환경 문제로 인해 기존 연료를 대체하는 천연가스의 수요가 증가하고 있다. 이에 따라, 액화천연가스 운반선의 화물창이 거대화되면서 화물창 내의 슬로싱 하중이 증가하게 된다. 액화천연가스 화물창의 종류 중 하나인 Mark-III 타입의 1차 방벽은 액화천연가스와 직접적으로 접촉하고 있으며 슬로싱 하중 및 액화천연가스의 자중을 받는다. 슬로싱 하중에 의해 다양한 범위의 하중이 1차 방벽에 지속적으로 작용하며 이로 인해 피로 파괴를 유발할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 Mark-III 타입의 1차 방벽을 포함한 단열시스템을 유한요소 모델로 구성하였으며 1차 방벽에 대해 피로수명을 평가하여 피로 특성을 확인하였다. 수치해석을 통해 주응력 범위 및 최대 주응력이 발생하는 위치를 계산하였으며 이를 통해 1차 방벽의 피로수명을 수치적으로 평가하였다. 또한, 다양한 단열시스템 타입에 대해 모델링을 실시하였으며, 피로수명 평가 결과를 통해 1차 방벽의 피로 파괴 안전성을 확보하는 최적의 단열시스템에 대해 제안하였다. 본 연구의 결과는 Mark-III 타입 1차 방벽의 피로 기반 설계에 있어 활용가치가 있을 것으로 판단된다.
환경 문제로 인해 기존 연료를 대체하는 천연가스의 수요가 증가하고 있다. 이에 따라, 액화천연가스 운반선의 화물창이 거대화되면서 화물창 내의 슬로싱 하중이 증가하게 된다. 액화천연가스 화물창의 종류 중 하나인 Mark-III 타입의 1차 방벽은 액화천연가스와 직접적으로 접촉하고 있으며 슬로싱 하중 및 액화천연가스의 자중을 받는다. 슬로싱 하중에 의해 다양한 범위의 하중이 1차 방벽에 지속적으로 작용하며 이로 인해 피로 파괴를 유발할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 Mark-III 타입의 1차 방벽을 포함한 단열시스템을 유한요소 모델로 구성하였으며 1차 방벽에 대해 피로수명을 평가하여 피로 특성을 확인하였다. 수치해석을 통해 주응력 범위 및 최대 주응력이 발생하는 위치를 계산하였으며 이를 통해 1차 방벽의 피로수명을 수치적으로 평가하였다. 또한, 다양한 단열시스템 타입에 대해 모델링을 실시하였으며, 피로수명 평가 결과를 통해 1차 방벽의 피로 파괴 안전성을 확보하는 최적의 단열시스템에 대해 제안하였다. 본 연구의 결과는 Mark-III 타입 1차 방벽의 피로 기반 설계에 있어 활용가치가 있을 것으로 판단된다.
The demand of liquified natural gas is increasing due to environmental issues. This reason has resulted in increasing the capacity of liquified natural gas cargo tank. The Mark-III type primary barrier directly contacts liquified natural gas. Also, the primary barrier is under various loading condit...
The demand of liquified natural gas is increasing due to environmental issues. This reason has resulted in increasing the capacity of liquified natural gas cargo tank. The Mark-III type primary barrier directly contacts liquified natural gas. Also, the primary barrier is under various loading conditions such as weight of liquified natural gas and sloshing loads. During a ship operation, various loads can cause fatigue failure. Therefore, the fatigue life prediction should be evaluated to prevent leakage of liquified natural gas. In the present study, the fatigue analysis of insulation system including primary barrier is performed using a finite element model. The fatigue life of primary barrier is carried out using a numerical study. The value of principle stress and the location of maximum principle stress range are calculated, and the fatigue life is evaluated. In addition, the effects on the insulation panel status and the arrangement of knot or corrugation are analyzed by comparing the fatigue life of various models. The insulation system which has best structural performance of primary barrier was selected to ensure structural integrity in fatigue assessment. These results can be used as a design guideline and a fundamental study for the fatigue assessment of primary barrier.
