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문제 정의
- (2009) 등에 의해 수행되었다. 해당 연구에서는 레저요트에 적용 가능한 선급 규정을 정리하여 구조설계에 활용될 수 있는 기초자료로 제시하였으며 유한요소법을 이용하여 전선해석을 통한 강도 평가를 수행하였다. Ji, et al.
- 이런 측면에서, 본 논문에서는 CFRP 재료를 사용한 레저선박의 보다 효율적인 구조설계를 위해, 실제 레저선박을 위해 제작된 판 구조물에 대한 강도 평가를 수행할 목적으로 시험설비를 구축하고 이를 활용하여 강도 평가를 수행한 결과를 다루고 있다.
- 6 참조). 이 시험을 통해 하중 부가 시나리오를 설정하고 매뉴얼 부가 방식에 의해 하중 부가 시스템의 정상 작동 여부를 점검하고자 하였다. 부가 하중의 크기를 0 bar로부터 시작하여 최대 90 bar까지 단계적으로 5bar씩 증가시킨 결과, 동기화 된 6개의 유압 실린더가 동일한 압력으로 분포하중을 Panel-5에 가하고 있음을 확인할 수 있었다.
- 본 논문에서는 FRP 재료를 사용한 레저선박에 대한 기존의 구조 설계 결과물을 보완하고 신뢰성을 높이기 위한 노력의 일환으로써 실제 레저선박의 선체 구조물을 대상으로 시험적 구조강도 평가를 위한 시험설비 구축과 운용에 관한 내용을 다루었다. 특히 FRP 재료 중 우수한 공학적 재료 성질을 갖는 최첨단 CFRP 재료를 사용하여 제작된 레저선박의 선체 구조물을 대상으로 삼았다.
제안 방법
- CFRP 재료 기반의 레저선박 선체 구조물의 시험적 강도평가를 위해 시험설비를 구축하였다. 시험설비는 구조시험 프레임, 하중 부가 장치 그리고 계측센서 및 데이터 수집 장치 등으로 구성이 되었으며 각각에 대한 설명은 아래와 같다.
- 레저선박의 모노코크(monocoque) 구조방식, 샌드위치(sandwich) 구조방식 그리고 톱핫보강재(top-hat stiffener)로 보강된 구조방식 등을 채용한 다양한 선체구조물을 고려하여 구조시험 프레임을 설계하였다. 강철을 사용한 구조시험 프레임은 상기 선체구조 방식들로부터 취해진 판 구조물의 강도 평가와 변형을 측정을 위해 다음의 조건들을 만족하도록 제작되었다.
- 레저선박의 모노코크(monocoque) 구조방식, 샌드위치(sandwich) 구조방식 그리고 톱핫보강재(top-hat stiffener)로 보강된 구조방식 등을 채용한 다양한 선체구조물을 고려하여 구조시험 프레임을 설계하였다. 강철을 사용한 구조시험 프레임은 상기 선체구조 방식들로부터 취해진 판 구조물의 강도 평가와 변형을 측정을 위해 다음의 조건들을 만족하도록 제작되었다.
- 고정 경계 조건을 구현하기 위해 구조시험 프레임의 사변으로 각각 0.2 m의 폭에 총 60개의 직경 12 mm 볼트를 사용하여 시험용 판 구조물이 구조시험 프레임에 견고히 고정될 수 있도록 하였다. Fig.
- 시험용 판 구조물의 시험 면적을 고려하여 외판 면에 수직하게 작용하는 분포하중을 부가할 목적으로 총 6개의 유압 실린더를 Fig. 3과 Fig. 4에 보이는 바와 같이 배치하였다. 이들은 서로 다른 시험용 판 구조물의 길이 대 폭 비 값들을 고려하여 분포하중을 부가하고자 구조시험 프레임 하단에 설치된 가이드 레일을 통해 이동과 고정이 가능하도록 하였다.
