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가은 당
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1 소형 FRP 어선간의충돌해석 장인식 ( 홍익대학교기계정보공학과 ), 김용섭 ( 홍익대학교조선해양공학과 ), 김일동 ( 홍익대학교대학원기계정보공학과 ) Collision Analysis between Two Small-sized FRP Fishing Boats Insik Jang(Dept. of Mechano-informatics & Design Eng. Hongik Univ.), Yongseop Kim(Dept. of Naval Architecture & Marine Eng. Hongik Univ.), Ildong Kim(Graduate School, Dept. of Mechano-informatics & Design Eng. Hongik Univ.) 요약산업의발달과함께해상물동량이증가하여해상교통이복잡해짐에따라해상에서의해난사고가빈번하게발생하고있다. 선박의충돌사고에대한연구는주로충돌사고의원인분석에중점을두어왔으나보다정확한분석을위해서는역학적인해석이더첨가되어야한다. 본연구는 FRP 재질의소형어선간의여러충돌상황에서의변형거동에대한것이다. 선체에대한 3차원기하학적인모델링을수행한후, 유한요소모델을구성하고역학적인해석기법인유한요소법을이용하여동적해석을수행하였다. 두가지의충돌각도 (90, 135 ) 와세가지의충돌속도 (5, 10, 15 노트 ) 의조건을조합하여해석을수행하였으며각각의경우에대하여응력분포와변형상태를살펴보았다. 전체적으로 90 의충돌각도에서 135 의경우보다응력이컸으며충돌하는선체의선수부보다충돌당하는선체의측면부위에서큰응력이발생하였다. 150ms의해석시간인경우 90 충돌각도에서는 10knot, 15knot 모두충돌하는선체나층돌당하는선체에서파단이발생하는것으로나타났다. 또한, 각경우에서시간에따른변형에너지와운동에너지의변화상태를조사함으로써거동전체에대한경향을파악하였다. 해석결과는추후에부분별강도를고려한선체의설계에필요한기초데이터로사용될수있다. ABSTRACT In this paper, collision analysis is carried out between two small-sized FRP fishing boats. A computer simulation with finite element method is used to accomplish this objective. At first, a detailed geometric model of the boat is constructed using 3-D CAD program. The formation of a finite element from a geometric data of the boats is carried out using HYPERMESH that is the commercial software for mesh generation and post processing. Six collision configurations are established by combining two kinds of contact angle(90, 135 ) and three different speed(5, 10, 15knot). Collision analysis is accomplished using DYNA3D. Stress distribution and deformation shape are investigated for each collision condition. In general, 90 collision angle generate larger stress than 135 case. When analysis is carried out until 150ms contact parts of two boats are broken for 10 and 15knot collision speed, in which maximum stress is larger than ultimate strength of the material. Internal and kinetic energy history are studied for each collision case to examine dynamic behavior of whole system. Keywords : 합성수지강화플라스틱선박 (FRP Boat), 충돌해석 (Collision Analysis), 충돌상황 (Collision Configuration), 유한요소법 (Finite Element Method), 응력분포 (Stress Distribution) 1. 서론 우리나라는 3면이바다로둘러싸여있는지리적인조건하에산업이발달함에따라해상물동량이증가하여해상교통이복잡해짐에따라해상에서의해난사고가빈번하게발생하고있다. 특히수산업의발달에따른어선숫자의증가로어선간충돌사고가전체해난사고의약 32% 를점하고있으며, 그중에서야간에영해내에서의사고율이가장높게나타난다. 또한계절적으로는안개기많은봄철에사고가빈발하며사고당시의선박의속력은 5-10노트가전체중에서 60% 를점하고있으며사고의선체의크기는 20톤미만이약 15% 를점하고있다.([1]) 자동차의충돌에대한연구는충돌의역학적인해석과사고의원인규명및사고의재구성등다양하지만 (Jang[2001]) 선박의충돌사고에대한연구는주로충돌사고의원인분석에중점을두어왔다. 그연구결과로는시스템다이내믹스법을이용하여선박충돌사고인적요인모델을구축하고, 선박충돌사고를감소시

