[논문]8m급 고속 활주선형 레저보트의 구조강도 평가

고대은

doi:10.5762/kais.2018.19.10.418

8m급 고속 활주선형 레저보트의 구조강도 평가
Strength Assessment of 8m-class High-Speed Planing Leisure Boat 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.19 no.10, 2018년, pp.418 - 423

초록
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최근 국내에서는 해양레저 산업의 활성화와 세계 해양레저 시장 진출을 위해 고부가가치 레저선박에 대한 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 레저선박의 소재로는 물성이 우수하고 경량선체의 제작이 가능한 FRP(Fiber Reinforced Plastic) 복합재료가 널리 사용되고 있으며, FRP 복합재료로 제작되는 레저선박의 구조안전성 확보를 위한 설계기술 개발이 중요한 연구개발 목표중의 하나가 되고 있다. 본 연구에서는 RTM(Resin Transfer Molding) 공법으로 제작되는 FRP 복합재료 소재의 샌드위치 판넬을 주 구조부재로 하는 8m급 고속 활주선형 레저보트의 설계안에 대하여 구조강도를 평가하였다. 한국선급의 고속 경구조선 규칙 및 적용지침에 의거하여 선체 구조 안전성 검증을 위한 선저 슬래밍 충격하중 분포를 구하고, 샌드위치 구조의 복합재료 판을 등가의 굽힘 강성을 갖는 단일 재료의 등방성 판으로 치환하여 구조 해석을 수행하였다. 해석 결과를 실 제작 부재 시험편에 대한 강도 시험 결과와 비교한 결과 모든 내부 구조부재가 요구 강도를 충분히 만족함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, research and development of high-value leisure vessels has been carried out in Korea to revitalize the marine leisure industry and tap into the global maritime leisure market. FRP composite materials, which have excellent physical properties and are available for the manufacture of light hulls, are used widely. One of the most important design technologies is to secure structural safety of leisure vessels made from FRP composite materials. In this study, the structural strength was assessed for the design of an 8-meter high-speed planing leisure boat made from FRP composite materials. The design loads to verify the structural safety were calculated according to the rules for the classification of high speed light craft (KR, 2015), and structural analysis was conducted using a finite element model composed of an isotropic shell element, which has equivalent bending rigidity with the FRP sandwich panel. The analysis results were compared with the results of the strength test for fabricated specimens, and all internal structural components are sufficiently satisfied with the structural strength.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Structural arrangement
표 Table 1. Principal particulars
표 Table 2. Material specification
그림 Fig. 2. Material test specimens
그림 Fig. 3. Equivalent isotropic shell element
표 Table 3. Laminate schedule and thickness
표 Table 4. Material test result
그림 Fig. 4. Internal structural members
표 Table 5. Sea pressure
표 Table 6. Bottom slamming pressure
그림 Fig. 5. Loading and boundary condition for bottom slamming
그림 Fig. 6. Deformation results without outer shell (Max. 9.9 mm)
그림 Fig. 7. von-Mises stress results

AI 본문요약
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문제 정의

계산 결과에서 알 수 있듯이 선저 슬래밍에 의한 하중 조건이 지배적이므로 본 해석에서는 선저 슬래밍 충격압력을 설계하중으로 하고 이에 대한 구조안전성을 검토 대상으로 하였다.
1의 구조배치도를 참조하여 구조해석 모델을 작성하였다. 기본적으로 보트의 3차원 CAD 데이터는 선체를 구성하는 모든 부재의 두께가 입체적으로 표현되도록 작성되므로, 이로부터 쉘요소를 이용한 유한 요소해석 모델을 효율적으로 작성하기 위해 본 연구에서는 다음의 단계들을 거쳤다.
본 연구에서는 FRP 복합재료를 사용한 8m급 고속 활주선형 레저보트의 설계안에 대하여 구조강도를 평가하였다. 한국선급의 ‘고속 경구조선 규칙 / 고속경구조선 규칙 적용지침(2015)’[4]에 의거하여 선체 구조 안전성 검증을 위한 설계하중을 산정하고, 샌드위치 구조의 복합재료 판을 등가의 굽힘 강성을 갖는 단일 재료의 등방성 판으로 치환하여 구조해석을 수행하였다.
본 연구에서는 FRP 복합재료를 이용한 8m급 고속 활주선형 레저보트의 설계안에 대한 구조강도 평가를 수행하였으며 주요 내용은 다음과 같다.

가설 설정

선체에 작용하는 하중은 여러 가지가 있으나, 보트의 길이가 짧으므로 선체 종방향 비틀림에 의한 전단응력은 무시할 수 있고, 샌드위치 구조부재의 응력은 주로 샌드위치 단면에 작용하는 굽힘모멘트에 의해 발생한다고 가정할 수 있다. 본 연구에서는 Shin 등[1]이 제안한 방법에 따라 샌드위치 구조의 복합재료 판을 등가의 굽힘 강성을 갖는 단일 재료의 등방성 판으로 치환하여 구조해석을 수행하였다(Fig.