- Fig. 4는 구조시험 프레임에 정착된 유압 실린더의 배치 사진을 보여주고 있으며 여기서, 각각의 유압 실린더 상단에 로드 셀(load cell)을 설치하여 유압모터 게이지에서 가리키는 하중 값과 유압실린더를 통해 시험용 판 구조물에 작용되는 하중 값을 비교함으로써 부가 하중의 정확성을 검증하고자 하였다.
- 6개의 유압 실린더로부터 전달되는 하중을 시험용 판 구조물에 분포하중으로 작용시키기 위해 로드 셀 상단에 시험 면적과 동일한 면적을 갖는 강판을 두었으며 아울러 이 강판과 시험용 판 구조물 사이에 역시 시험 면적과 동일한 면적을 갖는 고무판을 두어 하중 작용 시 시험용 판 구조물에 발생할 수 있는 응력집중 현상을 피하였다.
- 복합재료의 이방성 특성으로 인한 방향성에 따른 상이한 구조 응답성을 계측하기 위해 1축(uni-axial)과 3축(rosette)의 스트레인 게이지를 혼용하였다. 사용된 1축과 3축 게이지는 각각 6.
- 선형가변위치센서의 경우, 구조시험 프레임에 적용할 수 있는 시험용 판 구조물의 최대 두께에 여유치를 추가하여 최대 100 mm 변위까지 측정이 가능하도록 하였다. 시험용 판 구조물의 경계조건이 사변 고정인 관계로 선형가변위치센서를 판 구조물의 중앙에 설치하여 최대 처짐을 계측하도록 하였다. 데이터 수집 장치는 NI사의 PXI와 SCXI 시스템을 사용하였으며 시험에 사용되는 스트레인 게이지 수와 선형가변위치센서 그리고 6개의 유압 실린더 상단에 부착된 로드 셀 등을 고려하여 총 24채널로 구성하였다.
- 데이터 수집 장치는 NI사의 PXI와 SCXI 시스템을 사용하였으며 시험에 사용되는 스트레인 게이지 수와 선형가변위치센서 그리고 6개의 유압 실린더 상단에 부착된 로드 셀 등을 고려하여 총 24채널로 구성하였다. 아울러 계측센서가 추가될 경우를 대비하여 SCXI 시스템을 활용하여 추가 채널을 확보하도록 하였다. 한편 시험으로부터 수집되는 계측센서 데이터는 LabView 소프트웨어를 기반으로 한 프로그램을 사용하여 제어 및 취득하였다.
- 5 참조) 부분적으로 로빙 매트(roving mat)를 적층하였으며, 에폭시 수지를 사용하였다. 제작 공법은 수적층과 진공압축을 동시에 사용하여 적층된 각 플라이 간에 우수한 함침이 이루어지도록 하였다.
- Table 2는 5개의 CFRP 시험용 판 구조물의 크기를 보여주고 있다. 시험면적이 1 m2인 판 구조물을 고려한 관계로 약간의 편차는 있으나 길이와 폭이 모두 1.4m 이상이 되도록 하였다. 다만 두께의 경우 최대 15.
- 최초 시험설비 운용에서는, 본 시험에 앞서, 최소 두께를 갖는 Panel-5를 선택하고 이에 계측센서를 부착하지 않고 구조시험 프레임에 사변을 고정시켰다(Fig. 6 참조). 이 시험을 통해 하중 부가 시나리오를 설정하고 매뉴얼 부가 방식에 의해 하중 부가 시스템의 정상 작동 여부를 점검하고자 하였다.
- 이후, Panel-1 ~ Panel-4에 대해 스트레인 게이지와 선형가변위치센서를 부착한 후 구조시험 프레임에 사변을 고정하여 본 시험을 준비하였다. 시험면적이 1 m2로써, 기하학적 대칭성과 CFRP 재료의 이방성 특성을 고려하여 Fig.
