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혜영 구
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1 2010 년도한국해양과학기술협의회공동학술대회 6 월 3 일 ( 목 )~4 일 ( 금 ) 제주국제컨벤션센터 25 인승자유낙하식구명정의프레임구조변경에따른구조특성 예석희, 안상현, 이봉민, 정우인, 배동명부경대학교조선해양시스템공학과 The Structural Response of Small Free-Fall Lifeboat with Altered Fame Structure on Impact with Water Seok-Hee Ye, Sang-Hyun Ahn, Bong-Min Lee, Woo-In Jeong, Dong-Myung Bae Deparment of Naval Architecture & Marine Systems Engineering, Pukyong National University, Korea Abstract The free-fall lifeboat has main function as safety equipment for the ship that may be in a hazard conditions. and the free-fall lifeboat is installed on the poop deck of a ship. it is dropped directly into the sea, allowing for the kind of rapid deployment and quick escape that are essential in an emergency. This type of lifeboat is installed on various kinds of ships. Recently, the drop height of free-fall lifeboats has increased with the growth in ship sizes, and with the current corresponding growth in ship crews to more than 45people, managing the impact on the lifeboat as it is dropped into the sea from a greater height and the safety of the crew on board has become a more technical and costly challenge. The purpose of this research is to predict the stresses and strain induced in the free-fall lifeboat with altered frame structure on impact with water. and lifeboats of different frame types compare to each other. Keywords: Free-Fall Lifeboat, Impact Analysis 1. 서론구명정은선박의비상탈출을위한장비로써 85m 이상의선박에대하여모든승무원을수용할수있는수량의구명정을설치하도록법적으로강제되어있으며 MSC 79차회의에서 2007년 5월이후부터제조되는 Bulk Carrier 선박에대해서는비상탈출시간의단축과 Deck House의공간을많이활용할수있는자유낙하식구명정의설치가의무화되었다. 이에따라더욱그수요가증가할전망이다. 이에반하여우리나라의구명정 생산기술은외국기술도입에의존하고있는실정이며독자적인기술확보및개발이거의이루어지지않았다. 현재주로사용중인구명정은크게전폐형구명정 (totally enclosed lifeboat) 와자유낙하식구명정 (free-fall lifeboat) 로나뉜다. 이중자유낙하식은본선에서수면으로바로낙하하는방식이기때문에하강속도가매우빠르며탈출하는절차가간단하다는장점과높이에제한을받는다는단점을가지고있다. MSC 강제규약과그효율성에따라점차그사

용추세가증가되고있는자유낙하식구명정 Friction Angle(deg) 0.06 (free-fall lifeboat) 은앞으로점차대형화될것이 Radius of gyration(m) 1.

따라서본연구에서는개발되어진 25인승소형자유낙하식구명정에대하여 3가지 case로구조보강을실시하고수면충돌시선체구조에발생되는응력과변형을비교하고구조안정성측면에서구조보강의효용성을확인하고자하였다.

50 m Weight(kg) 4,671 kg Launching height(m) 23 m Skid angle(deg) 35 Sliding Dist. From C.G.

2 용추세가증가되고있는자유낙하식구명정 Friction Angle(deg) 0.06 (free-fall lifeboat) 은앞으로점차대형화될것이 Radius of gyration(m) 고고공낙하라이프보트의수요가증가할것이다. Free-fall lifeboat의고공낙하와대형화의필요에의해서구명정의구조강도안정성을확보하기위한국내기술개발이요구된다. 따라서본연구에서는개발되어진 25인승소형자유낙하식구명정에대하여 3가지 case로구조보강을실시하고수면충돌시선체구조에발생되는응력과변형을비교하고구조안정성측면에서구조보강의효용성을확인하고자하였다. 2. 구명정의제원및구조 본연구의대상이된 25인승자유낙하식구명정 (free-fall lifeboat) 의제원및형태는다음과같다. 3. 수치모델 3.1 충격하중입수충격에대한이론적인연구는 Karman에 Fig. 1 The drawing of the free-fall lifeboat for 의하여쇄기형의 2차원물체에관하여수행되었 25 persons 으며이것은운동량보존의법칙과부가질량의개념을결합한것이다. 즉, 물체의입수전의운 Table 1 Principle Dimension Item Value Persons 25 persons Length(m) 5.50 m Weight(kg) 4,671 kg Launching height(m) 23 m Skid angle(deg) 35 Sliding Dist. From C.G. 3,949 m Guide rail length aft from C.G m Height of C.G. from guide rail 0.07 m Friction Coefficient 0.0 Fig. 2 Structural component of the free-fall lifeboat for 25 persons 동량 ( ) 는입수후에는물체의운동량 () 와 유체에주어진운동량 ( : 은부가질량 ) 의합 이된다. 여기서, 부가질량의크기는정수면과부 딪치는폭을가지는평판이유체중을움질일때 의절반에해당한다. 단위길이당의쇄기에대한부가질량, 입수폭 및입수전의운동량은다음과같다. (1) (2) (3) (4)