키기위한가장효과적인대책을수립하기위한정책요소를제시한경우 (Keum[2003]) 도있고, 선박충돌사고의발생과정과각계층에속한요소가사고에미치는영향력을규명하고, 각요소간상호관계를파악하여사고예방대책마련을위한우선순위를결정할수있는방안을제시한경우 (Yang[2003]) 도있으며,

2 키기위한가장효과적인대책을수립하기위한정책요소를제시한경우 (Keum[2003]) 도있고, 선박충돌사고의발생과정과각계층에속한요소가사고에미치는영향력을규명하고, 각요소간상호관계를파악하여사고예방대책마련을위한우선순위를결정할수있는방안을제시한경우 (Yang[2003]) 도있으며, 다양한충돌상황에서도충돌선박당사자들의진술내용을컴퓨터에입력하여충돌당사자진술의진위여부를판단할수있고해양안전심판의정확도도높일수있는충돌사고분석시뮬레이터를제안한경우 (Park[2002]) 도있다. 이러한연구들은사고의정황적인조건에대한것이며사고의정확한분석을위해서는역학적인해석이더첨가되어야한다. 본연구에서는소형 FRP 어선의충돌을여러가지상황에대하여역학적인분석을시도하고자한다. FRP선박은적당한강도를가지면서도배를가볍게건조할수있고썩거나부식하지않으며강선. 목선에비해초기선가가 10% ~ 20% 정도비싸지만내구연한을감안하면오히려선박의수리유지비가저렴하다는장점이있어서소형어선으로많이사용되고있다. FRP선박은성형을제작하여그위에유리섬유를적층하여건조하는방법으로강선설계시의강판의선정및부재의조합에의한설계방식과는달리재료설계와구조설계를동시에행하여야하는특징으로 FRP선박의관련규칙은강선에비하여설계자유도가큰반면부재에대한구체적인기준이확정되지못하고잠정규정을설정하여사용하고있다.(Koh[2002]) 이러한강도를가지는 FRP 선박이충돌시나타내는역학적인거동을살펴보고자한다. 먼저소형어선의기하학적인모델링을 3-D CAD 시스템을이용하여수행한후, 역학적인해석기법인유한요소법 (Finite Element Method) 을이용하기위한모델인유한요소모델을구성한다. 유한요소모델을만들기위하여소프트웨어인 HYPERMESH를이용한다. 충돌해석은시간이포함되는동적해석 (Dynamic Analysis) 인데이작업또한전용소프트웨어인 DYNA3D를이용하여수행한다. 2. 충돌모델의구성 2.1 소형어선의구조 해석에이용된선박은 7.9톤급연안연승어선으로선체의대부분은 FRP로구성되어있으며 ENGINE ROOM의엔진은 STEEL로구성되어있다. 본선은 FRP 선으로서단판구조로이루어져있으며, FRP의소재두께는평균 8mm로하였다. 선체의내부구조로는갑판이있으며적재함과어창으로이루어진공간은격벽으로칸막이를하였으며엔진룸에는소형어선에적합한엔진을장착하였다. WHEEL HOUSE 는조타실기능을할수있는공간이마련되어있다. Fig.1 FRP 소형어선의구조 선박의총길이는 15m이며총깊이는 3.42m이다. WHEEL HOUSE 밑부분에는 ENGINE ROOM을설계하였으며선박의선수부분적재함에는유한요소모델링인HYPERMESH에서 Structure mass를적용함으로써실제화물이적재되어있는효과를낼수있게하였다. Table 1에는선체각부분의질량을계산하여나타내었다. 순수한배의질량은약 7.93톤이지만 ENGINE ROOM과적재함을포함하여해석에사용된선박은약 13.3ton의질량을가지고있다.

