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유탄성을 고려한 선체 구조물의 파랑 중 피로 및 극한 하중의 수치해석 : Study on Computational Analysis of Wave-Induced Fatigue and Extreme Loads on Hydroelastic Ship Structures

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Authors

김정현

Advisor
김용환
Major
공과대학 산업·조선공학부
Issue Date
2016-08
Publisher
서울대학교 대학원
Keywords
선체 유탄성스프링잉슬래밍휘핑피로 하중극한 하중프러시저
Description
학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 산업·조선공학부, 2016. 8. 김용환.
Abstract
2000년 후반부터 급격히 진행된 상선의 초대형화로 인해 선체 유탄성 현상에 대한 고려는 피로파괴의 예측을 위해 대단히 중요한 공학적 문제로 등장하였다. 선박의 대형화는 해양파의 에너지가 무시되지 못하는 주파수에서 선체의 구조진동을 야기시킬 가능성을 높이게 되었고, 선체의 구조적 안전성과 최적화된 구조설계를 위해 스프링잉과 슬래밍-휘핑 같은 선체의 구조-유체 연성문제의 중요성이 크게 부각되고 있다.
본 연구에서는 초대형 선박의 설계를 위한 효과적이고 정확도가 높은 비선형 유탄성 해석기법을 개발하고자 하였다. 이를 위하여 기존에 개발된 선박운동해석 프로그램인 WISH를 다수의 구조해석 기법들과 연성하는 기법을 개발하였다. 우선 기존에 개발된 보 구조 기반의 연성 해석법을 보완하기 위하여 선체 단면의 2차원 해석 프로그램을 개발하고 이를 실제 선박에 효과적으로 적용하였다. 그러나 보 구조 기반의 응답은 응력 해석과 같은 국부적인 구조 해석에 한계가 있기 때문에, 더욱 정확한 유탄성 해석을 위해 3차원 유한요소 모델을 이용하는 유체-구조 연성 해석법을 개발하였다. 특히 3차원 유한요소 모델의 자유도를 줄이기 위하여 모드중첩법을 사용하였고, 저차 모드에 대해서 동적 연성 해석을 수행하여 스프링잉 및 휘핑을 계산하였다. 고차 모드의 응답은 유탄성 응답 해석에는 필요가 없지만 구조 응답 해석에는 필요하기 때문에 이를 효율적으로 계산하기 위하여 고차 모드에 한하여 비연성 준정적 해석을 수행하였다.
개발된 유탄성 수치 해석법의 검증을 위하여 모형선의 실험 결과와 세밀한 비교를 수행하였다. 수치 해석과 실험을 통해 얻은 규칙파중에서의 비선형 스프링잉 및 휘핑 응답은 신뢰할 수준의 유사한 결과를 보였주었으며, 불규칙파중에서의 응답도 유사한 결과를 얻을 수 있었다. 다양한 실험 결과의 분석과 비교를 통해 규칙파중에서 발생하는 유탄성 응답에 대해 자세한 분석을 수행하였으며, 유탄성 수치 해석법을 실선에 적용할 경우에 발생하는 구조 모델링의 문제에 대해서 알아보고 그 해결법을 제안하였다.
위와 같이 검증된 유탄성 수치 해석법을 실제 선박 설계에 적용하기 위하여 기존의 해석 프러시저를 검토하고 수치 해석의 효율성을 높이기 위한 선체 유탄성 해석 프러시저를 제안하였다. 이 프러시저를 장기 해상 상태에서의 피로 및 극한 하중 해석에 적용하였다.
초대형 컨테이너선의 장기 피로 및 극한 하중 해석을 실제로 수행하여 비선형 유탄성 응답이 고려된 구조 하중을 계산하였다. 스펙트럴 피로 해석법, 직접 피로 해석법, 부분적 직접 피로 해석법을 적용하고 결과를 서로 비교하였다. 그리고 비교를 바탕으로 각 방법의 효용성에 대해서 논의하였다. 장기 극한 하중 해석을 위한 방법으로 설계파법을 도입한 후 포괄적인 형태로 수정하고 그 결과를 검증하였다.
본 연구에서는 내항성능 해석부터 시작하여 구조 해석에 이르기까지의 모든 과정을 다루어 비선형 유탄성 응답이 실제 선박 설계에 적용될 수 있는 발판을 마련하고자 하였다. 또한 수치 해석의 효율성을 높이기 위한 프러시저를 제안하여 사용자에 따라 소요 시간이 달라지는 것을 최소화하고자 하였다.
Language
Korean
URI
https://hdl.handle.net/10371/118288
Files in This Item:
Appears in Collections:
College of Engineering/Engineering Practice School (공과대학/대학원)Dept. of Industrial Engineering (산업공학과)Theses (Ph.D. / Sc.D._산업공학과)
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