보이지 않는 힘으로도 불리는 잠수함은 수중에서 활동하는 은밀성을 장점으로 대함전, 대잠전 및 핵심표적 타격 등의 임무를 수행하는 전략 수중 무기 체계로 심해에서 높은 수압을 견디며 작전을 수행할 수 있어야 한다. 이러한 관점에서 잠수함 압력 선체는 잠항 깊이에 상응하는 외부 수압에 저항하는 가장 중요한 체계로서 누수, 화재, 충격 및 폭발과 같은 위험으로부터 안전성을 확보함으로써 생존성을 높임과 동시에, 작전 수행 능력을 유지할 수 있게 해주는 강도를 확보하고 있어야 한다. 이를 위해서는 잠수함 압력 선체의 구조형상 설계가 초기에 수행되는 것이 합리적이다. 특히, 함미 원추부 구조물과 압력선체 평형부 및 함미 비압력선체를 연결하는 함미 트랜지션 링의 경우, 설계된 잠수함에 따라 다양한 형상을 띄고 있다. 본 구조물 설계를 위해서는 응력 흐름과 연결성을 고려한 설계뿐만 아니라 복잡한 형상이 기인한 구조물 제작 투입 시수 증가로 인한 원가 상승 또한 검토해야 한다. 따라서, 본 연구에서는 4가지 서로 다른 형상을 갖는 함미 트랜지션 링에 대해서 비선형 유한요소해석을 통한 구조 강도 검토와 더불어 함미 트랜지션 링 형상 복잡도에 따른 작업 일수 및 자재비 검토를 통해 경제성 측면에서의 적정성 검토를 수행하였으며, 검토된 4가지 형상 중 가장 합리적인 잠수함 함미 트랜지션 링 형상을 제안하였다.
보이지 않는 힘으로도 불리는 잠수함은 수중에서 활동하는 은밀성을 장점으로 대함전, 대잠전 및 핵심표적 타격 등의 임무를 수행하는 전략 수중 무기 체계로 심해에서 높은 수압을 견디며 작전을 수행할 수 있어야 한다. 이러한 관점에서 잠수함 압력 선체는 잠항 깊이에 상응하는 외부 수압에 저항하는 가장 중요한 체계로서 누수, 화재, 충격 및 폭발과 같은 위험으로부터 안전성을 확보함으로써 생존성을 높임과 동시에, 작전 수행 능력을 유지할 수 있게 해주는 강도를 확보하고 있어야 한다. 이를 위해서는 잠수함 압력 선체의 구조형상 설계가 초기에 수행되는 것이 합리적이다. 특히, 함미 원추부 구조물과 압력선체 평형부 및 함미 비압력선체를 연결하는 함미 트랜지션 링의 경우, 설계된 잠수함에 따라 다양한 형상을 띄고 있다. 본 구조물 설계를 위해서는 응력 흐름과 연결성을 고려한 설계뿐만 아니라 복잡한 형상이 기인한 구조물 제작 투입 시수 증가로 인한 원가 상승 또한 검토해야 한다. 따라서, 본 연구에서는 4가지 서로 다른 형상을 갖는 함미 트랜지션 링에 대해서 비선형 유한요소해석을 통한 구조 강도 검토와 더불어 함미 트랜지션 링 형상 복잡도에 따른 작업 일수 및 자재비 검토를 통해 경제성 측면에서의 적정성 검토를 수행하였으며, 검토된 4가지 형상 중 가장 합리적인 잠수함 함미 트랜지션 링 형상을 제안하였다.
Submarines, which have been called an invisible force, are strategic underwater weapon systems that perform missions such as anti-surface warfare, anti-submarine warfare, and high payoff target strikes with the advantage of underwater covertness. A submarine should be able to withstand the hydrostat...
Submarines, which have been called an invisible force, are strategic underwater weapon systems that perform missions such as anti-surface warfare, anti-submarine warfare, and high payoff target strikes with the advantage of underwater covertness. A submarine should be able to withstand the hydrostatic pressure of the deep sea. In this respect, the submarine pressure hull, as the main structural system to resist the external pressure corresponding to the submerged depth, should ensure the survivability from hazards and threats such as leakage, fires, shock, explosion, etc. To do this, the initial scantling of the submarine pressure hull must be calculated appropriately in the concept design phase. The shape of the aft transition ring varies according to its connection with the submarine aft end conical structure, pressure hull cylindrical part, and non-pressure hull of the submarine; the design of the aft transition ring should not only take into account stress flow and connectivity but also the cost increase due to the increased man-hours of its complex geometry. Therefore, trade-off studies based on the four different shapes of the aft transition ring are carried out considering both the review of the structural strength through nonlinear finite element analysis (FEA) and economic feasibility by reviewing the estimations of the manufacturing working days and material costs. Finally, the most rational structural aft transition ring shape for a submarine amongst four reviewed types was proposed.