3 입수후의속도는 (5) 또한, 충격하중 F는다음과같다. (6) : 법선방향모멘트 : 항력모멘트 : 부력모멘트위의식의전역좌표계 (global coordimate system) 에서구한구명정의무게중심의가속도를탑승자의좌석 (seat foundation) 에서의가속도로변환하는식은다음식과같다. (7) (11) 여기서, 는국부좌표계 (local Fig. 3 Wedge model of Karmann 3.2 운동방정식 구명정이수면에입사하는동안구명정의무게 중심의가속도는다음과같이나타낼수있다. (8) coordinate system) 상의탑승자의좌석 (seat foundation) 의가속도이다. Fig. 4 Coordinate systems and seat angle (9) 3.3 Combined Acceleration Response (CAR) (10) 여기서, : 구명정의질량 : 피칭시회전관성모멘트 : 법선방향모멘트의힘 : 축방향모멘트의힘 : 법선방향의항력 : 부력 입수시탑승자가느끼는가속도를구하기위하여위의식에서구한각방향의가속도를합성하여식 (12) 와같이나타낸다. (12) 여기서, 는 IMO에서정의된허용

가속도값으로 Table 2 와같다. 받았으며그때의가속도및최대충격하중은 Fig. 6과 Table 3에나타난바와같다. Table 2 Allowable acceleration for the SRSS acceleration criteria Acceleration direction Allowable acceleration 15G 7G 7G Fig.

3 응답해석 에서수행한동일구명정의충돌시뮬 6.6 레이션에대한응답값을사용하였다. Fig. 5는 FSI(Fluid Structure Interaction) 시뮬레이션모델 을보여주는그림으로구명정, 진수장치, 유체영 역 (fresh water and initial void region) 등으로 5. FEM 해석 구성되어 있다.

4 가속도값으로 Table 2 와같다. 받았으며그때의가속도및최대충격하중은 Fig. 6과 Table 3에나타난바와같다. Table 2 Allowable acceleration for the SRSS acceleration criteria Acceleration direction Allowable acceleration 15G 7G 7G Fig. 6 Acceleration history during wet drop 4. 충돌시뮬레이션 Table 3 Maximum fluid impact force during wet drop 본연구에서는최대충격하중을구하기위해서 2009년대한조선학회추계발표논문인배동명의 Full Occupants 25인승자유낙하식구명정의수면충돌시구조 6.3 응답해석 에서수행한동일구명정의충돌시뮬 6.6 레이션에대한응답값을사용하였다. Fig. 5는 FSI(Fluid Structure Interaction) 시뮬레이션모델 을보여주는그림으로구명정, 진수장치, 유체영 역 (fresh water and initial void region) 등으로 5. FEM 해석 구성되어 있다. trim angle 35 인 상태에서 sliding contact가이루어지도록하였다. 3가지타입으로보강을실시한라이프보트의 구조안전성평가를위하여 FEM해석을수행하였다. 동적시뮬레이션이아닌정적해석으로해석하여수면과충돌하여최대하중이가해질때의응력값으로구조안정성정도를평가하였다. 최대하중은수면충돌시뮬레이션의결과에서나온최대하중값을사용하였다. 5.1 FEM 모델 Fig. 5 Freefall simulation conditions for 25 persons free-fall lifeboat full occupants 상태에서가장큰충격하중을 Fig. 7 Free-fall lifeboat FEM model

상용유한요소프로그램 MSC/Patran 2005 R2 으로모델링하였으며 free-fall lifeboat에사용된재료의 material

Table 4 Material property of FRP Material property Sandwich FRP 5.

구조로구조보강을실시하였다. Table 6 Test Case Elastic Modulus 10,524 9,770 Poisson ratio 0.25 0.

8 Thickness of free-fall lifeboat for 25 persons Table 5 Thickness of free-fall

을생성, keel 에스티프너 Canopy: door 부근스티프너 Hul l: hull rib 을생성, keel 에스티프너 Canopy: frame

5 상용유한요소프로그램 MSC/Patran 2005 R2 으로모델링하였으며 free-fall lifeboat에사용된재료의 material property는아래 Table 4와같다. Table 4 Material property of FRP Material property Sandwich FRP 5.2 Test Case 본연구에서는 3가지 Case로구조보강을구분하였으며수면으로부터직접적인충격이가해지는 Hull과 Canopy에 frame 구조로구조보강을실시하였다. Table 6 Test Case Elastic Modulus 10,524 9,770 Poisson ratio Density( Tensile yield stress (Mpa) Compressice yield stress (Mpa) ) Fig. 8 Thickness of free-fall lifeboat for 25 persons Table 5 Thickness of free-fall lifeboat Case 1 Case 2 Case 3 Hull: 2 개의종방향스티프너 Canopy: door 부근스티프너 Hul l: hull rib 을생성, keel 에스티프너 Canopy: door 부근스티프너 Hul l: hull rib 을생성, keel 에스티프너 Canopy: frame 구조로보강 (a) case 1 (b) case 2 Item Value Keel Hull Top Case Canopy Floor, Main Hatch 40 mm 30 mm 25 mm 25 mm 20 mm (c) case 3 Fig. 9 Cases of lifeboats with different frame types

