1. General

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혜상 국
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1 MSC/PTRN MSC/NSTRN *, *, ** * Hyundai Heavy Indusries Co., Ld. **Hyundai Indusrial Researc Insiue Hull Iniial Design Dep BSTRCT In case of e sips wic carry ig emperaure cargo, ermal sress is also o be considered in sreng analysis of ull srucure. In is paper, emperaure disribuion and ermal sress analysis are carried ou by using MSC/PTRN and MSC/NSTRN for cemical carrier.. 서언 고온및저온의화물을운반하는선박의경우에, 일반선박과달리화물의온도가설계시고려되어야하는중요한인자가된다. 고온화물 (Cemical, spal 등 ) 운반선의경우, 열전달해석을통하여얻어진선체각부분의온도분포및이를토대로평가된열응력해석이수행되며, 저온화물 (LPG, LNG 등 ) 운반선의경우에는열전달해석에의한선체의온도분포계산결과에따라강재의재질을선정하게된다. 선체의각구조부재는기본적메카니즘인전도 (Conducion) 에의해열전달이이루어지고, 부재표면에서의대류 (Convecion) 및복사 (Radiaion) 에의해복합적으로열전달이이루어진다. 따라서, 열해석의입력자료는일반적인구조해석의경우보다많아 Pre-Processor 의도움이더욱요구된다. 여기서는열응력해석이필요한고온화물운반선에대해, 자체개발한프로그램을통하여열전달계수및공간온도를구하고, MSC/PTRN 및 MSC/NSTRN 를이용하여열해석을수행하였다. 2. 열전달시스템 고온및저온화물운반선의구조설계를위해서는선체및각구획의내부온도및열전달계수평가가선행되어야한다. 이때, 각내부온도및열전달계수는선체의기하학적특성및화물의적재상태등의다양한기하학적 열적특성에따라의존하므로, 정량적인해를얻기위해서는무엇보다도적절한열전달상관식의도입이매우중요하다. Fig. 2. 과같이선체는일반적으로화물과여러개의구획을가진열전달시스템으로가정할수있다. 이때, 열속 (Hea flux) 의방향은화물온도및주변유체 ( 대기또는해수 ) 의온도에의존하여결정된다. 이러한열전달시스템의해를구하기위하여여기에서는 Fig. 2. 과같이등가열전달시스템을사용하여각구획의온도및열전달계수를평가할수있다. 선체구조의상하부가단열되었으며, 내부온도및 Wall 온도가시간에대해독립적이라고한다면, 차원정상상태가되고이때, 총열전달률은식 (2.) 와같이표현된다.

2 diabaic condiion Cargo Comp ( C ) Comp 2 ( C2 ) Comp 3 ( V3 ) ir (T ) T C T T 2 T 3 Wall Tc T T 2 T 3 T q q q q 2 q 3 q / C / / C2 C3 / q Fig. 2. Scemaic diagram of ea ransfer sysem posulaed as sip srucure Were, q TC - T q = (2.) Σ R 2 : Toal ea flux [ W / mm ] T C T : Cargo emperaure [ ] : ir emperaure in [ ] Σ : Toal ermal resisance ( = R : Hea ransfer coefficien a e eac componen [ W/m 2 ] C-3 C + C2 + C3 + ) [ /W/m 2 ] : Hea ransfer coefficien a e wall conaced o ir [W/m 2 ] 이때, T - 는총합온도차이며, ΣR 는모든열저항들의합이다. 그리고, 각요소에관한열전달률 C T 은에너지보존법칙을적용하면, 식 (2.2) 와 (2.3) 과같이정의된다. q = q = q 2 = q 3 = q (2.2) Were, TC - T T - T2 T2 - T3 T3 - T q = = = = (2.3) C C2 C3 q -3 2 : Hea flux e eac comparmen [ W / mm ]