The demand of liquified natural gas is increasing due to environmental issues. This reason has resulted in increasing the capacity of liquified natural gas cargo tank. The Mark-III type primary barrier directly contacts liquified natural gas. Also, the primary barrier is under various loading conditions such as weight of liquified natural gas and sloshing loads. During a ship operation, various loads can cause fatigue failure. Therefore, the fatigue life prediction should be evaluated to prevent leakage of liquified natural gas. In the present study, the fatigue analysis of insulation system including primary barrier is performed using a finite element model. The fatigue life of primary barrier is carried out using a numerical study. The value of principle stress and the location of maximum principle stress range are calculated, and the fatigue life is evaluated. In addition, the effects on the insulation panel status and the arrangement of knot or corrugation are analyzed by comparing the fatigue life of various models. The insulation system which has best structural performance of primary barrier was selected to ensure structural integrity in fatigue assessment. These results can be used as a design guideline and a fundamental study for the fatigue assessment of primary barrier.
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문제 정의
1차 방벽의 형상이 복잡하여 단열시스템의 피로시험은 수행하기가 어려우므로, 본 연구에서는 1차 방벽의 피로수명 평가를 위한 수치해석을 수행한다.
따라서 본 연구에서는 1차 방벽만을 고려한 경우 및 1차 방벽을 포함한 단열시스템의 피로수명을 평가하였다. 1차 방벽의 형상이 복잡하여 단열시스템의 피로시험은 수행하기가 어려우므로, 본 연구에서는 1차 방벽의 피로수명 평가를 위한 수치해석을 수행한다.
또한, 단열시스템의 구조 배치가 1차 방벽의 피로수명에 미치는 영향을 분석하기 위해 다양한 모델에 대해 수치해석을 수행하고 이 결과를 바탕으로 최적배치 모델에 대해 제안하였다.
본 연구에서는 Mark-III 타입의 1차 방벽에 대해 피로수명 평가를 위해 상용 유한요소 프로그램인 ABAQUS를 통해 주응력을 계산하여, 이를 통해 피로수명에 대해 평가하였다. 또한 Knot, Corrugation의 배치 및 단열패널 유무에 따른 1차 방벽 피로수명 영향을 검토하기 위해 9개의 모델에 대해 수치해석을 수행하여 1차 방벽의 주응력 및 피로수명을 계산하였다.
또한 Knot, Corrugation의 배치 및 단열패널 유무에 따른 1차 방벽 피로수명 영향을 검토하기 위해 9개의 모델에 대해 수치해석을 수행하여 1차 방벽의 주응력 및 피로수명을 계산하였다. 본 연구에서는 유한요소 해석을 통해 단열시스템 1차 방벽의 피로 접근법을 위한 피로수명 가이드라인을 제시하였다. 본 연구의 결과를 아래에 간략히 정리하였다.
가설 설정
1차 방벽과 강체 또는 상부 Plywood 사이의 마찰계수는 0.1로 가정하여 수치해석을 수행하였다[6].
과거 수행된 피로 시험은 응력비 R=0의 하중 제어 방식으로 실험을 진행하였으며 5×106회 이상의 하중 반복수를 무한수명이라 가정하였으며 피로수명은 강재의 완전 파단시의 수명으로 정의하였다.
1로 가정하여 수치해석을 수행하였다[6]. 또한, 슬로싱으로 인한 1차 방벽에 작용하는 하중을 1차 방벽의 윗면에 압력이 작용하는 것으로 가정하였다.
제안 방법
(b)의 SWT 선도를 이용하여 평가한 결과 무한수명으로 나타났기 때문에 본 연구에서는 최대 응력 범위만을 고려하여 피로수명을 평가하였다.
1차 방벽의 요소 개수를 결정하기 위해 RP 모델에서 Peak 압력이 1.0MPa일 때 변위의 수렴성을 통해 요소 개수를 결정하였다. Figure 7 (a)는 요소 개수에 따른 변위를 나타낸다.