Fig. 10 Boundary condition of the model Table

6 5.3 경계조건 Fig. 11 Acceleration history during wet drop free-fall lifeboat의모든종요소의절점들을중심선상의중립축에있는독립절점에강체연결하였다. Fig. 10 Boundary condition of the model Table 7 Boundary condition Boundary Condition Fix Fix Fix 하중조건최대충격하중을구하기위해서 2009년대한조 선학회추계논문인배동명의 25 인승자유낙하식 구명정의수면충돌시구조응답해석 에서수행 한동일구명정의충돌시뮬레이션에대한가속 도응답값을사용하여최대충격하중을구하였다. Fig. 12 Loading condition of the model 6. 해석결과 각 Case 별변위값및응력값은 Fig.13 ~15 와 Table 8 ~ 9 과같다. Fig. 13 Displacement and stress of Case 1 Fig. 14 Displacement and stress of Case 2 (a) X-Acceleration (b) Z-Acceleration

Fig. 15 Displacement and stress of Case 3 Table 8 Result of displacement 7. 결론 Fig. 18 Maximum stress parts Type Displacement Case 1 Case 2 Case 3 Type Stress Case 1 Case 2 Case 3 56.

7Mpa로 Case1에비해 5Mpa정도낮아졌고변위응답의경우에도 Case3의최대변위값이 Case2에비해 5.2mm정도낮아졌음을확인할수있었다. Case1과 Case2는최대응력값과최대변위값에서큰차이를보이지는않았지만 Case2의경우 Hull 부분의응력분포가 frame 보강에의해서분산되어졌음을확인할수있었다.

참고문헌 배동명, 신창혁, 김주곤, 김학수, 최병문, 최영삼, 소형 Free Fall 구명정의자유낙하시받는충격응답에관한연구, 한국해양과학기술협의회공동학술대회, pp. 1588-1594, 2008.5. 김주곤, 자유낙하식소형구명정의입수시받는충격응답에관한연구, 부경대학교조선해양시스템공학과박사학위논문, 2009.2. 현대라이프보트, 소형 Free Fall 구명정및진수장치국산화기술개발, 산업자원부지역산업기술개발사업보고서, 2008.

7 Fig. 15 Displacement and stress of Case 3 Table 8 Result of displacement 7. 결론 Fig. 18 Maximum stress parts Type Displacement Case 1 Case 2 Case 3 Type Stress Case 1 Case 2 Case Mpa 56.1 Mpa 51.7 Mpa 17.1 mm 17.4 mm 12.2 mm Table 9 Result of stress Permissible Stress 115 Mpa Fig. 16 Stress comparison (Canopy) Fig. 17 Stress comparison (Hull) 해석결과 Case3의최대응력값이 51.7Mpa로 Case1에비해 5Mpa정도낮아졌고변위응답의경우에도 Case3의최대변위값이 Case2에비해 5.2mm정도낮아졌음을확인할수있었다. Case1과 Case2는최대응력값과최대변위값에서큰차이를보이지는않았지만 Case2의경우 Hull 부분의응력분포가 frame 보강에의해서분산되어졌음을확인할수있었다. 본연구에서는 2009년대한조선학회추계발표논문인배동명의 25인승자유낙하식구명정의수면충돌시구조응답해석 을바탕으로충격하중에대하여정적해석을실시하였다. 하지만보다정확한해석결과를얻기위해서는동적해석을반드시수행하여야한다. 참고문헌 배동명, 신창혁, 김주곤, 김학수, 최병문, 최영삼, 소형 Free Fall 구명정의자유낙하시받는충격응답에관한연구, 한국해양과학기술협의회공동학술대회, pp , 김주곤, 자유낙하식소형구명정의입수시받는충격응답에관한연구, 부경대학교조선해양시스템공학과박사학위논문, 현대라이프보트, 소형 Free Fall 구명정및진수장치국산화기술개발, 산업자원부지역산업기술개발사업보고서, 배동명, 김학수, Ahmad Fauzan Zakki, 5인승자유낙하식구명정의수면충돌시구조응답해석 대한조선학회, pp , Health and Safety Executive, "Feasibility of Computer Simulation of the Launch of Free-Fall Lifeboats", Offshore Technology Report, London, HMSO, 1992

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