대한조선학회논문집 Journal of the Society of Naval Architects of Korea pissn:1225-1143, Vol. 53, No. 2, pp. 108-114, April 2016 eissn:2287-7355, http://dx.doi.org/10.3744/snak.2016.53.2.108 20 피트급파워보트의구조강도평가및최적화 염재선 유재훈 목포대학교조선해양공학과 Structural Strength Assessment and Optimization for 20 Feet Class Power Boat Jae-Seon Yum Jaehoon Yoo, Department of Naval Architecture and Ocean Engineering, Mokpo National University This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Recently, there has been a growing interest in marine leisure sports and high speed power boat for fishing. The prototype of 20 feet class power boat was developed and authors are joined in this government-led project. The research was performed to evaluate the optimal structure and design of the structural strength necessary to ensure the structural safety of the power boat. A new material ROCICORE fiber added to the mat and roving was adopted for high-power tenacity. ANSYS Workbench has been used to make the structural model, evaluate the strength and optimize the structural design. The response of the structure to quasi-static slamming loads according to the rules and regulations of ISO 12215-5, Lloyd s Register of Shipping and Korean Register has been implemented and studied. An optimization study for the structural response is carried out by changing the plate thickness and section modulus of stiffeners. The power boat structure derived fuel efficiency is optimized by performing the best possible structural design to minimize the hull weight. Keywords : Power boat( 파워보트 ), Design pressure( 설계압력 ), Structural analysis( 구조해석 ), Structural optimization( 구조최적화 ) 1. 서론 1.1 연구배경 최근정부에서는국내레저선박산업의활성화와세계레저선박시장진출을위해 FRP 재료를사용한 20 피트급파워보트에대한시제선을개발하였다. 이러한연구개발가운데보트의구조안전성을확보하기위한방안이필요하게되었고, 이를만족시키기위해단위밀도당강도인비강도 (Specific strength) 가우수하고효과적인적층구성으로된재료를사용한파워보트에대한구조강도평가를수행하게되었다. 본연구에서는국제표준규정 (ISO 12215-5, 2008) 과로이드선급 (LR, 2015) 의 special service craft, 한국선급 (KR, 2015) 의고속경구조선규칙에서제시한동적효과를고려한설계하중을각각산출하여비교검토하였다. 그리고기존 FRP(Fiber reinforced plastic) 선박의적층구성인춉트스트랜드매트 (Chopped strand mat) 와로빙클로스 (Roving cloth) 의 MR 적층에 ROCICORE 섬유를추가한우수한비강도를가진재료를선체재료로사용하였 다. 또한상용구조해석프로그램인 ANSYS Workbench 를이용한선형및구조부재에대한모델링및동적효과를고려한준정적해석을통하여구조강도를평가하였다. 그리고구조강도를확보하며동시에선체중량최소화를위해허용응력을제한조건으로하고판재두께와보강재의단면계수를설계변수로하는구조부재최적화를수행하여효율적연료사용이가능한최적화된파워보트구조를제안하였다. 1.2 관련연구 소형레저선박에대한구조강도평가는 FRP 재료를사용한단동선및쌍동선을대상으로연구되어왔다. 55 피트급복합재료카타마란에대해 DNV HSLC 규칙을적용하여준정적슬래밍하중이선체에작용할때의구조응답에대한연구 (Ojeda, Prusty & Salas, 2004) 를시작으로 2006 년에는샌드위치형 FRP 재료를사용한소형요트에대해기본구조설계및구조해석을위한절차적기법을제시하고 ISO 설계하중적용, ABS 규정에의한 scantling, ANSYS 를사용한모델링및구조해석을수행하여소형요트에대한구조설계해석기법을국내에처음으로소개한논 Received : 4 January 2016 Revised : 12 February 2016 Accepted : 14 March 2016 Corresponding author : Jaehoon Yoo, yoojaehoon@mokpo.ac.kr