Submarines, which have been called an invisible force, are strategic underwater weapon systems that perform missions such as anti-surface warfare, anti-submarine warfare, and high payoff target strikes with the advantage of underwater covertness. A submarine should be able to withstand the hydrostatic pressure of the deep sea. In this respect, the submarine pressure hull, as the main structural system to resist the external pressure corresponding to the submerged depth, should ensure the survivability from hazards and threats such as leakage, fires, shock, explosion, etc. To do this, the initial scantling of the submarine pressure hull must be calculated appropriately in the concept design phase. The shape of the aft transition ring varies according to its connection with the submarine aft end conical structure, pressure hull cylindrical part, and non-pressure hull of the submarine; the design of the aft transition ring should not only take into account stress flow and connectivity but also the cost increase due to the increased man-hours of its complex geometry. Therefore, trade-off studies based on the four different shapes of the aft transition ring are carried out considering both the review of the structural strength through nonlinear finite element analysis (FEA) and economic feasibility by reviewing the estimations of the manufacturing working days and material costs. Finally, the most rational structural aft transition ring shape for a submarine amongst four reviewed types was proposed.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
따라서, 본 연구를 통하여 ATR 구조 형상에 따른 구조 강도 검토와 더불어 형상 단순화가 작업성 향상과 원가 절감에 미치는 영향에 대해서 비교 검토하여 검토된 4가지 형상 중 가장 합리적인 잠수함 함미 ATR 형상을 제안하고자 한다.
마지막으로 Type 3과 4는 Type 2와 달리 ATR 안쪽 면을 직선이 아닌 곡선을 적용한 형상으로 압력선체 원추부와 함미 끝막이 격벽과 만나는 부분의 부드러운 연결이 ATR 구조 건전성에 미치는 영향을 검토하고자 고려하였다.
본 연구는 ATR 구조 형상에 따른 구조 강도 검토와 더불어 형상 단순화가 작업성 향상과 원가 절감에 미치는 영향에 대해서 비교 검토하여 최적의 ATR 형상을 도출하기 위해서 trade-off 연구를 수행하였으며, 검토 대상은 총 4가지 경우가 선정되었다.
비선형해석은 재료 및 기하비선형을 적용하며, 구조물의 최종강도를 파악하는데 목적이 있다. 이때, 최종강도는 비선형 유한요소해석을 수행하여 도출한다.
선형해석의 목적은 앞서 언급한 바와 같이 ATR 전후 압력선체 끝막이 격벽 및 압력선체 원추부와의 연결부에서 발생하는 응력이 피로허용응력 이내에 있는지 여부를 판단하기 위해 수행한다.
제안 방법
ATR 구조부의 피로강도는 ATR과 용접으로 연결되는 압력선체에서 발생하는 응력을 검토하여 건전성을 판단하며, Fig. 6 점선 원에서 보는 바와 같이 ATR구조를 제외한 상태에서 압력선체 원추부에 발생하는 주응력을 검토한다. 이와 같은 방식으로 도출한 각 type별 주응력은 Table 4 및 Fig.
반면에, 비대칭 좌굴은 외판이 상대적으로 얇고 늑골 간격이 넓으면 나타나는 좌굴로 압력선체 외판 둘레에 걸쳐 파형 좌굴을 나타내는 형태로 인접한 늑골 사이의 좌굴과 비대칭 형상을 띈다. 또한, 전반적 좌굴은 늑골의 급격한 강도 저하로 인한 구조물 전반에 걸친 좌굴 강도의 불안정으로 발생하는데, 설계자는 좌굴로 인한 피해를 최소화하기 위해 전반적 좌굴이 발생하지 않게, 즉, 요구성능 이상에서 축대칭 또는 비대칭 좌굴이 발생하도록 설계를 수행한다.
선형 및 비선형 유한요소 해석 결과로부터, 해당 구조물의 피로강도 및 최종강도를 평가한다.
유한요소 해석을 수행하여, Table 2에서 정의한 type에 대한 피로강도 및 최종강도를 검토하였다. 잠수함 피로강도의 평가는 잠수함 운용심도 정수압(Nominal Service Pressure, NSP)에서 ATR 전후 압력선체 원추부 연결부에서 발생하는 주응력이 피로 허용응력 이내에 있어야 하며, 선형해석 결과를 바탕으로 평가한다.
잠수함 ATR 형상에 대한 Trade-off 연구를 위해서 Table 1에 언급된 형상 정보를 참고하여, Table 2와 같은 ATR 형상을 고려한 Trade-off 연구를 수행한다.