- Panel-1 ~ Panel-4에 적용하는 하중 부가 시나리오는 최소 하중 0bar에서부터 10 bar씩 단계적으로 증가시켜 최대 하중 150bar에 이르게 설정하였다. 부가된 하중 값에 대해 각 Panel의 구조적 응답성을 관찰한 후에 다음 단계의 하중 값으로 증가하기 위해 매뉴얼 부가 방식을 선택하였으며, 각 하중 단계마다 변형률과 처짐 데이터를 제어하고 취득하였다.
- Panel-1 ~ Panel-4에 적용하는 하중 부가 시나리오는 최소 하중 0bar에서부터 10 bar씩 단계적으로 증가시켜 최대 하중 150bar에 이르게 설정하였다. 부가된 하중 값에 대해 각 Panel의 구조적 응답성을 관찰한 후에 다음 단계의 하중 값으로 증가하기 위해 매뉴얼 부가 방식을 선택하였으며, 각 하중 단계마다 변형률과 처짐 데이터를 제어하고 취득하였다.
- 10의 하중 이력은 또한 설정된 하중 부가 시나리오대로 하중 부가 시스템이 작동하였음을 확인해 주고 있다. Panel-1 ~ Panel-4에 대해서 최대 하중인 150 bar에 이르기까지 변형률과 처짐이 계측되었으며 동시에 각 Panel에 대한 육안 점검(visual check) 및 음향 점검(sound check)을 수행하여 균열 발생 및 층간 분리와 같은 복합재료 기반 구조물의 초기 파손으로부터 점진적으로 확대되어 가는 파손 확장에 대해서 관찰하였다.
- 구조강도 평가를 위한 시험설비는 복합재료를 사용한 모노코크, 샌드위치 그리고 톱핫보강재로 보강된 선체 구조방식 등의 판 구조물을 사변 고정케 하였으며, 시험면적이 최소 1 m2에서 최대 1.5 m2까지 조정될 수 있도록 하였다. 아울러 판 구조물의 두께 정도를 판단할 수 있는 무차원 값인 판 구조물의 폭 대 두께 비는 최대 20까지 가능하도록 구조시험 프레임을 제작하였다.
- 5 m2까지 조정될 수 있도록 하였다. 아울러 판 구조물의 두께 정도를 판단할 수 있는 무차원 값인 판 구조물의 폭 대 두께 비는 최대 20까지 가능하도록 구조시험 프레임을 제작하였다. 시험설비 운용에서는 CFRP 재료로 제작된 레저선박의 선체와 동일한 재료, 적층 설계 안 그리고 제작 공법을 사용한 시험 면적 1 m2를 갖는 총 5개의 시험용 판 구조물을 제작하고 레저선박이 운항 중 경험하는 대표적인 하중인 횡 분포 하중을 외판 면에 부가하였다.
- 아울러 판 구조물의 두께 정도를 판단할 수 있는 무차원 값인 판 구조물의 폭 대 두께 비는 최대 20까지 가능하도록 구조시험 프레임을 제작하였다. 시험설비 운용에서는 CFRP 재료로 제작된 레저선박의 선체와 동일한 재료, 적층 설계 안 그리고 제작 공법을 사용한 시험 면적 1 m2를 갖는 총 5개의 시험용 판 구조물을 제작하고 레저선박이 운항 중 경험하는 대표적인 하중인 횡 분포 하중을 외판 면에 부가하였다. 평균 폭 대 두께 비가 70인 이들 두꺼운 시험용 판 구조물의 응답성은 선형가변위치센서와 스트레인 게이지로부터 처짐량과 변형률 분포를 계측하여 관찰하였다.