염재선 유재훈 문이발표되었다 (Shin, et al., 2006). 이후 38피트급카타마란요트에대한구조해석 (Park, 2009), LR과 KR 규정의하중조건을적용, MSC. Patran/Nastran 의 Shell element로모델링하여 40피트급세일링요트에대한구조안전성을평가 (Ji, 2010) 한연구가진행되었다. 그리고쌍동선의설계규정검토를위해 ISO, LR, KR 규정을비교검토하여쌍동선설계를위한기준을자체적으로제시한연구도있었다 (Kim, et al., 2011). 이처럼소형요트또는쌍동선에대한구조평가연구가대부분이었고소형파워보트에대한중량절감및구조강도평가에대한연구 (Yum, et al., 2012) 는기초적인최적화연구만수행된바있다. 2. 파워보트의구조해석 일반적으로선박에대한구조해석방법으로는각선급협회에서요구하는선급규정식에의해구조강도를평가하는방법이있고, 또한새로운형식의선박에대한구조강도평가나국부적인상세해석이필요한경우유한요소법에의한직접강도해석을통하여구조안전성을검토할수있다. 선급규정식에의한방법은선체중앙단면의단면계수 (section modulus) 를계산하여선급에서요구하는값이상의단면계수를갖는경우구조적으로안전하다고평가할수있다. 유한요소법에의한직접강도해석은전선해석이나화물창부일부에대한해석으로진행된다. 파워보트와같은소형선박의경우전체강도해석이수행되는데, 일반적으로고속경구조선의전체강도해석은길이 50 m 이상의선박에대해적용한다. 즉, 선박의길이 L < 50m, 그리고 L/D < 12 인선박으로서일반적인고속경구조선및경구조선에대하여는국부강도를만족하면종굽힘, 전단및축하중을만족하는것으로간주할수있다 (KR, 2015). 따라서본연구에서는기존에많이사용되고있는매트와로빙의조합에 ROCICORE 섬유를포함한 FRP 로제작되는 20 피트급파워보트에대하여재료시험을통해물성치를확보하고, 세가지규정에의해선저슬래밍이나선측충격하중과같은국부하중을적용, 구조해석을수행하여파워보트의구조강도만족여부를검토하였다. Table 1 Material properties Material structural steel general FRP 2Mat+2Rov+ ROCICORE Density [kg/m 3 ] 7,850 2,080 1,494.4 Tensile yield strength [MPa] 250 115 170.46 Young's modulus [GPa] 200 8.770 8.408 Poisson's ratio 0.3 0.23 0.23 2.2 구조해석모델 외부 CAD 프로그램에서작성한보트의선형 CAD 데이터를기반으로하고, Fig. 1과 Fig. 2에보인파워보트의일반배치도와중앙횡단면도를참조하여 ANSYS Workbench v.16.2 에서구조해석모델을작성하였다. 선박의주요치수를 Table 2에, 구조부재의두께와단면계수는 Table 3에나타낸바와같다. 판부재는 SHELL181 요소, 보강재는단면의특성이반영된 BEAM188 요소가사용되었고, element 5,173 개, node 5,071개가사용되었다 (Fig. 3 참조 ). Fig. 1 28 feet power boat 2.1 재료물성치 20 피트급파워보트에사용할재료는 MAT450, ROVING570, ROCICORE300 섬유와 G-613BT 수지를사용한재료이며, RTM (Resin Transfer Molding) 방식으로 ROCICORE+R.M.R.M 의 5개층으로적층한시편에대한재료시험결과재료물성치는 Table 1 과같다. 본래 FRP 는등방성재료인매트와이방성재료인로빙이적층된복합재이지만, 폴리우레탄폼과같은내진재가없는판재의경우진공적층방법으로제작한시편에대해직접재료시험결과를이용하였기에등가의균일판재로가정하였다. Fig. 2 Midship section of power boat JSNAK, Vol. 53, No. 2, April 2016 109
20 피트급파워보트의구조강도평가및최적화 Table 2 Principal dimensions Length Overall (LOA) 10.135 m Length Between Perpendicular (LBP) 7.700 m Length of Waterline (LWL) 7.323 m Moulded Breadth (Bmax) 2.940 m Moulded Depth (D) 1.100 m Moulded Draft (T) 0.650 m Design Speed (Vs) 25 knots Displacement Volume 7.168 m 3 Displacement (1.025 ton/m 3 ) 7.347 ton 2.3 하중조건국제표준규정 (ISO 12215-5, 2008), 로이드선급 (Special service craft, 2015), 한국선급 ( 고속경구조선규칙, 2015) 의규정에서제시한설계압력 (Table 5) 을선체에작용하는하중으로적용하였다. ISO 와 LR 의경우슬래밍을포함한충격하중을고려하기위해 displacement mode 와 planing mode( 또는 nondisplacement mode) 로구분하여설계하중이제시되었고, 이에보다심각한경우인 planing mode 의설계압력을선택하였다. 위세가지규정에서의최대선저슬래밍설계압력을계산하면 Table 4와같이 ISO > LR > KR 순서로크기가얻어졌다. 