유한요소 해석을 수행하여, Table 2에서 정의한 type에 대한 피로강도 및 최종강도를 검토하였다. 잠수함 피로강도의 평가는 잠수함 운용심도 정수압(Nominal Service Pressure, NSP)에서 ATR 전후 압력선체 원추부 연결부에서 발생하는 주응력이 피로 허용응력 이내에 있어야 하며, 선형해석 결과를 바탕으로 평가한다. 본 trade-off 연구에 사용된 압력선체 원추부 연결부 두께는 26 mm가 적용되었으며, 이때 피로 허용응력은 499.
대상 데이터
ATR 구조건정성 검토를 위한 유한요소해석 요소로 Plane 42를 선정하였다. 본 요소는 2차원 solid 및 4절점 요소로 축대칭 해석이 가능하여, ATR을 3차원 solid 구조로 모델링할 필요없이 2차원 평면에 모델링을 한 후 축대칭 특성을 활성화함으로써 3차원 모델과 동일한 결과를 도출할 수 있다(MacDonald, 2007).
Type 1은 응력 흐름을 고려한 ATR 형상으로 독일 잠수함에 적용된 적이 있으며, Table 1의 SSBN598, SSN585 및 SSN588에 적용된 사다리꼴 형상의 개량형으로 정의하였다.
Type 2는 Table 1의 LPSS574와 SSN594에 적용된 삼각형 형상의 ATR에 대한 검토를 위해 본 연구에 포함하였다.
잠수함 피로강도의 평가는 잠수함 운용심도 정수압(Nominal Service Pressure, NSP)에서 ATR 전후 압력선체 원추부 연결부에서 발생하는 주응력이 피로 허용응력 이내에 있어야 하며, 선형해석 결과를 바탕으로 평가한다. 본 trade-off 연구에 사용된 압력선체 원추부 연결부 두께는 26 mm가 적용되었으며, 이때 피로 허용응력은 499.435 MPa이다. 이에 반해 잠수함 최종강도는 재료 및 기하비선형해석을 수행하며, 하중을 점차적으로 증가시키며 비선형 구조해석을 수행한다.
잠수함 ATR구조는 Fig. 1. A에 배치되며, 상세 형상은 Fig.
데이터처리
본 연구의 수행을 위해 상용 프로그램인 MS Office EXCEL 및 ANSYS Classic을 사용하여 해석적 방법에 의한 강도 계산 및 수치 해석적 방법을 통한 구조 안전성을 검증하였다.
이론/모형
재료 비선형해석을 위한 재료 모델은 Fig. 5에서 보는 바와 같이 실험을 통해 확보한 총 6개의 stress-strain data를 이용하여 Multi-linear 재료 모델을 구성하였다. 이때, X축은 strain(*10-2), Y축은 stress(MPa)를 의미한다.
재료 비선형해석을 위한 재료의 기계적 특성 및 허용 응력은 MIL-S-16216K(1987)에 따라, Table 3과 같으며, 허용 응력의 경우 재료의 항복 강도를 적용하였다.
성능/효과
각각의 경우에 대해서 피로강도 및 최종강도를 평가하기 위해서 선형 및 비선형 유한요소해석이 수행되었으며, 그 결과에 따르면, Type 3과 4가 구조적으로 가장 적합한 형상으로 보여진다. 하지만, 경제성 측면을 고려했을 때는 오히려 구조강도 요구조건을 큰 여유없이 만족시키면서 가공비 및 재료비를 줄일 수 있는 Type 2가 가장 적합한 것으로 평가되었다.
이는 ATR 구조가 압력선체 원추부 보다 상대적으로 강성이 커서 변형이 적게 발생하게 됨과 동시에 ATR과 만나는 압력선체 원추부 구조물의 변형이 크게 발생하게 만들고 이에 따라 큰 압축 응력이 발생하게 된다. 결과적으로 Type 1에서 4로 갈수록 ATR 자체의 강성은 더 약해짐을 알 수 있으나, 모든 type의 ATR 구조는 피로강도를 만족하고 있음을 알 수 있다.
본 요소는 2차원 solid 및 4절점 요소로 축대칭 해석이 가능하여, ATR을 3차원 solid 구조로 모델링할 필요없이 2차원 평면에 모델링을 한 후 축대칭 특성을 활성화함으로써 3차원 모델과 동일한 결과를 도출할 수 있다(MacDonald, 2007). 결과적으로 본 요소의 적용은 유한요소모델의 요소 갯수를 줄여줌과 동시에 수치 해석 시간을 줄 일 수 있게 한다.
따라서, 잠수함 ATR 구조물은 구조강도 뿐만 아니라 경제성을 고려하여 ATR의 보강두께 및 길이를 확정하고, Type 2와 같은 형상으로 ATR을 설계하는 것이 4가지 검토 대상 중 가장 합리적인 것으로 판단된다.
