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유탄성을 고려한 부유체의 파랑 표류력 및 부가저항에 대한 수치해석

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Authors

박동민

Advisor
김용환
Major
공과대학 조선해양공학과
Issue Date
2017-02
Publisher
서울대학교 대학원
Keywords
파랑 중 부가저항파랑 표류력랜킨패널법압력 적분법모멘텀 보존법유탄성 해석
Description
학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 조선해양공학과, 2017. 2. 김용환.
Abstract
최근 부유체 해양 구조물 및 선박이 초대형화되면서 구조물의 상대적인 강성이 저하되어 구조물의 고유진동수가 낮아졌다. 이러한 변화로 인해서 구조물의 변형이 증가하고 유탄성 (hydroelasticity) 해석의 중요성이 크게 부각되고 있다. 구조적인 관점에서 유탄성으로 발생하는 최종 강도 (ultimate strength) 및 피로 강도 (fatigue strength)에 대해서 많은 연구가 이루어지고 있으나, 유탄성의 영향이 표류력 및 부가저항 등 2차 유체력에 미치는 영향에 대해서는 거의 연구가 이루어지지 않았다.
본 연구에서는 유탄성이 표류력과 부가저항에 미치는 영향을 파악하는 것을 목표로 한다. 유탄성이 표류력과 부가저항에 미치는 영향을 파악하기 위해서 유탄성 문제를 풀어야 한다. 유탄성 문제를 풀기 위한 유체-구조 연성 해석은 서울대학교 해양유체역학연구실에서 개발된 WISH-FLEX 3DM을 이용하였다. WISH-FLEX 3DM에서 유체영역은 3차원 랜킨패널법을 이용하고 구조영역은 3차원 유한요소 모델을 이용한다. 유체영역과 구조영역은 효율적인 유탄성 해석을 위해서 저차 고유 모드만 연성하고 고차 고유 모드에 대해서는 비연성 해석을 수행한다. 유탄성 해석의 검증은 유연한 바지선의 운동 실험 결과와 본 연구의 운동응답 결과를 비교하는 방법으로 수행되었으며, 실험 결과와 비교해서 좋은 결과를 보여주었다.
강체의 표류력 및 부가저항에 관한 연구는 많은 연구들이 진행되었다. 강체의 표류력 및 부가저항의 해석에 많이 사용되는 방법은 크게 두 가지로 나눌 수 있는데 이는 압력 적분법 (pressure integration method)과 모멘텀 보존법 (momentum conservation method)이다. 그러나 탄성체의 표류력 및 부가저항에 관한 연구는 거의 진행되지 않았다. 본 연구에서는 강체에서 적용하던 압력 적분법을 탄성체에도 적용가능 하도록 확장하였다. 모멘텀 보존법은 강체 및 탄성체에 관계없이 적용 가능하기 때문에 탄성체로 확장된 압력 적분법의 결과를 검증하는 방법으로 이용하였다.
유탄성의 영향이 표류력에 미치는 영향은 사각 바지선의 해석을 통해서 살펴보았다. 우선, 강체의 표류력 검증을 위해서 상용 프로그램인 WADAM의 표류력과 본 연구의 결과를 비교하였으며 압력 적분법과 모멘텀 보존법 모두 좋은 결과를 보여 주였다. 탄성체의 표류력 검증은 압력 적분법과 모멘텀 보존법의 비교를 통해서 수행하였다. 탄성체의 표류력은 바지선의 길이와 입사파의 파장이 비슷한 영역에서 강체와 비교해서 줄어들었으며, 탄성체의 공진점 부근에서는 표류력이 증가하기도 하였다. 표류력의 증가 또는 감소는 바지선의 변형으로 인한 상대 파고의 변화와 법선 벡터의 변화가 가장 큰 영향을 주는 것으로 파악되었다.
유탄성의 영향이 부가저항에 미치는 영향은 blunt modified Wigley 선박의 해석을 통해서 살펴보았다. 강체의 부가저항 검증은 다양한 선형에 대해서 모형시험의 결과와 비교를 통해서 수행하였다. 단파장 영역에서 일부 선형은 실험 결과와 차이를 보여주었지만, 전체적인 경향은 일치하였다. 탄성체의 부가저항 검증은 표류력의 경우와 동일하게 압력 적분법과 모멘텀 보존법의 결과 비교를 통해서 수행하였다. 탄성체에서 압력 적분법을 이용한 결과와 모멘텀 보존법을 이용한 결과는 거의 일치하였다. 또한 강체의 부가저항과 비교해서 탄성체의 부가저항은 탄성체의 표류력에서 보여주었던 경향과 유사한 경향을 보여주었다. 부가저항은 선박의 길이와 입사파의 파장이 비슷한 영역에서 강체와 비교해서 줄어들었으며, 탄성체의 공진점 부근에서는 증가하는 경향을 보였다.
위에서 살펴본 사각 바지선과 blunt modified Wigley 선박은 본 연구에서 개발한 탄성체의 표류력 및 부가저항을 해석하고 검증하기 위해서 만들어진 가상의 모델이다. 가상의 모델은 유탄성의 효과를 살펴보기 위해서 구조적 강성을 조절하여 실제보다 유연하게 만들었다. 실제 선박에서 유탄성의 영향이 부가저항에 미치는 영향을 평가하기 위해서 실제 선박과 유사한 선박에 대해서 유탄성을 고려한 부가저항을 살펴보았다. 실제 선박의 고유진동수는 단파장 영역에 존재하고 운동의 크기가 크지 않았기 때문에 부가저항의 큰 변화는 보이지 않았으며, 선박의 길이와 유사한 파의 영역에서 선박 구조물의 준정적 변형으로 인한 부가저항의 감소만 나타났다. 비선형 스프링잉의 발생이 부가저항에 미치는 영향에 대해서도 살펴보았다. 2차 비선형 스프링잉이 발생하는 경우 구조물의 진동으로 인해서 부가저항의 시계열에는 큰 변화가 있었지만 평균값에는 큰 차이가 발생하지 않았다. 3차 스프링잉이 발생하는 경우에 대해서도 부가저항은 큰 차이를 보이지 않았다.
Language
Korean
URI
https://hdl.handle.net/10371/120014
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Appears in Collections:
College of Engineering/Engineering Practice School (공과대학/대학원)Dept. of Naval Architecture and Ocean Engineering (조선해양공학과)Theses (Ph.D. / Sc.D._조선해양공학과)
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