제안 방법

1) 한국선급의 ‘고속 경구조선 규칙 / 고속경구조선 규칙 적용지침(2015)’에 의거하여 설계하중들을 산정하였으며, 선저 슬래밍에 의한 하중 조건이 지배적으로 나타나 선저 슬래밍 충격압력에 대한 구조안전성을 검토하였다.
일반적으로 선박에 대한 전선구조해석을 수행하기 위해서는 구속에 의한 응력이 발생하지 않도록 단순지지 형태의 경계 조건을 적용하고, 경계조건에 의해 발생하는 불평형력을 제거하기 위해 해석 프로그램에서 제공하는 관성 제거(inertia relief) 기능을 사용하기도 한다. 그러나 본 해석의 목적은 슬래밍 압력에 의한 선체 보강 구조의 거동을 파악하고 안전성을 확보하는 것이므로, 선저 보강 구조가 슬래밍 압력을 직접적으로 감당하도록 하기위해 갑판 레벨의 선측 판에 고정 조건을 적용하였다. 경계 조건과 함께 선체의 길이 방향에 따라 계산된 슬래밍 하중 값을 선저의 충격압 작용 면적에 적용한 모습을 Fig.
다음, 중립면들로 표현된 선체를 대상으로 ALTAIR HYPERMESH(ver.13.0)를 이용하여 유한요소 자동분할을 실시하였으며, 마지막으로, 자동 분할된 유한요소망을 MSC PATRAN(ver.2010)으로 읽어들여 자동 분할시 발생한 오류사항들을 수정하고 구조해석을 위한 재료 물성치를 입력하였다.
선체에 작용하는 하중은 여러 가지가 있으나, 보트의 길이가 짧으므로 선체 종방향 비틀림에 의한 전단응력은 무시할 수 있고, 샌드위치 구조부재의 응력은 주로 샌드위치 단면에 작용하는 굽힘모멘트에 의해 발생한다고 가정할 수 있다. 본 연구에서는 Shin 등[1]이 제안한 방법에 따라 샌드위치 구조의 복합재료 판을 등가의 굽힘 강성을 갖는 단일 재료의 등방성 판으로 치환하여 구조해석을 수행하였다(Fig. 3). 다만, 이러한 등가 치환 방법은 두께의 영향을 많이 받는 좌굴 평가에는 적절하지 않은 단점이 있다.
우선, AUTODESK INVENTOR(ver.2016)를 이용하여 각 구조부재의 중립면을 추출하고, 선체구조에 부합하도록 중립면들의 겹침과 단절을 수정하여 새로운 CAD 데이터를 만들었다. Fig.
전용 CAD 프로그램으로 작성한 보트의 CAD 데이터를 기반으로 Fig. 1의 구조배치도를 참조하여 구조해석 모델을 작성하였다. 기본적으로 보트의 3차원 CAD 데이터는 선체를 구성하는 모든 부재의 두께가 입체적으로 표현되도록 작성되므로, 이로부터 쉘요소를 이용한 유한 요소해석 모델을 효율적으로 작성하기 위해 본 연구에서는 다음의 단계들을 거쳤다.
한국선급의 ‘고속 경구조선 규칙 / 고속경구조선 규칙 적용지침(2015)’[4]에 의거하여 선체 구조 안전성 검증을 위한 설계하중을 산정하고, 샌드위치 구조의 복합재료 판을 등가의 굽힘 강성을 갖는 단일 재료의 등방성 판으로 치환하여 구조해석을 수행하였다.
한국선급의 ‘고속 경구조선 규칙 / 고속경구조선 규칙 적용지침(2015)’[4]에 의거하여 선체 구조 안전성 검증을 위한 설계하중을 산정하고, 샌드위치 구조의 복합재료 판을 등가의 굽힘 강성을 갖는 단일 재료의 등방성 판으로 치환하여 구조해석을 수행하였다. 해석 결과를 부재 시험편에 대한 강도 시험 결과와 비교하여 구조 강도 만족여부를 검토하였다.

대상 데이터

전선 구조해석 모델에 사용된 유한요소의 크기는 선체 부재의 구조적 특징을 충분히 표현할 수 있도록 약 50×50 mm 내외로 하였으며, 전선 모델에 사용된 절점의 수는 27,917이고 유한요소의 개수는 29,688이다.