또한, Fig. 9에서 보는 바와 같이 함미 ATR 구조 자체에 발생하는 응력 분포를 통해서 알 수 있듯이 전반적으로 본 구조물은 함의 붕괴시점까지 잘 견디고 있으며, 설계시 본 구조물이 붕괴되지 않고, 그 인접 구역에서 붕괴가 발생하게 유도함으로써 ATR이 구조적 역할을 잘 수행하도록 적절하게 설계되었음을 확인할 수 있다.
유한요소해석 결과에 따르면, 구조강도 관점에서 Type 3과 4 형상은 Type 1과 2에 비해서 더욱 안전함을 확인 할 수 있었다. 하지만, 최적설계의 관점에서 접근해보면, 요구조건을 만족시킨다면 생산성 및 경제성이 뛰어난 ATR 형상이 가장 적합한 설계라 할 수 있다.
이상으로부터 도출한 선형 및 비선형 유한요소해석 결과를 정리하면, Table 5와 같으며, 결과를 분석해 보면 모든 type의 ATR은 피로강도 및 최종강도를 만족하고 있음을 알 수 있다. 특히, Type 3과 4 형상은 피로강도 및 최종강도 측면에서는 Type 1과 2에 비해서 안정적임을 알 수 있다.
각각의 경우에 대해서 피로강도 및 최종강도를 평가하기 위해서 선형 및 비선형 유한요소해석이 수행되었으며, 그 결과에 따르면, Type 3과 4가 구조적으로 가장 적합한 형상으로 보여진다. 하지만, 경제성 측면을 고려했을 때는 오히려 구조강도 요구조건을 큰 여유없이 만족시키면서 가공비 및 재료비를 줄일 수 있는 Type 2가 가장 적합한 것으로 평가되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
잠수함 선체의 구성 중 압력선체를 구성하는 구조물은 무엇이 있는가?
압력 선체를 구성하는 구조물로는 Fig. 1에서 보는 바와같이, 잠수함 함수 쪽으로부터 함수 끝막이 격벽, 압력 선체 평형부, 함미 ATR, 압력 선체 원추부 및 함미 끝막이 격벽이 배치되며, 압력선체 내부에는 원환 늑골 및 대형 늑골이 압력선체 외판을 지지하는 보강재로 배치된다(Oh, 2010).
잠수함의 특징은?
보이지 않는 힘으로도 불리는 잠수함은 수중에서 활동하는 은밀성을 장점으로 대함전, 대잠전 및 핵심표적 타격 등의 임무를 수행하는 전략 수중 무기 체계로 심해에서 높은 수압을 견디며 작전을 수행할 수 있어야 한다. 이러한 관점에서 잠수함 압력 선체는 잠항 깊이에 상응하는 외부 수압에 저항하는 가장 중요한 체계로서 누수, 화재, 충격 및 폭발과 같은 위험으로부터 안전성을 확보함으로써 생존성을 높임과 동시에, 작전 수행 능력을 유지할 수 있게 해주는 강도를 확보하고 있어야 한다.
잠수함 압력 선체에게 요구되는 특징은 무엇인가?
보이지 않는 힘으로도 불리는 잠수함은 수중에서 활동하는 은밀성을 장점으로 대함전, 대잠전 및 핵심표적 타격 등의 임무를 수행하는 전략 수중 무기 체계로 심해에서 높은 수압을 견디며 작전을 수행할 수 있어야 한다. 이러한 관점에서 잠수함 압력 선체는 잠항 깊이에 상응하는 외부 수압에 저항하는 가장 중요한 체계로서 누수, 화재, 충격 및 폭발과 같은 위험으로부터 안전성을 확보함으로써 생존성을 높임과 동시에, 작전 수행 능력을 유지할 수 있게 해주는 강도를 확보하고 있어야 한다. 이를 위해서는 잠수함 압력 선체의 구조형상 설계가 초기에 수행되는 것이 합리적이다.
참고문헌 (7)
Chen, X., B. Gao, and X. Wang(2016). Evaluation of limit load analysis for pressure vessels-Part I: Linear and nonlinear methods, Steel and Composite Structures, pp. 1391-1415.
GL(2008), Rules for Classification and Construction III-Part2 Annex A Design of the Pressure Hull, Hamburg, Germanischer Lloyd.
HDW(2003), Structure and strength design guideline for hull structure, Basics of shell theory related to Pressure hull strength.
MacDonald, B. J.(2007) Practical Stress Analysis with Finite Elements. Ireland: Glasnevin Publishing.
MIL-S-16216K(1987), MILITARY SPECIFICATION: STEEL PLATE, ALLOY, STRUCTURAL, HIGH YIELD STRENGTH.
Oh, D. H.(2010), A study on Optimal Structural Design of Submarine Pressure hull, Thesis, Department of Naval Architecture & Ocean Engineering, Pusan National University, Korea.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.