. 또한 인장력, 외압 및 굽힘 모멘트를 각각 가했을 때 강성 및 응력을 구하였다. 또한 이 결과가 실험 데이터 및 이론적 방법의 결과와 유사함을 보여 수치해석적 모델의 정확성과 유효성을 입증하였다.
본 연구에서는 ANSYS를 사용하여 2.5 인치 유연식 라이저의 유한요소 모델을 만들었다. 또한 인장력, 외압 및 굽힘 모멘트를 각각 가했을 때 강성 및 응력을 구하였다.

대상 데이터

비선형 접촉 문제를 풀기 위해서 Conta174, Conta175, Targe170 요소가 사용되었다. Conta175/Targe170 요소는 tensile armours와 원기둥 형태의 층 사이의 접촉을 나타내고, Conta174/Targe170 요소는 원기둥 형태의 층 간의 접촉을 구현하기 위해 사용되었다.
5 인치 라이저의 각 층별 물성치가 상세히 기술되어 있다. 뿐만 아니라, 해당 모델의 실험 결과도 발표되어 있기 때문에, 2.5 인치 라이저를 해석 대상으로 사용하였다. 해석에 사용된 2.

이론/모형

(2009)와 Ren, et al. (2013)은 ABAQUS를 이용하였다.
또한 층 사이의 접촉 문제를 푸는 알고리즘으로 Pure Penalty Method를 사용하였는데 아래의 수식 (1)과 같다.
유연식 라이저의 3차원 유한요소 모델은 ANSYS를 사용하여 만들었다. 여러 개의 와이어로 구성된 층인 tensile armours는 beam 요소(Beam188)를 사용하였으며 inner carcass와 pressure armour는 직교 이방성의 shell 요소(Shell181)로 만들었다.
(2009)는 이론적 방법을 사용하여 기존의 수치해석 결과와의 유사성을 보여주었다. 이 연구에서 inner carcass 및 pressure armour의 복잡성을 줄이기 위해 Timosenko and Gere (1961)의 이론을 적용하여 원기둥 형태의 상사모델을 사용하였다 (Bahtui, et al., 2009; Sousa, et al., 2012). 원기둥 상사모델은 일정 범위의 변형 내에서 실제 모델을 잘 모사하는 경향을 보인다 (Neto & Martins, 2012).

성능/효과

결과를 보면 이론적 방법과 수치해석적 방법은 굽힘 강성이나 응력 곡선에서 상당히 유사함을 보여주고 있다. 그러나 Witz의 실험은 두 방법보다 hysteresis 곡선의 폭이 더 넓다는 결과를 보이는데, 이는 5.
결론적으로 이론적 방법과 수치해석적 방법을 통해 계산된 강성 및 응력 값은 실험값과 근사한 결과를 얻었으며, 그 오차는 유사한 참고 논문에서 보이는 수준과 비슷한 결과이다.
또한 인장력, 외압 및 굽힘 모멘트를 각각 가했을 때 강성 및 응력을 구하였다. 또한 이 결과가 실험 데이터 및 이론적 방법의 결과와 유사함을 보여 수치해석적 모델의 정확성과 유효성을 입증하였다.

후속연구

또한 응력 값을 비교하는 데 초점을 맞추었다는 점에서 추후 새로운 모델에 대한 최종 강도 및 피로 강도 해석의 밑거름이 될수 있을 것으로 기대된다.
또한 응력 값을 비교하는 데 초점을 맞추었다는 점에서 추후 새로운 모델에 대한 최종 강도 및 피로 강도 해석의 밑거름이 될수 있을 것으로 기대된다.

참고문헌 (11)

ANSYS, 2013. Mechanical APDL Documentation, R15.0. SAS IP, Inc.
Bahtui, A. Bahai, H. & Alfano, G., 2009. Numerical and Analytical Modeling of Unbonded Flexible Risers. Journal of Offshore Mechanics and Artic Engineering, 131(021401).
Feret, J.J. & Bournazel, C.L., 1987. Calculation of Stresses and Slip in Structural Layers of Unbonded Flexible Pipes. Journal of Offshore Mechanics and Artic Engineering, 109, pp.263-269.

상세보기
Kebadze, E., 2000. Theoretical modelling of unbonded flexible pipe cross-sections. PhD. Thesis. UK: South Bank University.
Neto, A.G. & Martins, C.A., 2012. A Comparative Wet Collapse Buckling Study for the Carcass Layer of Flexible Pipes. Journal of Offshore Mechanics and Artic Engineering, 134(031701).
Ren, S.F. Tang, W.Y. & Guo, J.T., 2013. Behavior of Unbonded Flexible Risers Subject to Axial Tension. China Ocean Engineering, 28(2), pp.249-258.
Sousa, J.R.M. Ribeiro, E.J.B. Ellwanger, G.B. & Lima, E.C.P., 2003. On the tension-compression behaviour of flexible risers. 13th Proceedings of International Offshore and Polar Engineering Conference, ISOPE, Honolulu, Hawaii, USA, May 25-30, 2003, pp.105-112.
Saevik, S. & Berge S., 1995. Fatigue Testing and Theoretical Studies of Two 4 inch Flexible Pipes. Engineering Structures. 17(4), pp.276-292.

상세보기
Sousa, J.R.M. Viero, P.F. Magluta, C. & Roitman, N., 2012. An Experimental and Numerical Study on the Axial Compression Response of Flexible Pipes. Journal of Offshore Mechanics and Artic Engineering, 134(031703).
Timoshenko, S.P. & Gere, J.M., 1961. Theory of Elastic Stability. McGraw-Hill International Book Company, Inc.: New York.
Witz, J.A., 1996. A Case Study in the Cross-Section Analysis of Flexible Risers. Marine Structures, 9, pp.885-904.

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