[논문]선박 블럭 탑재용 러그 구조 최적화 연구

민덕기; 엄성민

[국내논문] 선박 블럭 탑재용 러그 구조 최적화 연구
A Study on the Optimization of Lifting Lug for Block Erection 원문보기

대한조선학회 2011년도 특별논문집, 2011 Sept. 30, 2011년, pp.82 - 89

민덕기 (현대미포조선) , 엄성민 (현대미포조선)

Abstract ▼ AI-Helper

In general, a number of lifting lugs have been used in shipbuilding industry and the D-type lugs are mainly used. The aim of this paper is to increase the cycle of the use and to reduce the size of lifting lugs to introduce lightweight shackle. In this study, nonlinear elasto-plastic analysis has been performed to confirm the ultimate strength of lifting lugs. In order to evaluate the proper design-load distribution around lug eye, the contact force between lifting lug and shackle pin has been realized by gab element model. Gap element modeling and nonlinear analysis are carried out using the finite element program MSC/PATRAN & ABQUS. Additionally the ultimate strength tests were performed to verify the structural adequacy of newly designed lifting lug and to insure safety of it. The D-10, 15, 20 & 40 ton models which are mainly used in the block erection are selected in the strength test. According to the results of the analysis and strength test, the ultimate strength of the newly designed lifting lugs has been estimated to exceed 3 times of design working load.

AI 본문요약
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문제 정의

구형 D 러그의 경우 재생 빈도가 낮은 반면 중량이 무거워 작업자의 운반 설치가 힘들며, 새로 적용되는 경량화된 신형 샤클과의 간섭현상으로 인해 적용이 불가능 하였다. 따라서, 러그의 재생 빈도를 높여 생산성을 향상시키고 신형 샤클의 적용 및 작업자의 근골격계 문제의 예방을 위하여 신형 D형 러그를 개발하였다.

가설 설정

가장 큰 하중이 작용하는 45° 면내, 15° 면외를 하중방향으로 선택하였으며 하중의 작용은 샤클 핀에 MPC요소를 이용하여 강체 요소를 연결한 후 샤클 끝단 중심부에서 하중을 강제변위로 작용하도록 구현하였다. 경계조건의 경우 극한상태를 가정하여 단순히 러그 하부의 모든 절점의 자유도를 완전히 구속하여 강체와 같이 매우 큰 강성의 물체에 매달린 상태로 가정하였다. 절단 후의 재사용 상태에 대해서도 구조 검토가 필요하므로 D-20 & 50 형의 2가지 형태에 국한하여 해석을 실시하였다.

제안 방법

D-10~80톤 총 8개의 형태에 대해 수치해석을 수행하였으며, 본 논문에서는 가장 빈번히 사용 되는 D-10, 20 & 50 톤 해석 결과를 요약하였다.
가장 큰 하중이 작용하는 45° 면내, 15° 면외를 하중방향으로 선택하였으며 하중의 작용은 샤클 핀에 MPC요소를 이용하여 강체 요소를 연결한 후 샤클 끝단 중심부에서 하중을 강제변위로 작용하도록 구현하였다.
실험순서는 먼저 사용 용량 하 에서의 응력을 계측하기 위해 약 2~5톤 단위로 사용 용량까지 하중을 증감하며 정적 시험을 수행하였다. 그 다음으로 안전율을 검토하기 위해 각 러그의 정상 사용하중에서 3회 반복시험 후에 하중을 배수로 단계적으로 증가시키며 마지막으로 러그가 파단 시 까지 또는 정적 유압 하중기의 최대 사용가능 인장하중인 약 64톤 까지 정적 인장하중을 가하였다. 각각의 하중단계에서 30분 동안 그 하중상태를 유지한 후 다음 단계로 진행하였다.
본 연구에서는 위의 사항을 고려하여 3-D solid element modeling을 실시하였으며, 기하학적, 재료적인 비선형 항을 포함한 비선형 탄소성 해석 기법(nonlinear elasto-plastic analysis)을 이용한 최종강도(ultimate strength) 해석을 통해 신형 D형 러그를 설계하였으며 설계된 러그의 구조 안전성을 검토하기 위해 사용 횟수가 많은 D-10, 15, 20 & 40 톤 러그에 대해 구조시험을 병행하였다.
선박블록 탑재용 러그에서 사용률이 높은 D-type lug를 경량화된 구조로 재 설계하기 위해 비선형탄소성 해석을 수행하였고 안전성 검토를 위해 구조실험을 실시하였다.
실험순서는 먼저 사용 용량 하 에서의 응력을 계측하기 위해 약 2~5톤 단위로 사용 용량까지 하중을 증감하며 정적 시험을 수행하였다. 그 다음으로 안전율을 검토하기 위해 각 러그의 정상 사용하중에서 3회 반복시험 후에 하중을 배수로 단계적으로 증가시키며 마지막으로 러그가 파단 시 까지 또는 정적 유압 하중기의 최대 사용가능 인장하중인 약 64톤 까지 정적 인장하중을 가하였다.
경량화된 샤클을 기존 러그에 사용할 경우 간섭현상이 발생된다. 이러한 간섭현상을 피하기 위해 전체적인 크기는 감소 시키고 위의 사항을 고려하여 러그 본체 및 덧판 두께를 증가시켜 강도를 유지하도록 설계하였다.
절단 후의 재사용 상태에 대해서도 구조 검토가 필요하므로 D-20 & 50 형의 2가지 형태에 국한하여 해석을 실시하였다.