- 시험설비 운용에서는 CFRP 재료로 제작된 레저선박의 선체와 동일한 재료, 적층 설계 안 그리고 제작 공법을 사용한 시험 면적 1 m2를 갖는 총 5개의 시험용 판 구조물을 제작하고 레저선박이 운항 중 경험하는 대표적인 하중인 횡 분포 하중을 외판 면에 부가하였다. 평균 폭 대 두께 비가 70인 이들 두꺼운 시험용 판 구조물의 응답성은 선형가변위치센서와 스트레인 게이지로부터 처짐량과 변형률 분포를 계측하여 관찰하였다. 시험설비 운용 결과, 각각의 시험용 판 구조물에 대해 일관성 있는 하중-처짐 곡선과 변형률-하중 곡선을 얻었으며, 이들은 이론적인 해와 매우 제한적인 시편시험(coupon test) 결과에 기반을 둔 기존 레저선박 구조설계 규정의 적합성을 확인하고 관련 내용을 보완하는 기초자료로 활용될 것으로 본다.
대상 데이터
- Fig. 1은 본 연구에서 대상으로 고려한 CFRP 재료를 사용하여 제작된 레저선박을 보여주고 있다. 선체는 다축(multi-axial)과 수자직(satin)의 형태로 직조된 탄소섬유와 에폭시 수지(epoxy resin)를 조합한 CFRP 재료를 사용하여 제작하였다.
- 1은 본 연구에서 대상으로 고려한 CFRP 재료를 사용하여 제작된 레저선박을 보여주고 있다. 선체는 다축(multi-axial)과 수자직(satin)의 형태로 직조된 탄소섬유와 에폭시 수지(epoxy resin)를 조합한 CFRP 재료를 사용하여 제작하였다. 최대 12명까지 승선이 가능한 본 레저선박의 개략적인 제원을 Table 1에 소개하였다.
- 2은 위 조건들을 만족시키는 구조시험 프레임의 평면도를 보여주고 있다. 시험용 판 구조물의 고정 경계 조건을 구현하기 위한 부분까지 고려하면 구조시험 프레임의 전체 크기는 폭이 1.4 m, 길이는 1.9 m이다. 길이 대 폭 비 1.
- 사용된 1축과 3축 게이지는 각각 6.35mm와 1.57 mm의 게이지 길이를 가지며 공통적으로 350±0.6% Ohms 저항과 –50°C ~ +80°C 범위의 운용온도를 가지고 있다.
- 외부 하중을 받는 구조시험 프레임에 고정된 시험용 판 구조물의 강도를 평가하고 변형을 측정하기 위해서 CFRP 재료 특성을 고려한 스트레인 게이지(strain gauge)와 선형가변위치센서(LVDT, Linear Variable Displacement Transformer) 그리고 National Instruments (NI, 2016)사의 데이터 수집 장치를 사용하였다.
- 시험용 판 구조물의 경계조건이 사변 고정인 관계로 선형가변위치센서를 판 구조물의 중앙에 설치하여 최대 처짐을 계측하도록 하였다. 데이터 수집 장치는 NI사의 PXI와 SCXI 시스템을 사용하였으며 시험에 사용되는 스트레인 게이지 수와 선형가변위치센서 그리고 6개의 유압 실린더 상단에 부착된 로드 셀 등을 고려하여 총 24채널로 구성하였다. 아울러 계측센서가 추가될 경우를 대비하여 SCXI 시스템을 활용하여 추가 채널을 확보하도록 하였다.
- 본 연구를 통해 구축된 시험설비를 활용하여 레저선박 선체 구조물의 강도평가를 수행하기 위해, 대상으로 삼은 레저선박(Fig. 1 참조)의 선체에 사용된 판 구조물과 동일한 재료, 적층 설계 안 그리고 제작 공법을 사용한 총 5개의 CFRP 시험용 판 구조물을 활용하였다. 이 판 구조물은 600 g/m2의 Multi-axial과 400 g/m2의 Satin의 형태로 직조된 탄소섬유에(Fig.
