[논문]독립형 B타입 LNG 연료 탱크의 열-구조 연성해석 및 피로 해석에 관한 연구

김태욱; 김종민; 김종환; 이정호; 박성보; 이성민; 이제명

doi:10.3744/snak.2016.53.5.410

문제 정의

본 연구에서는 10,000TEU급 컨테이너 선박에 적용하기 위한 type-B 연료탱크에 대해 정밀한 유한 요소해석을 수행히였다 LNG 연료탱크의 재료 및 구조에 대한 데이터베이스를 기반으로 비선형 열-구조연성해석, 피로수명 해석을 수행히였으며, 이를 통해 대상 구조의 구조적 건전성을 평가하고 응력 수준 분석 및 피로수명 평가에 대한 절차를 제시하였다
본 연구에서는 피로 수명을 평가하기 위해 IGC Code에서 제시한 Miner's rule을 이용하여 fatigue damage를 계산하였다 DNV 선급 규정에 명시된 대로 운항시 수직, 수평, 길이 방향 가속도의 영향을 포함하는 내부 압력과 선적과 하역에 의한 누적 손상 률을 계산하기 위하여 유한요소 해석을 수행하였다.

가설 설정

4와 같이 탱크의 표면에서 발생하는 대류계수와 온도 하중을 적용히 였다. 여기서 탱크 내부 공기만 자연대류가 발생히는 것으로 가정히 였으며 대류해당 범위에 공기의 대류계수 0.000005 W/m2C를 적용하였고, LNG의 충전률 90%에 해당하는 범위에 온도히 중 -163C를 적용하였다 또한 온도 조건만을 사용하여 탱크의 외부 영역들에 대한 열전달 특성은 무시하였으며 경계조건은 일정히다卜고 정하였다 이를 통해 도출된 온도구 배에 따른 열응력을 산출히였으며 구조해석에 적용히였 다. 도출된 온도구배와 열응력은 아래 Figs.

제안 방법

누적 손상률의 계산을 위해, DNV 선급 규정에 명시된 대로 운항시 수직, 수평, 길이 방향 가속도의 영향을 포함하는 내부 압력에 대하여 하중 조건 01, 02, 03으로 정의하고, 이 하중 조건들의 각각의 응력 범위는 탱크 내의 LNG가 90% 충전 상태일 때 가속도 의 영향을 포함한 상태(B)와 포함하지 않은 상태(A)에 대응하여 발생하는 응력의 차이로 정의하였으며 대략적인 경향을 파악하기 위하여 IACS Recom. 56에 명시된 1O「3~io「5의 확률을 고 려하여 0| 중임의로 중간값인 10「4 혹률에 대한 시간이력을 Fig.
해석 대상인 tywB 연료탱크의 이러한 유한 요소 모델링을 통하여 탱크에 작용하는 압력에 의해 탱크에 걸리는 응력특성을 정밀하게 해석할 수 있었다. 또한 해석 대상 모델의 요소의 수를 최소화하여 시뮬레이션 해 석결과의 정확도를 높임과 동시에 열-구조연성 해석 및 피로해석 시간을 단축시켰다. 유한요소 모델링과 해석에는 상용 FEA 프로그램인 MSC.
마지막으로, 내부 액체압(P_gd)은 선박의 운동에 의하여 화물 중력의 중심에 가속도가 가해진 결과 발생하는 것으로, 이는 중력과 동적가 속도를 합성하여 IGC Code에 제시된 다음 식에 따라 계산하였다.
본 연구에서 구조해석을 수행하기 위해 모델에 적용한 하중은 IGC Code에 의해 계산한 압력(#)이며, Fig. 9과 같이 탱크 내부에서 외부로 나는 방향으로 내압을 적용시켰다 또한 3장에서 수행한 열전달 해석을 통해 도출한 열응력을 구조해석에 적용히 였다.
본 연구의 대상인 type-B LNG 연료탱크에 대해 열유동 해석을 통해 도출한 열하중과 IGC Code에 명시된 계산식을 이용하여 계산한 설계증기압, 외압, 내부 액체압을 적용하여 구조해석을 수행하여 각하중조건에 대한 등가 응력을 도출하였다.
16 형태의 시간이력을 해석에 적용히 였다. 여기서, 각 응력 수준에서의 파괴까지의 반복 횟수 N와 선적과 하역에 의한 피로 하중으로 파괴에 이르기까지의 반복 횟수 NLoading는 수직, 수평, 길이 방향 가속도의 영향을 포함하는 내부 압력에 대한 하중 조건 01, 02 , 03에 대해 구조해석을 수행하여 도출된 응력을 적용하여 내부 툴인 MSC. Fatigue를 통해 얻은 수명주기이며, 이를 사용하여 누적 손상률 을 계산하였고, 이 두 가지 하중 조건에 대한 해석 결과의 합을 이용하여 피로 수명을 평가하였다.
열유동 해석을 통해 도출한 열히중과 IGC Code에 명시된 계산식을 이용히여 계산한 설계증기압, 외압, 내부 액체압을 적용하여 구조해석을 수행하여 각 하중조건에 대한 등가 응력을 도출하였다. Figs.
이에 따라, 열하중은 Table 에 정리된 재료의 열적 물성을 적용하여 탱크 내부 LNG의 대류에 따른 열전달 해석을 수행하였다. 열하중 해석 조건은 Fig.
해석에 적용한 경계조건은 Fig. 10와 같이 서포트와 2차 방벽 사이에 x, y축에 대한 변위를 고정하고, z축에 대해서는 free end 조건을 적용하였으며, 모든 축의 회전을 구속히 였다. 추가로, 안티 롤링 & 피칭 장치와 2차 방벽 사이에도 동일한 조건을 적용하 였다