대상 데이터

유한요소 모델링은 탑재 시 발생하는 측면 접촉현상을 효과적으로 고려하기 위하여 샤클 핀과 러그의 덧판을 모델링에 포함하였다. 모델의 요소는 3-D solid element를 사용하였다.
실험대상은 가장 많이 사용되는 D형 10톤, 15톤, 20톤, 40톤 용량의 러그로 하였으며 실험 모델 및 변위계 & 스트레인 게이지 위치는 아래와 같다.

데이터처리

변위 증분법을 이용 해석을 실시하였으며 하중의 작용점인 샤클 핀 끝단의 변위 하중 곡선를 이용하여 최종강도를 구했으며 아래의 Fig. 3~4에서 D-20 & 50 결과를 보여주고 있다.

성능/효과

1) 러그 신규품과 최종 재생품과의 홀 변형 비교에서 상호간의 차이는 대략 1.0mm 정도 이내로 큰 차이가 없었다. 샤클핀과 접촉하는 러그 홀 부위의 변형은 면외 경사각 15도 에서는 안전율 3.
2) 횡 변형량은 실험러그의 정상 사용용량 하에서는 3회 반복 실험 후에도 1.0mm를 크게 초과하지 않았고 잔류변형은 무시할 수 있을 정도로 작았다. 횡변형은 재생품에서 러그 높이가 낮아지므로 전체적으로 약간 작은 값이 나왔다.
3) 실험에 사용한 하중기의 최대하중(64톤)을 유지하여도 크리이프(Creep) 현상은 나타나지 않았고 러그는 최종강도 상태에 도달하지 않았다. 실험 후 육안검사를 실시하였으나 심각한 손상이 발견되지 않았고 러그 본체와 측면 브라켓 사이의 용접부에서도 균열이 관측되지 않았다.
4) 정상 사용 용량 하에서는 최대 주응력은 항복응력 이하였고 하중과의 관계가 거의 선형임을 알 수 있었다. 재생을 위하여 러그 본체를 절단한 재생 사용품의 경우가 신규품에 비해 응력이 감소하였다.
5) 면외 경사각 35도가 15도에 비해 홀 변형이 크게 증가하였고 기준치(초기직경의 3%)를 많이 초과하였다.
6) 횡 변형도 15도에 비해 급격히 변형이 증가하였으며 횡하중 성분으로 인하여 최종강도는 크게 떨어질 것으로 예상된다. 20톤 러그는 40톤(사용 용량의 2배)에서 그리고 10톤 러그는 40톤(사용 용량의 4배)에서 러그 본체와 측면 브라켓 상부 사이의 용접부에서 크랙이 관측되었다.
3) 실험에 사용한 하중기의 최대하중(64톤)을 유지하여도 크리이프(Creep) 현상은 나타나지 않았고 러그는 최종강도 상태에 도달하지 않았다. 실험 후 육안검사를 실시하였으나 심각한 손상이 발견되지 않았고 러그 본체와 측면 브라켓 사이의 용접부에서도 균열이 관측되지 않았다.
전체적으로, 실험 러그에 대해서는 러그 홀 변형, 횡방향 변형, 용접부 상태 등을 종합적으로 검토한 결과, 90도 면내 경사각 및 15도 면외 경사각을 기준으로 10톤, 15톤, 20톤 러그는 3.0 이상의 안전율 그리고 40톤 러그는 1.5 이상의 안전율을 갖고 있는 것으로 나타났다. 그리고 실제 현장에서 사용 시 면외 경사각은 15도 이내로 제한해야 할 것으로 판단된다.