- 1 참조)의 선체에 사용된 판 구조물과 동일한 재료, 적층 설계 안 그리고 제작 공법을 사용한 총 5개의 CFRP 시험용 판 구조물을 활용하였다. 이 판 구조물은 600 g/m2의 Multi-axial과 400 g/m2의 Satin의 형태로 직조된 탄소섬유에(Fig. 5 참조) 부분적으로 로빙 매트(roving mat)를 적층하였으며, 에폭시 수지를 사용하였다. 제작 공법은 수적층과 진공압축을 동시에 사용하여 적층된 각 플라이 간에 우수한 함침이 이루어지도록 하였다.
- 이후, Panel-1 ~ Panel-4에 대해 스트레인 게이지와 선형가변위치센서를 부착한 후 구조시험 프레임에 사변을 고정하여 본 시험을 준비하였다. 시험면적이 1 m2로써, 기하학적 대칭성과 CFRP 재료의 이방성 특성을 고려하여 Fig. 7에서 보여주는 바와 같이 스트레인 게이지(이하, SG)를 부착하였다. 여기서 SG 123, SG 456, SG 789는 3축 스트레인 게이지를 나타내며 SG 10, SG 11, SG 12는 1축 스트레인 게이지를 나타낸다.
- 본 논문에서는 FRP 재료를 사용한 레저선박에 대한 기존의 구조 설계 결과물을 보완하고 신뢰성을 높이기 위한 노력의 일환으로써 실제 레저선박의 선체 구조물을 대상으로 시험적 구조강도 평가를 위한 시험설비 구축과 운용에 관한 내용을 다루었다. 특히 FRP 재료 중 우수한 공학적 재료 성질을 갖는 최첨단 CFRP 재료를 사용하여 제작된 레저선박의 선체 구조물을 대상으로 삼았다.
데이터처리
- 아울러 계측센서가 추가될 경우를 대비하여 SCXI 시스템을 활용하여 추가 채널을 확보하도록 하였다. 한편 시험으로부터 수집되는 계측센서 데이터는 LabView 소프트웨어를 기반으로 한 프로그램을 사용하여 제어 및 취득하였다.
성능/효과
- 2) 시험용 판 구조물은 최대 1.5의 길이 대 폭 비를 가진다. 따라서 폭 1 m에 대해서 길이를 1.
- 5) 선체로부터 시험용 판 구조물을 가져온 상황을 고려하여 구조시험 프레임에 장착되는 시험용 판 구조물의 사변 경계조건은 고정조건이 되도록 한다.
- 이 시험을 통해 하중 부가 시나리오를 설정하고 매뉴얼 부가 방식에 의해 하중 부가 시스템의 정상 작동 여부를 점검하고자 하였다. 부가 하중의 크기를 0 bar로부터 시작하여 최대 90 bar까지 단계적으로 5bar씩 증가시킨 결과, 동기화 된 6개의 유압 실린더가 동일한 압력으로 분포하중을 Panel-5에 가하고 있음을 확인할 수 있었다.
- SG 4번부터 SG 9번까지 모두 인장변형률이 계측되었으며 분포된 형태는 매우 유사하였다. Panel들의 사변 고정 조건 영향을 받은 SG 123번과 비교했을 때 SG 456번과 SG 789번으로부터 계측된 변형률은 모두 하중이 증가함에 따라 대체로 선형에 가까운 분포를 보여 주었으며 이는 시험에 사용된 Panel들이 선형영역에 존재함을 확인해 주고 있다.
- 서로 다른 위치의 3축 스트레인 게이지로부터 얻은 평균 변형률 값을 비교하면, SG 2번이(SG 13번은 제외) 가장 큰 변형률을 보여 주었으며 이어서 SG 456번 그리고 SG 789번의 순서로 변형률이 감소함을 알 수 있다. 이는 사변이 고정된 판 구조물에서 최대 변형이 고정단을 따라 발생함을 증명해 주고 있다.