DNV [10]의 제안에 따라 Mastic의 밑면은 단순지지로 하며, 상부 Plywood 및 Primary R-PUF의 경우에 양의 x축 및 y축에 수직한 면에 대칭조건을 부여하고, Triplex, Secondary R-PUF 및 하부 Plywood의 모든 측면에 대칭조건을 부여 하였으며, Mastic의 경우에는 x축에 수직한 두 면 및 중앙 Mastic의 음의 y축에 수직한 면에 대칭조건을 부여하였다.
본 연구에서는 Knot, Corrugation 및 단열패널에 따른 영향을 평가하기 위해 구조 배치가 다른 9가지의 모델을 대상으로 해석을 수행하였다. RP 모델은 단열패널을 제외한 1차 방벽만을 고려한 것으로, 수직방향의 강체운동(Rigid body motion)을 방지하기 위해 1차 방벽 아래에 강체(Rigid plate)를 모델링하였다. 반면에 M40 모델은 Mastic 폭이 40mm인 Type-A 단열패널, M20 모델의 경우 Mastic 폭이 20mm인 Type-B 단열패널을 고려하였다.
또한 Knot, Corrugation의 배치 및 단열패널 유무에 따른 1차 방벽 피로수명 영향을 검토하기 위해 9개의 모델에 대해 수치해석을 수행하여 1차 방벽의 주응력 및 피로수명을 계산하였다.
또한, Figure 13에 보듯 Mastic과 평행한 Corrugation의 타입에 따라 피로수명에 미치는 영향을 평가하기 위해 M40-LC 및 M40-SC, M40-LE 및 M40-SE, M20-LC 및 M20-SC, M20-LE 및 M20-SE의 각각 4가지 경우를 비교하였다.
본 연구는 Mark-III 타입의 1차 방벽을 대상으로 하여 해석을 수행하였다. 1차 방벽은 Figure 2와 같이 주름진 형상을 가지고 재료는 스테인리스 304L이며 두께는 1.
본 연구에서 수행한 Peak 압력의 범위는 슬로싱에 의해 나타날 수 있는 범위 중 가장 빈도가 높은 0.1 ~ 1.0MPa을 기준으로 하였으며, 간격은 0.1MPa로 총 10개의 Peak 압력에 대해 수치해석을 수행하였다.
6으로 나타났다. 본 연구에서는 Duration 평균 및 Duration에 대한 Rise time의 평균비의 최빈값을 기준으로 선정하였으며, 이때 Duration은 7ms, Rise time은 3.5ms로 하였다.
본 연구에서는 Figure 10 (a)에 나타낸 바와 같이 스테인리스 304L의 피로 시험 결과[12]를 통해 1차 방벽의 피로수명을 평가하였다. 과거 수행된 피로 시험은 응력비 R=0의 하중 제어 방식으로 실험을 진행하였으며 5×106회 이상의 하중 반복수를 무한수명이라 가정하였으며 피로수명은 강재의 완전 파단시의 수명으로 정의하였다.
본 연구에서는 Table 3에 나타낸 바와 같이 9가지의 모델에 대해 피로수명 평가를 위한 수치해석을 수행하였다. Figure 3 (d) 및 Figure 4에서 1차 방벽 및 단열패널은 중심을 기준으로 길이 및 폭 방향 대칭이므로 해석에 소요되는 비용을 줄이기 위해 전체 모델 중 1/4을 고려한 Quarter model을 사용하였다.
본 연구에서는 단열패널의 구조 응답보다 1차 방벽의 구조 응답에 대한 관심이 주이므로, DNV [10]의 제안에 따라 Mastic의 폭 방향 요소는 2개를 사용하였다.
본 연구에서는 상용 유한요소 해석 프로그램인 ABAQUS를 사용하였으며 단열시스템의 구조 배치에 따른 9개의 모델에 대하여 10개의 하중 이력을 적용하여 총 90개의 유한요소 해석을 수행하였으며, 피로수명을 평가하기 위해 최대 주응력이 발생하는 위치에서 주응력을 기준으로 평가하였다.