3 식 (2.) (2.3 ) 에서화물로부터열전달률은각 Wall 의온도및각구획에서의열전달계수의함수로정의됨을알수있으며, 각요소에서열전달률은에너지보존법칙에의하면, 열적평형을만족한다. 이때, 각구획의열전달계수및 Wall 의온도는열전달률이열적평형상태에도달유무에따라결정된다. 여기에서는열적평형상태에의한각 Wall 및구획에서의온도를결정하기위하여 Trial and error meod 를해석 Tool 로선정하였으며, 이를 Fig. 2. 에도시한열전달시스템에적용하는경우, 계산 lgorim 은다음과같다. 3. 열전달계산 lgorim ) 선체의기하학적변수및설계조건 ( 해수및대기의온도및속도 ) 을입력한다. 2) Cargo ank 로부터주변유동장으로빠져나가는열속 ( q ) 을가정하고허용오차 (E ) 를결정한다. 3) 가정된열속 ( ) 과기하학적 열적특성인자들에따라열전달계수 ( ) 를계산을통해각 Wall 의온도 ( q n T n ) 및구획내부의온도를계산한다 Cn Inpu (Geomeric & Termal Variables) ssumpion of Hea Flux (q ) and llowable Error(E ) Calculaion Hea Transfer Coeff. ( n ) & Temperaure (T n ) a e Comparmen Solve Calculaion Hea Flux(q n ) a Comparmens Esimaion of Equilibrium of Hea Flux ((q -q n ).LE. E ) No Oupu Temperaure & Hea Transfer Coeff. (T n, T Cn, Cn ) Fig. 3. Flow car of rial and error meod

4 4. 열응력해석모델및조건 4. 화물의온도및배치 아래의 Fig. 4. 에서보는바와같이 No 5-6 Cener Cargo Tank (Por & Sarboard) 에 Heaed Cargo 가적재되고, Cofferdam 에의해분리되어있다. Harbour 에서의 Loading Condiion 에따라, Heaed Cargo 의온도는 95 이며, 인접 Tank 는 Void Space 로가정하였다. : Model Range Fig. 4. General Tank rrangemen 4.2 주요제원및환경조건 본해석에서적용된선박의제원및환경조건은다음과같다. 주요제원 Leng Beween Perpendiculars 68.0 M Leng Scanling 66.4 M Bread Moulded 30.0 M Dep Moulded 5.2 M Draug Moulded, design 0.0 M Draug Moulded, scanling 0.4 M 환경조건 Sea condiion : Harbour Wind speed : 20 m/sec Draug : 0.4 m Cargo emperaure : 95 ir around e sip : 5 Waer around e sip : 0 djacen olds : Empy condiion

4.3 유한요소모델및재료상수 Longiudinal Srucure 의구조적강도평가를위한모델은아래 Fig. 4.2 와같으며, Cargo ank 와 Cofferdam 을포함하여아래의그림처럼유한요소화하였다. 한편, 적용된재료물성치는 Table 4. 과같다. ( 종 : 2 frame spaces, 횡 : full bread) Fig. 4.2 Finie Elemen Model Table 4.

5 4.3 유한요소모델및재료상수 Longiudinal Srucure 의구조적강도평가를위한모델은아래 Fig. 4.2 와같으며, Cargo ank 와 Cofferdam 을포함하여아래의그림처럼유한요소화하였다. 한편, 적용된재료물성치는 Table 4. 과같다. ( 종 : 2 frame spaces, 횡 : full bread) Fig. 4.2 Finie Elemen Model Table 4. 재료물성치 Mild Seel Sainless Seel Densiy ( N/mm 3 ) 7.70E E-05 Termal Conduciviy ( W/mm/ ) Termal Expansion Coefficien ( - ).20E-05.85E-05 Young's Modulus ( N/mm 2 ) 206, , 경계조건 Plane BCD : Symmery in YZ Plane Plane EFGH : Rigid moion o X-direcion Fig. 4.3 Boundary Condiion

LR 선급의경우, 통상 65 (longiudinal framing sysem 경우 ) 이상의화물을운송하는선박에대하여열응력해석을요구하므로다음의해석과정에의해응력계산을수행한다. 4.6 해석결과 4.6. 온도분포해석 σ : Hull girder sress σ a : llowable sress Fig.