대상 데이터

본 연구에서 해석에 이용한 대상 구조는 10,000TEU급 컨테이너 선박에 적용되는 typeB 연료탱크이다. 이 탱크의 제원은 Fig.
본 연구의 대상인 type-B 연료탱크의 비선형 열-구조연성해 석을 수행하는 데는 열하중, 설계증기압, 외압, 내부 액체압이 적용된다. 이 중 열 하중을 제외한 나머지 압력들의 계산 방법은 IGC Code 370(93)에서 제시하고 있다.
열 유입을 막기 위해서포트와 안티롤링 & 피칭 장치 중간부 에 배치되어 있는 우드블록의 경우 본 연구에서의 해석 결과 전부 압축 상태임을 확인히 였다. 사용된 우드블록의 압축 강도는 250 MPa 이다. 이에 따라 허용응력은 250 MPa로 정히 였다.
1과 같이 너비 21850 mm, 길이 34800 mm, 높이 17400 mm이다. 이 탱크는 기본적으로 1차 빙벽은 LNG의 극저온 환경에서 뛰어난 성능을 보이는 SUS304L 강판으로 구성되어 있으며 1차 방벽을 둘러싸고 있는 단열층의 경우 PUF(Poly Urethane Foam)이 단열 부재로 이용되었다. 탱크 구조를 지탱하는 서포트와 안티롤링 & 피칭 장치의 중간부의 경우 외부로부터 열유입 을 막기 위해 우드블록이 배치되어 있다.
본 연구에서 해석에 이용한 대상 구조는 10,000TEU급 컨테이너 선박에 적용되는 typeB 연료탱크이다. 이 탱크의 제원은 Fig. 1과 같이 너비 21850 mm, 길이 34800 mm, 높이 17400 mm이다. 이 탱크는 기본적으로 1차 빙벽은 LNG의 극저온 환경에서 뛰어난 성능을 보이는 SUS304L 강판으로 구성되어 있으며 1차 방벽을 둘러싸고 있는 단열층의 경우 PUF(Poly Urethane Foam)이 단열 부재로 이용되었다.

데이터처리

여기서, 각 응력 수준에서의 파괴까지의 반복 횟수 N와 선적과 하역에 의한 피로 하중으로 파괴에 이르기까지의 반복 횟수 NLoading는 수직, 수평, 길이 방향 가속도의 영향을 포함하는 내부 압력에 대한 하중 조건 01, 02 , 03에 대해 구조해석을 수행하여 도출된 응력을 적용하여 내부 툴인 MSC. Fatigue를 통해 얻은 수명주기이며, 이를 사용하여 누적 손상률 을 계산하였고, 이 두 가지 하중 조건에 대한 해석 결과의 합을 이용하여 피로 수명을 평가하였다. 여기서 반복 횟수의 계산을 위해 사용된 S-N곡선은 실제 극저온 환경에서 스테인리스 강의 피로시험을 수행하여 얻어진 것을 적용하였으며, 이를 Fig.