Table 1 Mass of each part part mass(ton) material 적재함 7.00 FRP 외형및격벽 1.21 FRP WHEEL HOUSE 6.68 FRP 갑판 3.94 FRP ENGINE ROOM 4.00 STEEL TOTAL 13.28 2.

2 충돌선체간의기하학적모델링 ( 충돌각도 90 ) F i g. 3 충돌선체간의기하학적모델링 ( 충돌각도 135 ) 선체의모델링을함에있어서는 3차원곡선의형상들이많았기때문에 Surface 부분에좀더강력한툴을보이는 3차원 CAD Program 인 CATIA V5 R14를사용하게되었다.

3 Table 1 Mass of each part part mass(ton) material 적재함 7.00 FRP 외형및격벽 1.21 FRP WHEEL HOUSE 6.68 FRP 갑판 3.94 FRP ENGINE ROOM 4.00 STEEL TOTAL 선체의기하학적모델링 선체간의충돌해석을위한선박의형상은 3차원 Program 인 CATIA V5 R14를이용하여기하학적모델링을하였으며 HYPERMESH를이용한유한요소모델링을하였다. Fig. 2는측면충돌상황을충돌각도 90 와속도 10knot로구현한것이며, Fig. 3은충돌각도를 135 로구현한것이다. F i g. 2 충돌선체간의기하학적모델링 ( 충돌각도 90 ) F i g. 3 충돌선체간의기하학적모델링 ( 충돌각도 135 ) 선체의모델링을함에있어서는 3차원곡선의형상들이많았기때문에 Surface 부분에좀더강력한툴을보이는 3차원 CAD Program 인 CATIA V5 R14를사용하게되었다. 실제선박과거의흡사한 3차원곡선을형성하기위하여 OFF-SETS TABLE을참조하여선박의선수부에서선미부까지하나하나의 point를 3차원공간상에표시한후 3차원공간상에 point 들을 spline을이용하여연결하였다. spline 으로연결한선분들을조합하여 surface로형성시켰으며, 각각의 surface들을 join시켜선박의형체를완성하였다. 이로서실제선박과유사한모델링을구현할수있었다. 2.3 유한요소모델링 전 후처리프로그램인 HYPERMESH를이용한유한요소모델링의내용을요약하면다음과같다. 1 Mesh Type : Shell Mesh 2 Element Size : 50mm 3 Number of materials or property sets : 10 4 Number of shell element : 148,270 5 Number of nodal +Scalar points : 146,926 6 Shell thickness : 8mm Fig. 4와 Fig. 5에는선체간의충돌에대한유한요소모델링을도시하였다. 유한요소모델링을하는데있어서선체를구성하는 FRP판재부분은 Shell Mesh를사용하였으며, Auto mesh를이용하여대부분을 Quads Mesh를하였다. Gap이생기는부분은 Trias Mesh를사용하여전체모델에 10% 이내로하였다. Engine Room에는설계도면에적용되어있는 Engine mass를적용함으로써실제와같이구현하였으며, 충돌시에 Engine 의흔들림을방지하기위해 Extra node라는기능을적용하였다. 또한

적재함에는 structure mass를적용함으로써실제화물이적재되어있는것과효과를낼수있게하였다. Shell 의두께는 8mm를적용하였으며 ENGINE ROOM은 STEEL의물성치를적용하였고 ENGINE ROOM을제외한모든형상은 FRP 물성치를적용하였다. 물성치에대한내용은 Table 2에요약되어있다.

5 충돌선체간의유한요소모델링 ( 충돌각도 135 ) Table 2 Material properties of boat Material Mass density ( g/mm 3 ) Young's modulus (MPa) Poisson's ratio Tensile strength (MPa) FRP 1.54E-09 13800.0 0.32 165.0 STEEL 7.