6 4.5 해석과정 선박의경우, 열응력은환경적요인또는열원을갖는화물로인해온도구배가발생하고, 이로인해열응력이발생하게된다. 선박에서는정수및파랑중에굽힘모멘트에의한응력이발생하기때문에, 이러한값들과열응력의합응력을허용응력과비교하여평가한다. LR 선급의경우, 통상 65 (longiudinal framing sysem 경우 ) 이상의화물을운송하는선박에대하여열응력해석을요구하므로다음의해석과정에의해응력계산을수행한다. 4.6 해석결과 4.6. 온도분포해석 σ : Hull girder sress σ a : llowable sress Fig. 4.4 Calculaion Prodedure No.5CP 와 5CS 에 65 와 95 의 Heaed Cargo 가적재된경우의온도분포해석의결과는아래의 Fig. 4.5 에나타내었다. (a) Cargo emp : 65 (a) Cargo emp : 95 Fig. 4.5 Temperaure disribuion in 65 and 95

7 4.6.2 열응력해석 화물의온도가 65 와 95 인경우의온도분포해석의결과를온도하중의조건으로부여한 Upper deck 와 Boom 에서의열응력해석의결과는아래의 Fig. 4.6 에나타내었고, 두해석결과의종방향열응력차 (Δ σ ) 는 Fig. 4.7 에나타내었다. (a) Cargo emp. : 65 (b) Cargo emp. : 95 Fig. 4.6 Longiudinal ermal sress disribuion on upper deck and boom plaing (uni: N/mm 2 ) (a) Upper deck and boom plaing (b) Inn. boom plaing and face of deck longls. Fig. 4.7 Longiudinal ermal sress due o e difference of e wo emperaure (uni: N/mm 2 )

8 4.7 Toal sress 의계산및평가 Table 4.2 에서보는것처럼 Deck 와 Boom level 에서의 Hull girder sress( σ ) 와열응력차 (Δ σ ) 의합에의 해구조부재의 Toal sress( σ o ) 가계산되었다. 이 Toal sress 는 Upper deck 와 Boom plaing 에대해, 설 계허용응력인 80 N/mm 2 (Mild seel 경우 ) 과비교하여볼때, 충분한구조상의강도를갖는것으로판단된다. Table 4.2 Toal sress 계산결과 Wave Upp. Dk Pl. Upp. Dk. Longl. Inn. Bm. Pl. Bm. Pl. Design Sill Sagging 490, , , ,330 Waer B.M.(kN-m) Hogging 882, , , ,594 S.M.(m 3 ) Wave B.M. Sagging 629,9 629,9 629,9 629,9 (kn-m) Hogging 578,9 578,9 578,9 578,9 Hull Girder Sress Compression (N/mm 2 ) Tension Termal Sress Compression (N/mm 2 ) Tension Toal Sress Compression (N/mm 2 ) Tension 결론 고온및저온화물운반선의경우에대하여, 구조부재및선체구획의온도를추정할수있는자체프로그램을개발하였다. 그리고이결과를토대로, 고온화물운반선에대하여 MSC/PTRN 및 MSC/NSTRN 을이용하여구조부재의보다상세한온도분포나열응력해석을수행하는방법을소개하였다. 구조부재및선체구획의온도추정은열전달체계에관하여지금까지알려진내용을바탕으로자체개 발되었으며, 선급등타기관의계산결과와비교해볼때대체로유사한결과를보여준다고평가된다. 6. 참고문헌. Lloyd s Regiser 2002, 2020, 20204, User s manual, MSC/Nasran Termal, User s manual, 998.

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<BCB3B0E8B0CBBBE72031C0E5202D204D4F4E4F C2E687770> I-BEAM 강도계산서 1. 사양 & 계산기준 * 정격하중 (Q1) = 5000.00 KG * HOIST 자중 (W1)= 516.00 KG * 작업계수 (Φ) = 1.1 * 충격계수 (ψ) = 1.10 * HOOK BLOCK WEIGHT (W2) = 20 KG * HOISTING SPEED (V) = 3.25/1 M/MIN * TRAVERSING SPEED