- 고정단 측면을 따라 Panel들의 길이와 폭 방향의 중심에 부착된 SG 10번과 SG 11번에서는, 사변 고정 조건의 영향을 받아, 압축 변형률이 계측되었으며 평균 변형률 값으로 비교한다면 두 스트레인 게이지에서 매우 유사한 변형률 분포를 얻었다.
- 한편, 고정단으로부터 떨어진 위치에 부착된 SG 12 번의(Fig. 7 참조) 경우 인장 변형률이 계측되었으며, 그 크기는 Panel들내 동일한 선상에 부착된 SG 9번과 SG 11번의 중간 값에 매우 근접한 변형률 분포가 계측되었음을 알 수 있다.
후속연구
- 평균 폭 대 두께 비가 70인 이들 두꺼운 시험용 판 구조물의 응답성은 선형가변위치센서와 스트레인 게이지로부터 처짐량과 변형률 분포를 계측하여 관찰하였다. 시험설비 운용 결과, 각각의 시험용 판 구조물에 대해 일관성 있는 하중-처짐 곡선과 변형률-하중 곡선을 얻었으며, 이들은 이론적인 해와 매우 제한적인 시편시험(coupon test) 결과에 기반을 둔 기존 레저선박 구조설계 규정의 적합성을 확인하고 관련 내용을 보완하는 기초자료로 활용될 것으로 본다.
- 본 시험설비를 활용한 향후 연구 내용으로는 다양한 폭 대 두께 비와 구조방식을 갖는 CFRP 재료 기반의 판 구조물에 대한 시험 결과를 축적하여, CFRP 재료를 사용하는 레저선박 선체의 현실적인 파손 기준을 제시하는 것이다: 시편시험과 판 구조물 시험에서 계측된 변형률 결과는 서로 다르므로 판 구조물의 파손예측을 위해 시편시험에서 얻어진 최종 인장 변형률을 기준으로 하는 것은 비현실적이다. 더불어, 판 구조물의 파손 예측을 위한 현실적인 기준을 마련하기 위해서는 임의의 한 방향에서의 하중보다는 본 시험설비 운용에서와 같이 평면응력으로 인한 인장, 횡 전단 그리고 굽힘 등의 조합 하중을 받는 판 구조물에 대한 시험 결과가 필요하다.
- 더불어, 판 구조물의 파손 예측을 위한 현실적인 기준을 마련하기 위해서는 임의의 한 방향에서의 하중보다는 본 시험설비 운용에서와 같이 평면응력으로 인한 인장, 횡 전단 그리고 굽힘 등의 조합 하중을 받는 판 구조물에 대한 시험 결과가 필요하다. 상기 연구를 통해 도출되는 일반화된(generalized) 하중-처짐 곡선과 변형률-하중 곡선은 이론적으로 유도된 해당 곡선들의 정확성을 점검하고 궁극적으로는 레저선박의 구조설계를 위한 설계차트(design charts) 개발을 위해 활용할 계획이다. 설계차트를 이용하여 설계자는 주어진 CFRP 재료의 성질에 대해 요구되는 판 구조물의 두께를 구하거나 또는 주어진 판 구조물의 두께에 대해 요구되는 CFRP 재료의 성질을 만족하는 적층 순서를 구할 수 있을 것으로 기대된다.
- 상기 연구를 통해 도출되는 일반화된(generalized) 하중-처짐 곡선과 변형률-하중 곡선은 이론적으로 유도된 해당 곡선들의 정확성을 점검하고 궁극적으로는 레저선박의 구조설계를 위한 설계차트(design charts) 개발을 위해 활용할 계획이다. 설계차트를 이용하여 설계자는 주어진 CFRP 재료의 성질에 대해 요구되는 판 구조물의 두께를 구하거나 또는 주어진 판 구조물의 두께에 대해 요구되는 CFRP 재료의 성질을 만족하는 적층 순서를 구할 수 있을 것으로 기대된다.
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