4 적재함에는 structure mass를적용함으로써실제화물이적재되어있는것과효과를낼수있게하였다. Shell 의두께는 8mm를적용하였으며 ENGINE ROOM은 STEEL의물성치를적용하였고 ENGINE ROOM을제외한모든형상은 FRP 물성치를적용하였다. 물성치에대한내용은 Table 2에요약되어있다. Boat(1) 에는속도를주어일정한속도로 Boat(2) 를향하여전진하며, Boat(2) 는아무런구속조건없이정지되어있다. 물에대한조건을적용할수는있지만적용시에해석에는아무런영향을미치지못하므로물에대한구속조건은배재하였다. F i g. 4 충돌선체간의유한요소모델링 ( 충돌각도 90 ) Fi g. 5 충돌선체간의유한요소모델링 ( 충돌각도 135 ) Table 2 Material properties of boat Material Mass density ( g/mm 3 ) Young's modulus (MPa) Poisson's ratio Tensile strength (MPa) FRP 1.54E STEEL 7.8E 충돌해석 3.1 충돌상황의구성 Table 3에본과제에서해석하고자하는충돌상황에대한요약이다. 충돌하는선체의속도는 3 종류이며충돌각도는 2 종류로하여충돌해석의상황이총 6가지가설정되어있다. 같은크기의선체가충돌을하며둘중하나는정지해있는상태이다. Table 3 충돌상황구성 선체종류 각도 속도 5knot 10knot 15knot 7.93ton VS 7.93ton 충돌해석 해석은충돌해석전용프로그램인 DYNA3D를이용하였다. 충돌해석은 Time Integration 의기법중에 Explicit 방법을적용하여짧은시간내에일어나는현상을해석하는데물성치나요소의크기에따라서시간간격 (Time step size) 의제한이있다. 총해석시간은충돌하는선체의속도를고려하여 150ms로하였다. Fig. 6에는충돌각도 90 에서 10knot의속도로 75ms 경과된순간의선체의변형모습을나타내었으며, Fig. 7에는응력 (Von mises stress) 분포를나타내었다. 10knot의속도로 Boat(1) 이전진시에 Boat(1) 의선수부와 Boat(2) 의측면에약간에휨현상이나타났다. 충돌당하는선체의측면부위에서최대응력이발생하였는데크기는 MPa 이며, 이에반면에충돌하는선체의선수부부위에서는최대응력 MPa 이

나타났다. Fig. 6 Deformation shape ( 충돌각도 90 75ms) Fig. 7 Stress distribution ( 충돌각도 90 75ms) Fig.

10knot의속도로 Boat(1) 이전진시에 Boat(1) 의선수부와 Boat(2) 의측면에약간에휨현상이나타났으며, 충돌각도 90 보다는작은최대응력이나타났다. 충돌당하는선체의측면부위에서최대응력이발생하였는데크기는 43.

9 Stress distribution ( 충돌각도 135 75ms) Fig. 10에는충돌각도 90 에서 10knot의속도로 150ms 경과된순간의선체의변형모습을나타내었으며, Fig.

5 나타났다. Fig. 6 Deformation shape ( 충돌각도 90 75ms) Fig. 7 Stress distribution ( 충돌각도 90 75ms) Fig. 8에는충돌각도 135 에서 10knot의속도로 75ms 경과된순간의선체의변형모습을나타내었으며, Fig. 9에는응력 (Von mises stress) 분포를나타내었다. 10knot의속도로 Boat(1) 이전진시에 Boat(1) 의선수부와 Boat(2) 의측면에약간에휨현상이나타났으며, 충돌각도 90 보다는작은최대응력이나타났다. 충돌당하는선체의측면부위에서최대응력이발생하였는데크기는 MPa 이며, 이에반면에충돌하는선체의선수부부위에서는최대응력 MPa 이나타났다. Fig. 8 Deformation shape ( 충돌각도 ms) Fig. 9 Stress distribution ( 충돌각도 ms) Fig. 10에는충돌각도 90 에서 10knot의속도로 150ms 경과된순간의선체의변형모습을나타내었으며, Fig. 11에는응력 (Von mises stress) 분포를나타내었다. 10knot의속도로 Boat(1) 이전진시에충돌하는선체의선수하방부와충돌당하는선체의측면에서최대응력이발생하는데크기는 165MPa 이며, Boat(1) 의선수부와 Boat(2) 의측면에큰휨현상이나타났고 Boat(2) 가측면으로밀리는현상이나타났다. Table2 에나타난인장강도가 165MPa 이므로 90 충돌시 Boat(1) 과 Boat(2) 모두충돌부위에서파단이일어나는것으로간주할수있다.