대상 데이터
요소 개수가 58,241개 이후로 변위가 수렴하기 시작하였다. 따라서 본 연구에서 1차 방벽의 요소 개수를 58,241로 선정하였으며, 이때 요소 크기는 약 0.8mm이다.
따라서 본 연구에서는 Figure 3과 같이 실제 사용하는 1차 방벽을 340mm x 340mm로 자른 후 3D scanner를 이용하여 1차 방벽 표면 형상 데이터를 획득하였다.
반면에 M40 모델은 Mastic 폭이 40mm인 Type-A 단열패널, M20 모델의 경우 Mastic 폭이 20mm인 Type-B 단열패널을 고려하였다.
본 수치해석에 사용된 1차 방벽의 요소는 4절점 저감적분 요소 S4R이며, 단열패널의 요소는 8절점 3차원 저감적분 입방요소 C3D8R을 사용하였다.
본 연구에 적용된 단열패널은 과거 연구[4][5]에서 적용된 Type-A 및 Type-B 단열패널으로 Plywood, R-PUF, Triplex, 그리고 Mastic으로 구성되어 있다.
본 연구에서는 Knot, Corrugation 및 단열패널에 따른 영향을 평가하기 위해 구조 배치가 다른 9가지의 모델을 대상으로 해석을 수행하였다.
이론/모형
다양한 응력 범위의 피로수명 평가에 소요되는 시간을 줄이기 위해, 본 연구에서는 레인플로우 집계를 통해 최대 응력의 5% 이내의 미소 응력 범위를 제거하였으며, 집계된 응력 범위의 평균응력 효과를 고려하기 위해 SWT(Smith-Watson-Topper) 방정식을 사용하였다.
이를 이용하여 표면을 형성하여 상용 유한요소 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 유한요소 모델을 구성하였다.
성능/효과
• 단열패널을 고려하지 않은 모델인 RP 모델에 비해 단열패널을 고려한 모델인 M40-SE 및 M20-SE 모델이 긴 피로수명을 가졌으며, 특히 Mastic 폭이 상대적으로 작은 M20 모델인 M20-SE 모델이 가장 긴 피로수명을 가졌다.
또한, Mastic 폭이 좁은 M20-SE 모델이 M40-SE 모델보다 1차 방벽의 응력 범위가 낮게 발생하여 긴 피로수명을 가진다. 9개의 모델에 대해 피로수명을 비교한 결과 M20-SE 모델이 가장 긴 피로수명을 가진다. 따라서 1차 방벽의 피로 파괴에 대한 구조적 안전성을 위한 최적 단열시스템은 Knot가 Type-B 단열패널 중심에 위치하며 Small corrugation이 Mastic에 평행하게 배치된 M20-SE 모델로 판단된다.
• 1차 방벽에 슬로싱 하중이 가해졌을 때 응력 이력의 경우 단열패널을 고려하지 않는 경우는 고려한 경우에 비해 응력이 심하게 요동쳤다. 또한, Peak 압력이 증가할수록 응력 요동이 줄어들었다.
또한, 연구 결과를 통해 1차 방벽의 Corrugation 배치 및 단열패널 타입이 피로강도에 영향을 주는 인자임을 알 수 있다.
Figure 10 (a)의 S-N 선도를 이용하여 무한수명으로 계산되는 Peak 압력의 경우 그래프에 나타내지 않았다. 이는 무한수명이 처음 발생하는 Peak 압력을 정확히 평가할 수 없기 때문에 무한수명으로 계산되는 Peak 압력은 무의 미하다고 판단하였으며, 본 연구에서는 1차 방벽의 피로수명에 영향을 주는 요인(Knot, Corrugation 및 단열패널)에 대해 피로수명의 경향을 파악하는 것이 주된 목적이므로 무한수명이 나타나는 Peak 압력을 고려하지 않아도 무방하다고 판단된다.
