보고서 정보
주관연구기관 |
인하대학교 InHa University |
연구책임자 |
이재욱
|
참여연구자 |
홍창호
,
김기성
|
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
|
발행년월 | 1990-09 |
주관부처 |
과학기술부 |
사업 관리 기관 |
인하대학교 InHa University |
등록번호 |
TRKO200200013006 |
DB 구축일자 |
2013-04-18
|
키워드 |
복합재료.잠수정.최적설계.좌굴강도.유한요소법.Composite material.Submersible.Optimization.Buckling.FEM.
|
초록
▼
현재 선진제국은 최신기술의 활용으로 대륙붕 개발은 물론 심해의 해양개발에 박차를 가하고 있으며, 부존자원의 개발이 시급히 요청되는 우리로서는 해양자원의 관측등 다양한 기능을 갖는 잠수정의 개발이 요청되고 있다.
본 연구에서는 국내에서는 국내 제작이 가능한 복합재료를 이용한 잠수정 구조로서 요구되는 여러가지 역학적 특성과 잠수정의 최적구조 설계를 위한 기초연구를 수행하였다.
따라서 본 과제에서는 우리나라의 대륙붕에서 해양개발에 이용될 수 있는 잠수정을 복합재료 구조로 설계함에 있어, 첫째 최적인 구조형상
현재 선진제국은 최신기술의 활용으로 대륙붕 개발은 물론 심해의 해양개발에 박차를 가하고 있으며, 부존자원의 개발이 시급히 요청되는 우리로서는 해양자원의 관측등 다양한 기능을 갖는 잠수정의 개발이 요청되고 있다.
본 연구에서는 국내에서는 국내 제작이 가능한 복합재료를 이용한 잠수정 구조로서 요구되는 여러가지 역학적 특성과 잠수정의 최적구조 설계를 위한 기초연구를 수행하였다.
따라서 본 과제에서는 우리나라의 대륙붕에서 해양개발에 이용될 수 있는 잠수정을 복합재료 구조로 설계함에 있어, 첫째 최적인 구조형상과 유리섬유의 방향배치와 적층판 두께 구성의 최적구조에 대한 연구, 둘째 잠수정 구조의 좌굴강도 및 입체강도 해석을 위한 유한 요소 개발에 관한 연구, 셋째 최적 적충판 및 구각의 최적구조 결정을 위한 최적화 기법개발에 관한 연구를 수행하였으며 그 결과는 다음과 같다.
(1) 내압선체의 개념설계
해양탐사를 위한 잠수정 구조설계의 기준은 작업지역, 설계수심, 사용하중 및 승조원수, 잠수시간 및 행동반경, 내항성 조건, 최대하중 등이다. 따라서 본 연구에서는 대륙붕 해저탐사를 위한 잠수정 구조형상을 비교하였으며 복합재료의 특성에 대해서 비교 검토 하였다.
(2) 복합적층판 및 구각의 최적구조
잠수정 구조에서 사용되는 복합적층판은 적층구조가 두껍고 매 층마다 섬유의 방향변화와 두께방향의 재료상수가 다르고, 각 단층들 사이에서의 역학적 특성이 다르므로 층간응력이 발생한다. 따라서 복합재료의 기계적, 기하학적 특성치를 고려한 적층판 및 구각의 최적 구조 설계를 위한 해석 이론의 확립과 실험연구는 복합재료를 이용한 새로운 구조물의 설계에 있어 필수적이다.
제 1 세부 과제에서는 상기의 목적달성을 위해서 복합재료 잠수정의 기본구조인 적층판 및 구각적층의 최적구조를 이론적 해석 방법을 제시하고자 다음과 같은 연구를 수행하였다.
(a) 복합적층판의 굽힘 및 층간응력 해석
(b) 최적 적층구조를 위한 보강판의 좌굴강도 해석
(c) 구각의 좌굴해석과 형상의 최적화
(d) 원통구각의 비선형 해석
(e) 체결부의 강도해석 및 파손예측
(3) 잠수정의 좌굴강도 및 입체해석
심해에서 작업중인 잠수정은 막대한 수압하에 놓이게 되므로 좌굴에 의한 변형의 고려가 필수적인 설계인자가 되고 있다. 따라서 복합적층판을 구조재료로 하는 잠수정의 설계에는 복합적층판 및 구각구조의 좌굴거동에 대한 적합한 이해가 매우 중요하다. 또한 잠수정에 사용되는 복합적층판은 두께가 두껍게 된다는 점에서 특별한 고려가 필요하다.
임의의 복합적층판으로 된 구각구조의 해석에는 유한요소법에 의한 수치해석이 유력한 방법이며 이 경우 사용되는 요소의 선택이 매우 중요하다. 복합적층판의 요소로는 Constant Shear-angle Theory (CST)에 의한 것이 많이 쓰이고 있으나 두께가 두꺼워질 경우 단면의 Warpimg 을 묘사할 수 없으며 따라서 이 요소를 사용하는 좌굴해석은 좌굴하중이 크게 되는 결과가 된다.
본 연구에서는 유한요소법에 의거, 적합한 복합적층판의 판 및 구각요소를 개발하고 이를 이용하여 구각구조의 좌굴강도 추정 및 입체해석을 수행하였으며 그 내용은 다음과 같이 구성되어 있다.