0 이상을 기준으로 하였고, 이의 기준을 만족하는 형태로 설계를 완료하였다. 해석 결과와 실험결과를 비교하면 1.5배(D-10) 이상의 차가 나는 것으로 나타났는데 이는 해석 시 연강에 대한 변형도 경화 모델(strain hardening model)을 Perfect Plasticity, 항복응력＝235 N/mm²로 보수적으로 책정하였다는 점과 실제 실험 상태에서 발생하는 접촉 현상을 해석시 동일하게 구현 하지 못 한 점이 그 원인으로 파악된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	선박건조에 사용하는 탑재용 러그중 사용빈도가 가장 높은것은?	선박건조에 사용하는 탑재용 러그(lifting lug) 중 D형이 사용빈도가 가장 높으며 건조 공정에 따라 10톤 ~ 60톤 러그를 주로 사용하고 있다. 구형 D 러그의 경우 재생 빈도가 낮은 반면 중량이 무거워 작업자의 운반 설치가 힘들며, 새로 적용되는 경량화된 신형 샤클과의 간섭현상으로 인해 적용이 불가능 하였다.
	면내 경사각 90° 및 면외 경사각 15° 하중실험 결과는?	1) 러그 신규품과 최종 재생품과의 홀 변형 비교에서 상호간의 차이는 대략 1.0mm 정도 이내로 큰 차이가 없었다. 샤클핀과 접촉하는 러그 홀 부위의 변형은 면외 경사각 15도 에서는 안전율 3.0까지 모두 초기 직경 대비 3% 이내에 들었다. 2) 횡 변형량은 실험러그의 정상 사용용량 하에서는 3회 반복 실험 후에도 1.0mm를 크게 초과하지 않았고 잔류변형은 무시할 수 있을 정도로 작았다. 횡변형은 재생품에서 러그 높이가 낮아지므로 전체적으로 약간 작은 값이 나왔다. 안전율 3.0에서 잔류 변형값은 약 2.6mm 이하였다. 3) 실험에 사용한 하중기의 최대하중(64톤)을 유지하여도 크리이프(Creep) 현상은 나타나지 않았고 러그는 최종강도 상태에 도달하지 않았다. 실험 후 육안검사를 실시하였으나 심각한 손상이 발견되지 않았고 러그 본체와 측면 브라켓 사이의 용접부에서도 균열이 관측되지 않았다. 4) 정상 사용 용량 하에서는 최대 주응력은 항복응력 이하였고 하중과의 관계가 거의 선형임을 알 수 있었다. 재생을 위하여 러그 본체를 절단한 재생 사용품의 경우가 신규품에 비해 응력이 감소하였다.
	구형 D 러그의 단점은?	선박건조에 사용하는 탑재용 러그(lifting lug) 중 D형이 사용빈도가 가장 높으며 건조 공정에 따라 10톤 ~ 60톤 러그를 주로 사용하고 있다. 구형 D 러그의 경우 재생 빈도가 낮은 반면 중량이 무거워 작업자의 운반 설치가 힘들며, 새로 적용되는 경량화된 신형 샤클과의 간섭현상으로 인해 적용이 불가능 하였다. 따라서, 러그의 재생 빈도를 높여 생산성을 향상시키고 신형 샤클의 적용 및 작업자의 근골격계 문제의 예방을 위하여 신형 D형 러그를 개발하였다.

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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