Figure 9는 주요한 4가지 경우에 대한 RP, M40-SE 및 M20-SE 모델에 따른 응력 이력을 나타낸다. 이를 통해 단열패널을 고려하지 않은 RP 모델은 Type-A 단열패널을 적용한 M40-SE 및 Type-B 단열패널을 적용한 M20-SE 모델보다 응력이 심하게 요동치는 것을 확인할 수 있다. 다른 경우도 마찬가지로 Peak 압력의 크기 및 최대 응력이 발생하는 위치와 상관없이 단열패널을 고려한 M40 및 M20 모델의 경우 단열패널을 고려하지 않은 RP 모델에 비해 요동이 적다.
해석 결과를 통해 Knot가 단열패널의 가운데에 위치하거나 가장자리에 위치하는 것에 따른 피로수명의 영향이 미미하다는 것을 알 수 있었다. 반면에 Corrugation의 배치에 따른 영향이 1차 방벽의 피로수명에 있어 크지 않지만 Mastic과 평행한 Corrugation이 Small corrugation인 모델(M40-SC, M40-SE, M20-SC, M20-SE)이 Large corrugation인 모델(M40-LC, M40-LE, M20-LC, M20-LE)보다 긴 피로수명을 가지는 것으로 나타났다.
후속연구
하지만 본 연구에서는 상온에서 수행된 실험 데이터를 기반으로 수치해석을 수행하였으므로 실제 운항하는 LNG 화물창의 결과와는 차이가 있을 것으로 판단된다. 따라서 실제 운항되는 LNG 화물창의 온도인 110K를 고려한 1차 방벽의 피로수명 평가에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
액화천연가스 화물창의 종류 중 하나인 Mark-III 타입의 1차 방벽의 역할은 무엇인가?
이에 따라, 액화천연가스 운반선의 화물창이 거대화되면서 화물창 내의 슬로싱 하중이 증가하게 된다. 액화천연가스 화물창의 종류 중 하나인 Mark-III 타입의 1차 방벽은 액화천연가스와 직접적으로 접촉하고 있으며 슬로싱 하중 및 액화천연가스의 자중을 받는다. 슬로싱 하중에 의해 다양한 범위의 하중이 1차 방벽에 지속적으로 작용하며 이로 인해 피로 파괴를 유발할 수 있다.
슬로싱 하중은 1차 방벽에 어떤 문제를 야기하는가?
액화천연가스 화물창의 종류 중 하나인 Mark-III 타입의 1차 방벽은 액화천연가스와 직접적으로 접촉하고 있으며 슬로싱 하중 및 액화천연가스의 자중을 받는다. 슬로싱 하중에 의해 다양한 범위의 하중이 1차 방벽에 지속적으로 작용하며 이로 인해 피로 파괴를 유발할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 Mark-III 타입의 1차 방벽을 포함한 단열시스템을 유한요소 모델로 구성하였으며 1차 방벽에 대해 피로수명을 평가하여 피로 특성을 확인하였다.
1차방벽에 대한 피로수명 평가가 필수적인 이유는 무엇인가?
Mark-III 타입의 단열시스템은 Figure 1과 같이 두께 방향으로 1차 방벽(Primary barrier), 상부 Plywood, Primary R-PUF(Reinforced polyurethane foam), Triplex, Secondary R-PUF, 그리고 하부 Plywood가 균일하게 배치된 구조이다. 1차 방벽은 LNG와 직접 접촉하여 LNG 누설을 방지하는 역할을 하고 있으며 슬로싱(Sloshing) 하중, 온도 하중 및 LNG의 자중을 받게 된다. 또한, LNG 수요가 증가함에 따라 LNG 운반선의 화물창이 거대화되면서 다른 하중에 비해 강한 슬로싱 하중이 나타난다[1]. 이러한 슬로싱 하중이 지속적으로 가해지는 화물창 내의 1차 방벽은 피로 파괴가 야기될 수 있으며 이로 인한 LNG 누설이 발생할 수 있으므로 이에 대한 피로수명 평가가 필수적이다.
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