그리고각규정에서의압력성분을본연구의 20 피트급파워보트에적용하여 Fig. 4 ~ Fig. 6의설계압력을산출하였고, 이를선체에적용할때선체구간별변동압력은함수로지정하여적용하였다. Table 3 Materials and dimensions Structural member Keel Plate Center Side and Bottom Plate Stem, Bottom reinforced plate Deck Plate dimension (mm, cm 3 ) 13.71 mm 8.44 mm 10.20 mm 7.38 mm Floor 101.5 cm 3 Floor (below main engine) 150.2 cm 3 Side shell web frame 13.5 cm 3 Deck trans. beam 13.3 cm 3 Deck longi. girder 21.9 cm 3 Bulkhead stiffener 12.9 cm 3 Table 4 Maximum bottom slamming pressures (kn/m 2 ) ISO LR KR 69.08 64.27 52.01 Table 5 Design pressures Regulation ISO Pressure Bottom pressure Side pressure Deck pressure Pressure for superstructure and deckhouses Loads on shell envelope Hydrostatic pressure Hydrodynamic wave pressure Pressure on weather and interior decks LR Impact loads Component design loads Bottom slamming pressure Side shell slamming pressure Forebody impact pressure Deckhouse, bulkhead, pillars, cargo deck Bottom slamming pressure KR Bottom pitch slamming pressure Forebody side and bow impact pressure Fig. 3 Finite element model of power boat Sea pressure 110 대한조선학회논문집제 53 권제 2 호 2016 년 4 월
염재선 유재훈 발생되지않도록단순지지의형태를반영하고, 구속점은가능한한응력관심부에서떨어져있도록배치하여적용된경계조건은 Table 6, Fig. 7과같다. Table 6 Boundary condition (o : fixed) location Dx Dy Dz Rx Ry Rz edge A - o - - - - point B o o o o o o point C - o o - - - Fig. 4 ISO design pressure Fig. 7 Boundary condition Fig. 5 LR design pressure 그리고경계조건에의한해석모델의불평형력을제거하기위해 ANSYS 에서제공하는 Inertia Relief( 강체거동제거 ) 기능을사용하였다. 이것은선형정적해석에서만적용가능하고, 외부에서가해진힘과토크가가속도장에서유도된관성력과균형을이루어야하는원리로 ANSYS 에서는 3차원해석의경우 inertia relief 외의추가적인경계조건은 6개이하로제한사용되고있다. 2.5 구조해석결과 Fig. 6 KR design pressure 2.4 경계조건일반적으로선박에대한전선구조해석을수행하기위해서는구조모델링된정보에자유도에대한구속여부를지정하고, 외부에서가해지는하중을적용한다. 경계조건은구속에의한응력이 세가지규정에서산출한설계하중을적용하여해석을수행한결과를 Table 7과 Fig. 8에나타내었다. 최대응력과최대변형량의경우 ISO > LR > KR 의순서인결과를얻었고, ISO 설계압력을적용할때 von Mises 등가응력 ( 요소평균 ) 값의경우선저판과선체내부늑골이만나는곳에서 42.4MPa 의최대값을나타냈다. 재료의인장강도인 170MPa 의약 25% 에불과해구조적으로안전하다고평가할수있다. 또한변위의최대값은 26.14mm 로 cabin room 의지붕에서크게발생하였는데이는 cabin 을지지하는기둥이반영되지않은결과로판단된다. 또한세가지규정에의한충격하중의적용결과발생한최대응력, 최대변형량, 보강재의축력, 전단력, 굽힘모멘트의크기는 Table 7에나타낸바와같이 ISO > LR > KR 의순서로나타났다. JSNAK, Vol. 53, No. 2, April 2016 111
20피트급 파워보트의 구조강도 평가 및 최적화 ISO 12215-5 LR KR equivalent stress displacement Fig. 8 Results of structural analysis depending on three different regulations Table 7 Comparison of the analysis results Max. Max. Shear Bending Force Moment [kn] [kn m] [MPa] max [mm] Max. Axial Force [kn] ISO 42.40 26.14-31.14 10.75 2.36 LR 36.00 20.98-27.39 9.04 2.43 KR 32.99 17.16-24.88 7.74 2.38 output max Classification ISO 규정에 의한 보강재에 걸리는 축력, 전단력, 굽힘모멘트 Fig. 10 Shear force 를 Fig. 9 ~ Fig. 11에 나타내었다. Fig. 9 Axial force 112 Fig. 11 Bending moment 대한조선학회논문집 제 53 권 제 2 호 2016년 4월