Fig. 11 Stress distribution (충돌각도 90 150ms) Fig. 10 Deformation shape (충돌각도 90 150ms) Fig. 12에는 충돌각도 135 에서 10knot의 속도로 150ms 경과 된 순간의 선체의 변형 모습을 나타내었으 며, Fig. 13에는 응력(Von mises stress)분포를 나타내었다.

6 Fig. 11 Stress distribution (충돌각도 ms) Fig. 10 Deformation shape (충돌각도 ms) Fig. 12에는 충돌각도 135 에서 10knot의 속도로 150ms 경과 된 순간의 선체의 변형 모습을 나타내었으 며, Fig. 13에는 응력(Von mises stress)분포를 나타내었다. 10knot의 속도로 Boat(1)이 전진 시에 충돌하는 선체의 선수 상부에 Boat(2)의 측면 상부와 충돌함으로써 휨 현상이 나타났으며, 측면 상부에서 최대응력이 산 국 해 양 센 Fig. 13 Stress distribution (충돌각도 ms) 수 Fig. 12 Deformation shape (충돌각도 ms) 한 정 보 연 구 과 학 기 술 터 협 의 회 발생하였는데 크기는 MPa 이며, Boat(1)의 선수부와 Boat(2)의 측면에 휨 현상이 나타났고 Boat(2)가 측면으로 약간 밀리는 현상이 나타났다. 양 Table 4와 Table 5 에는 각 충돌상황에서의 최대응력을 75ms 경과 시와 150ms 경과 시에 대하여 나타내었 해 다. 전체적으로 90 의 충돌 각도에서 135 의 경우보다 응력이 컸으며 충돌하는 선체의 선수부보다 충돌당하는 선체의 측면 부위에서 큰 응력이 발생하였다. 사용된 재질의 인장응력이 165MPa인데 15knot의 충돌속도, 90 의 충돌상황에서는 해석시간이 75ms 인 시점에 이미 파단에 이르는 것으로 나타났다. 충돌속도 5knot 인 경 우에는 충돌각도나 부위에 상관없이 모두 인장강도보다 작은 응력 값을 나타내었다. 그러나, 150ms의 해석시 간인 경우 90 충돌각도에서는 10knot, 15knot 모두 충돌하는 선체나 층돌 당하는 선체에서 파단이 발생하는 것으로 나타났다. 135 의 충돌각도에서는 10knot의 경우에는 인장강도보다 훨씬 작은 응력을 나타내었으나 15knot의 충돌속도에서는 충돌하는 선체나 충돌 당하는 선체에서 모두 파단이 발생하는 것으로 나타났다. Table 4 각 충돌 상황에서 최대응력 (MPa) (해석시간 75ms) 5 knot 10 knot 15 knot 충돌하는 선체의 선수부 boat(1) 충돌당하는 선체의 측면부 boat(2)