이론/모형

56에서 제시하고 있다 (MSC, 2014； IACS, 1999).본 연구에서는 피로 수명을 평가하기 위해 IGC Code에서 제시한 Miner's rule을 이용하여 fatigue damage를 계산하였으며, type-B 연료탱크의 경우 평가기준 q<0.5를 만족하여야 한다고 IGC Code에 명시되어 있다. 피로 하중의 누적 손상률은 다음 식을 만족하여야 한다
본 연구의 대상인 type-B 연료탱크의 구조해석 결고에 대한 허용응력계산을 위한 수식은 IGC Code 370(93)에서 아래와 같이 제시하고 있다.。래의 수식에 따라 탱크 구성 재료에 대한 허 용응력은。래와 같이 도출하였다

성능/효과

본 연구에서 제시한 독립형 type-B 연료탱크 해석 모델에 대하여 수행한 열-구조연성해석 및 피로해석 결고" IGC Code 370(93)을 기준으로 안전성 평가 기준을 만족하는 것으로 해석되었다.
이것은 이 위치에서의 복잡한 형상 때문에 응력 집중이 발생할 수 있다는 것을 보여준다. 또한 모든 결과가 허용응력 값을 만족하며 허용 가능한 범위 내에 있다는 것을 혹인하였다. 해석을 통해 열하중의 영향은 비교적으로 적었다는 것을 알 수 있었고, 내부 정수압이 응력의 차이를 발생시키는 7장 중요한 인자라는 사실을 확인하였다.
열 유입을 막기 위해서포트와 안티롤링 & 피칭 장치 중간부 에 배치되어 있는 우드블록의 경우 본 연구에서의 해석 결과 전부 압축 상태임을 확인히 였다. 사용된 우드블록의 압축 강도는 250 MPa 이다.
이것은 이 위치에서의 복잡한 형상 때문에 응력 집중이 발생할 수 있다는 것을 보여준다 또한, J머지 하중 조건의 구조해석 결고를 Table 10에 정리하였다. 이 값들은 탱크의 재료로 이용한 SUS304에 대하여 IGC Code를 이용하여 계산한 허용응력 값인 340 MPa와 우드블록의 허용응력 값인 250 MPa을 만족하며 모든 결과가 허용 가능한 범위 내에 있다는 것을 보여준다. 해석 결고 하중의 영향은 비교적으로 적었다는 것을 알 수 있었고, 내부 정수압이 응력의 차이를 발생시키는 가장 중요한 인자라는 사실을 혹인하였다.
3215이다. 이 값은 IGC Code에서 제시한 평가기준 q<0.5를 만족하는 것으로 나타났기 때문에 본 type-B 탱크가 강도안전성을 확보하고 있다는 것을 알 수 있다
3215이다. 이 값은 IGC Code에서 제시한 평가기준 Cw＜0.5를 만족하는 것으로 나타났기 때문에 본 연구의 대상 type-B 연료탱크가 피로 파괴에 대해 강도안전성을 확보하고 있다는 것을 알 수 있다.
이 값들은 탱크의 재료로 이용한 SUS304에 대하여 IGC Code를 이용하여 계산한 허용응력 값인 340 MPa와 우드블록의 허용응력 값인 250 MPa을 만족하며 모든 결과가 허용 가능한 범위 내에 있다는 것을 보여준다. 해석 결고 하중의 영향은 비교적으로 적었다는 것을 알 수 있었고, 내부 정수압이 응력의 차이를 발생시키는 가장 중요한 인자라는 사실을 혹인하였다.
또한 모든 결과가 허용응력 값을 만족하며 허용 가능한 범위 내에 있다는 것을 혹인하였다. 해석을 통해 열하중의 영향은 비교적으로 적었다는 것을 알 수 있었고, 내부 정수압이 응력의 차이를 발생시키는 7장 중요한 인자라는 사실을 확인하였다.

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