염재선 유재훈 3. 구조최적화 본연구에서는파워보트의중량최소화를위한최적설계를위해 ANSYS Workbench 에서제공하는 Design Exploration 기능을사용하였고, 최적화방법은 gradient 기반알고리즘으로 global search 가우수한 ASO(Adaptive Single-objective Optimization) 를사용하였다. 목적함수는파워보트의전체중량이고, 설계변수로는판재의두께와보강재의단면계수를선택하였으며, 제한조건으로항복응력에 ISO 가제안한안전계수 2를적용한사용응력을이용하였다. Table 8 Optimization result with ISO design pressure Plate Thickness [mm] Section Modulus [cm 3 ] Item initial value optimum value change [%] Keel Plate 13.71 5.94-56.67 Fore Btm Plate 10.20 8.91-12.65 Bottom Plate 8.44 4.41-47.75 Side Shell Plate 8.44 4.13-51.07 Deck Plate 7.38 3.06-58.54 Floor below main engine 150.2 0.32-99.79 Floor 101.5 0.32-99.68 Web frame 13.5 1.73-87.19 Deck girder 21.9 3.77-82.79 max. deformation [mm] 26.14 99.72 281.48 boat mass [kg] 1,245.80 514.56-58.70 max. equivalent stress [MPa] 42.40 84.68 99.72 국토해양부고시 FRP 선의구조기준 (MLTM, 2011) 에의해초기설계된부재치수는기존매트와로빙의조합으로된재료를사용했을때의치수이므로구조적으로매우안전한것으로판명되었고, 더나아가매우보수적으로설계되어있음을확인하였다. 보강재단면계수에대한최소값기준을따르지않는다면 Table 8의결과와같이인장강도가우수한새로운적층에대해판재의두께나보강재의단면계수를크게줄일수있어최적설계를통해선체중량을거의절반이하로줄일수있음을확인하였다. 4. 결론 20 피트급파워보트에대한구조강도평가및구조최적화를수행하여다음과같은결론을얻었다. 1) FRP 파워보트에대한구조강도평가방법을정립하였다. 국제표준규정 (ISO 12215-5, 2008), 로이드선급 (Special service craft, 2015), 한국선급 ( 고속경구조선규칙, 2015) 규정에서의설계압력을산출한결과선저슬래밍압력의최대값은 ISO > LR > KR 의순서로나타났고, 예상한바와같이응력과변형량은동일한순서로계산되었다. 따라서앞으로적용할규정으로는국제표준이된 ISO 규정을사용하는것이적합하다고판단된다. 2) 구조최적화의결과는다음과같다. 판재의경우기존설계값보다평균 45% 정도치수를줄일수있었고, 보강재의경우기존단면계수의 90% 를줄이더라도구조강도상문제가없었으며, 그결과선체중량은약 59% 를줄일수있었다. 일반적으로 FRP 선박에대한구조부재치수의경우선급요구치수보다많은여유를두어판재두께나보강재의단면계수를선택하므로, 본연구에서와같이최적화결과를기준으로보트제작작업의효율성등을고려한현실적인설계를통해선체중량을줄여속도개선및연료비절감에도움이되리라기대한다. 후기 본연구는 2015 년도목포대학교중형조선산업지역혁신센터 (RIC) 사업과산업통상자원부의출연금으로수행한대불산학융합지구조성사업의연구결과이며지원에감사드립니다. References International Standard, 2008. ISO 12215-5 Small craft Hull construction and scantlings Part 5: Design pressures for monohulls, design stresses, scantlings determination. Ji, S.H. Roh, J.S. Kang, S.W. Kim, H.W. & Kim, M.H., 2010. Structural Safety Evaluation of 40 Feet Sailing Yacht by Computational Structure Analysis. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 47(5), pp.703-708. Kim, B.J. Kwon, S.Y. Kim, S.C. & Lee, J.H., 2011. Comparison Study and Structural Analysis to Investigate the Design Rule and Criteria of Catamaran. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 48(6), pp.479-489. Korean Register, 2015. Rules for the classification of high speed light craft. Lloyd s Register, 2015. Rules and regulations for the classification of special service craft. MLTM, 2011. Structure standard for fiber reinforced plastic(frp) vessels. JSNAK, Vol. 53, No. 2, April 2016 113
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