7 Table 5 각충돌상황에서최대응력 (MPa) ( 해석시간 150ms) 5 knot 10 knot 15 knot 충돌하는선체의선수부 boat(1) 충돌당하는선체의측면부 boat(2) 에너지변화 Fig. 14에는충돌각도 90 인경우각속도별에너지의변화를나타내었다. 충돌속도 15knot의경우충돌초기운동에너지가가장높게나타났고약 80ms 이후부터운동에너지는감소하면서내부에너지가증가한다. 운동에너지의감소량과내부에너지의증가량은같아서전체에너지의합은항상일정하다. 10knot의경우는 15knot의경우보다는초기운동에너지가작으며 15knot의경우에비해변형량도적어내부에너지의증가도작게나타났다. 5knot의경우에는에너지의변화가거의없어보이는데, 이는전체스케일이 15knot의경우에맞추어져있어서상대적인변화량이작아서나타나는현상이다. Fig. 14 Energy history ( 충돌각도 90 ) 4. 결론 본연구에서는소형 FRP 어선의충돌을여러가지상황에대하여역학적인분석을시도하였다. FRP선박은적당한강도를가지면서도배를가볍게건조할수있고썩거나부식하지않으며선박의수리유지비가저렴하다는장점이있어서소형어선으로많이사용되고있다. 먼저소형어선의기하학적인모델링을 3-D CAD 시스템을이용하여수행한후, 역학적인해석기법인유한요소법 (Finite Element Method) 을이용하기위한모델인유한요소모델을구성하였다. 유한요소모델을만들기위하여소프트웨어인 HYPERMESH를이용하였다. 충돌해석은시간이포함되는동적해석 (Dynamic Analysis) 인데이작업또한전용소프트웨어인 DYNA3D를이용하여수행하였다. 두가지의충돌각도 (90, 135 ) 와세가지의충돌속도 (5, 10, 15 knot) 의조건을조합하여해석을수행하였으며각각의경우에대하여응력분포와변형상태를살펴보았다. 전체적으로 90 의충돌각도에서 135 의경우보다응력이컸으며충돌하는선체의선수부보다충돌당하는선체의측면부위에서큰응력이발생하였다. 사용된재질의인장응력이 165MPa인데 15knot의충돌속도, 90 의충돌상황에서는해석시간이 75ms 인시점에이미파단에이르는것으로나타났다. 충돌속도 5knot 인경우에는충돌각도나부위에상관없이모두인장강도보다작은응력값을나타내었다. 그러나, 150ms의해석시간인경우 90 충돌각도에서는 10knot, 15knot 모두충돌하는선체나층돌당하는선체에서파단이발생하는것으로나타났다. 135 의충돌각도에서는 10knot의경우에는인장강도보다훨씬작은응력을나타내었으나 15knot의충돌속도에서는충돌하는선체나충돌당하는선체에서모두파단이발생하는것으로나타났다. 또한, 각경우에서시간에따른변형에너지와운동에너지의변화상태를조사함으로써거동전체에대한경향을파악하였다.

8 후기 본연구는해양수산부에서지원하는 KSGP 과제의연구비로수행되었습니다. 참고문헌 [1] 해양안전심판원, 2004, 충돌사고현황표, 해양안전심판원 [2] 장인식, 채덕병, 2001, 차체의변형형상과변형정도에의한자동차충돌상황의재구성, 한국자동차공학회논문집, 제 9 권, 제 1 호, pp [3] 금종수, 2003, 시스템다이내믹스에의한선박충돌사고의인적요인분석에관한연구, 한국항해항만학회지, 27권, 5호, [4] 양원재, 2003, 퍼지구조모델을이용한선박충돌사고원인의구조분석, 한국해양학회지, 27권, 2호, [5] 박계각, 2002, 선박충돌사고분석을위한시뮬레이터구축, 한국항해항만학회지, 26권, 3호, [6] 고재용, 2002, 적층방향에따른 F.R.P 구조강도특성에관한연구, 한국항해항만학회추계공동학술대회논문집, [7] DYNA3D Manual, 2004, LSTC [8] CATIA maunal, 2003, Dassault Systems [9] HYPERMESH manual, 2004, Altair

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