이론/모형

구조 해석은 MSC NASTRAN(ver.2010)을 이용하여 수행하였다. 초기 해석 결과, 선체 내부 구조부재의 여러 지점에서 무시할 수 없는 국부 응력집중 현상이 나타나 몇 가지 보강이 이루어졌다.
샌드위치 구조의 제작에는 RTM(Resin Transfer Molding) 공법을 적용하였다. 제작된 구조 재료의 강도는 적층재의 구성, 적층 방법, 수지의 종류 등에 따라 달라질 수 있으며, RTM과 같은 진공적층법(vacuum infusion)은 수적층법(hand lay-up)에 비하여 50% 이상 강도가 우수한 것으로 알려져 있다[6].
선박의 초기 스캔틀링(scantling)의 적절성과 강도는 한국선급의 ‘FRP선 규칙 / FRP선 규칙 적용지침 (2015)’[5]에 의거하여 사전 검토하였으며, 여기서는 이에 대한 상세한 내용을 다루지 않는다.
한국선급의 ‘고속 경구조선 규칙 / 고속경구조선 규칙 적용지침(2015)’[5]에 의거하여 선체 구조 안전성 검증을 위한 하중을 산정하였다.

성능/효과

2) 샌드위치 구조의 복합재료 판을 등가의 굽힘 강성을 갖는 단일 재료의 등방성 판으로 치환하여 구조 해석을 수행하였으며, 해석 결과를 실 제작 부재 시험편에 대한 강도 시험 결과와 비교한 결과 모든 내부 구조부재가 구조강도를 만족하는 것으로 판단된다.
7에 보였다. Ring BHD 국부 부위에서 최대 응력 95.9MPa이 발생하였고 전체적인 응력 수준은 70MPa 이하로 낮게 나타났다. 앞서 재료 강도 시험 결과에서 살펴본 바와 같이, 선체의 주요 구조부재의 인장 강도는 184MPa 이상이므로 해석 결과는 구조강도 상으로 상당히 여유가 있음을 알 수 있다.
9mm로 나타났다. 전체적인 변형 결과는 적용 하중에 대하여 합리적인 변형을 보여주고 있으며 이는 응력 해석 결과가 타당하다는 것을 의미한다.

후속연구

3) 향후 슬래밍 시의 최대 충격압력을 시계열로 산정하고 이에 대한 선체구조의 동적 거동을 파악하기 위한 연구가 필요하다고 사료된다.
2와 같이 시험편 제작 및 국제공인 시험기관에 의뢰하여 강도 시험을 실시하였으며 그 결과를 Table 4에 정리하였다. 선체의 주요 구조부재에 대한 인장강도는 184MPa 이상인 것으로 나타났으며, 이 값은 선체구조 해석 결과의 안전성 판단을 위한 설계 기준 응력으로 활용할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	레저선박의 소재로 널리 사용되고 있는 것은 무엇인가?	최근 국내에서는 해양레저 산업의 활성화와 세계 해양레저 시장 진출을 위해 고부가가치 레저선박에 대한 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 레저선박의 소재로는 물성이 우수하고 경량선체의 제작이 가능한 FRP(Fiber Reinforced Plastic) 복합재료가 널리 사용되고 있으며, FRP 복합재료로 제작되는 레저선박의 구조안전성 확보를 위한 설계기술 개발이 중요한 연구개발 목표중의 하나가 되고 있다. 본 연구에서는 RTM(Resin Transfer Molding) 공법으로 제작되는 FRP 복합재료 소재의 샌드위치 판넬을 주 구조부재로 하는 8m급 고속 활주선형 레저보트의 설계안에 대하여 구조강도를 평가하였다.
	본 연구에서는 샌드위치 구조의 복합재료 판을 등가의 굽힘 강성을 갖는 단일재료의 등반성 판으로 치환하여 구조해석을 수행하였는데 이러한 방법의 단점은 무엇인가?	3). 다만, 이러한 등가 치환 방법은 두께의 영향을 많이 받는 좌굴 평가에는 적절하지 않은 단점이 있다.
	FRP란 무엇인가?	FRP는 불포화 폴리에스테르 수지와 유리섬유로 이루 어진 복합재료로서 성형이 용이하고 내식, 내열, 내구성이 좋으며, 비강도(specific strength)가 우수하므로 선체의 경량화에 유리하다.

참고문헌 (6)

J.G. Shin, J.Y. Lee, J.H. Lee, S.H. Van, S.H. Lee and J.H, Yoo, "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, 2006.

원문보기 상세보기
J. S. Yum, J. Yoo, "Structural Strength Assessment and Optimization for 20 Feet Class Power Boat", Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Vol.53, No.2, pp.108-114, 2016. DOI: https://dx.doi.org/10.3744/SNAK.2016.53.2.108

원문보기 상세보기
U. C. Jeong, C. W. Lee, S. C. Han, "Study on Sea Trial Analysis of Wave Piercing High Speed Planing Boat", Journal of Ocean Engineering and Technology, Vol.31, No.5, pp.335-339, 2017. DOI: https://dx.doi.org/10.26748/KSOE.2017.10.31.5.335

원문보기 상세보기
Korean Register, Rules for the classification of high speed light craft, 2015.
Korean Register, Rules for the FRP vessels, 2015.
H.C. Song and J.S. Yum, "A Study of the Mechanical Properties of Fiberglass Reinforcements with Constitution of Lay-up, Manufacturing Method, and Resins", Journal of Ocean Engineering and Technology, 24(5), pp.75-80, 2010.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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