첫째로 두께방향의 전단변형을 고려하기 위하여 Layer-wise Constant Shear-angle Theory (LCST)에 의거하여 판요소와 구각요소의 개발이 수행되었다. 개발된 판 요소의 검증결과는 두께방향의 변형 및 전단응력이 탄성해에 매우 가깝게 됨을 보여주고 있다. 구각요소는 곡선좌표를 이용, 곡면요소를 평판요소로 전환하고 이 평판요소에 LCST를 적용하고 있다.
둘째로 앞에서 개발된 구각요소를 사용하여 좌굴요소를 사용하여 좌굴해석을 위한 프로그램이 개발되었다. 잠수정의 경우 좌굴하중은 비선형 계산을 필요로 하나 이의 전 단계로써 축 하중만 있는 경우의구각요소의 타당성의 입증 및 좌굴 실험의 기법의 도출을 위한 판 및 원주에 대한 좌굴 실험이 수행되었다. 판의 경우 상자형의 모델을 사용하면 편심의 가능성을 최소화 할 구 있음이 입증되었다.
(4) 잠수정 구조의 최적화 기법 개발
잠수정 구조설계에 적용할 최적화 기법을 우선 제한조건식이 없는 경우와 제한조건식이 있는 경우로 분류하여, 각 기법에 대한 방법을 비교한 후 전산 프로그램을 작성하였다. 그리고 각 기법에 대한 성능을 정확성, 일반성, 효율성으로 구분하여 비교하였다.
성능비교에 사용된 문제는 비제한 문제에서는 타 문헌에서 흔히 사용되는 각종 수학 모델을 이용하고, 제한조건식 문제에서도 각종 수학 모델과 구조설계 문제에도 적용하였다.
그리고 상기 기법들의 성능비교 겉과 우수하다고 판단된 기법을 복합재료의 구조의 최적설계에 적용하여 실용성을 확인하였다. 복합재료 구조설계 문제로는 먼저 압축하중을 받는 실린더의 설계와 또 횡하중을 받는 sandwich beam의 설계이다.
Abstract
▼
Recently, the world leading countries are adding their efforts in investigating continental shelves as well as in exploiting ocean resourses, with their mostly advanced technology. For our country whose necessity requires urgent develop ent of our valuable ocean resources need sub ersibles which h
Recently, the world leading countries are adding their efforts in investigating continental shelves as well as in exploiting ocean resourses, with their mostly advanced technology. For our country whose necessity requires urgent develop ent of our valuable ocean resources need sub ersibles which have various capabilities to invetigate ocean resources. In this research, basic studies are carried out to set up guide lines for optical structural design of sumersibles made of composite materials produced in our country.
In this project, the main emphasis is paced on designing an underwater craft of composite materials which have operational capability in our continental shelves. Accordingly, the research is carried out to meet above requirement as follows: (a) the study of optimum structure of composite laminated plate and shell, (b) the study of buckling and 3-D strength analysis of submersible structures, and (c) the study of development of optimum design methods of submersible structures.
(1) The Conceptual Structural Design of Pressure Hulls
The structural design criteria of submersibles for ocean exploitation are working area, design diving depth, payload, the number of crew, diving duration and working radius, seekeeping capabllity etc. Therefore, the study is carried out to select the proper type of submersibles in our continental shelves.
(2) Optimum Structure of Composite Laminated Plate and Shell.
The composite laminated plate used in submersibles tends to be very thick and, therefore, the orientation of fiber in every layer varies. This results in different material properties in every direction.
Therefore, the following studies are carried out to find out the optimum composite laminated plates and shells under lateral and axial loading conditions.
(a) The analysis of bending behaviour and interlaminar stresses in a composite plate.
(b) Buckling strength analysis of stiffened composite plate.
(c) A study on the buckling strength analysis of general spheres.
(d) Nonlinear strength analysis of laminated composite cylindrical shells for the optimum laminated structure.
(e) The study on the bolted joint in laminated composite plate.
(3) Buckling and 3-D Strength Analysis of Subersible Structes
The conslderatlon of the defor atlon of a submerslble due to buckling is an indispenslble factor in design stage, since a craft in deep sea is subject to very high water pressure. This requires the approprlate understanding about the buckling behaviour as well as the consideration of the effect of thickness on the structural responses.
For the analysls of shell structures made of composite lamlnates, FEM is known as a powerful tool which results depends much on the type of element types Elements developed by the use of constant shear-angle theory(CST) are widely used for the analysis of composite laminates, but its disadvantage is that it is very difficult to simulate the the effect of thickness properly.
In this project, therefore, an appropriate FEM element for thick laminate plate and shell is developed for buckling and stress analyses to account for the thickness effect.
The buckling experiments are, also, carried out to verify the present theory with box type models.
(4) Development of Optimum Design Methods of Submersible's Structures
The optimization methods for submersible structures are divided into two types, i.e., unconstrained and constrained problems. Then, their optimization techniques and computer programs are developed.
The efficiency, accuracy and generality of methods are compared each other with various mathematical and structural design problems.
Lastly, the most efficient and reliable optimization techniques are applied in design problems of composite cylindrical shell as well as sandwich beam.
목차 Contents
- 제 1 장. 서론...17
- 제 2 장. 연구방법...19
- 제 3 장. 결과...37
- 제 4 장. 고찰...76
- 제 5 장. 결론...77
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.