KR 웹진 154호

최근 수십년 동안 세계 무역의 발전과 선적량의 증가에 따라 컨테이너선의 규모가 커지고 있다. 결과적으로 대형 컨테이너 운반선은 항해 속도를 감소시키지 않으면서 더 많은 화물을 운송하기 위해 Bow Flare(선수

구역)와 Stern area (선미 구역)을 넓게 설계하고 있다. 그러나 큰 선수 Flare 와 선미 Stern은 슬래밍 현상의 확률과 범위를 증가시켜 슬래밍 효과를 가중시켜 위험이 증가하게 된다. 또한 슬래밍으로 인한 휘핑은 선박의 구조적 손상을 초래할 수 있으며 대형 컨테이너선에 슬래밍 압력을 받게 되면 동적 응답을 고려해야 한다.

 

비선형 응답에 대한 하중은 정적해석과는 달리 순간적으로 충격이 가해지고 사라지는 특성이 있으므로 슬래밍 해석을 수행하여 충격하중하의 구조물의 거동을 평가하여 적절한 설계가 이루어져야 한다. 소성변형에 문제가 되는 경우에는 재료의 비선형성과 변형을 고려한 비선형 동적 거동 해석을 수행하여야 한다.

본 연구는 컨테이너선의 슬래밍 해석 절차 수립하고 평가하는 목적으로 진행되었다. 슬래밍 하중 및 강도

평가를 위한 다양한 방법은 그림1에서 잘 설명되어 있다.

 

 

 

그림1. 슬래밍 하중 및 구조 강도 평가 방법

 

 

첫 번째 방법으로 선수선저 슬래밍, 선수 플래어 슬래밍 및 선미 슬래밍과 같은 충격하중에 대한 구조응답은 하중면적과 하중크기에 의존하게 된다. 슬래밍 압력은 선급 규칙을 사용하여 계산되며 구조 강도 또는 부재치수는 슬래밍 압력에 따라 계산되어진다. 두 번째 방법으로는 Eulerian – Lagrangian Method 인 Two-way coupling 방법을 사용하여 슬래밍 압력과 구조 강도를 계산하는 것이다. 이 방법은 수치해석을 하기 위해

많은 해석 시간과 비용이 요구되는 방법이다.

 

한국선급은 현재 세 번째 방법인 슬래밍 하중 압력하에서 컨테이너 운반선의 동적 응답을 계산하기 위한

연구를 수행하고 있다. 본 방법은 One-way coupling 를 사용하고 있다. 동적 슬래밍 압력은 CFD 프로그램인 STAR-CCM+를 사용하여 계산하였으며, 비선형 동적 해석은 LS-DYNA 프로그램을 사용하여 수행하였다.

동적 슬래밍 해석을 수행하는 세부 절차는 아래 그림2와 같다.

 

 

그림2. 슬래밍 해석 상세 절차

 

 

Nastran Format의 모델을 LS-DYNA Format으로 변환하여 비선형 해석을 진행하였으며, STAR-CCM+ 프로그램에서 계산된 슬래밍 압력은 Nastran Format인 PLOAD4 형식으로 출력하여 구조 모델의 하중으로 사용하게 되는데 시간별 하중은 LS-DYNA 형식으로 변환되어 사용한다. 비선형 동적 해석의 결과로 응력, 변형률, 처짐 등과 같이 결과를 시간별로 출력하고 항복 및 좌굴 기준을 평가하는데 사용된다.

 

그림3 (a) (b)는 각각 CFD 해석에서 출력된 특정 시간대의 압력하중을 구조 모델에 맵핑한 예를 보여주고

있으며, 특정 시간대 슬래밍 압력에 의한 요소의 응력를 보여주고 있다.

 

 

 

(a)특정 시간에 Side shell 요소에 맵핑된 슬래밍 압력

 

 

(b)특정 시간에 슬래밍 압력으로 인한 요소의 응력 응답

 

 

슬래밍 하중의 수치적 예측과 유한 요소 해석 방법을 결합하여 Bow, Flare 구조물의 동적 응답을 본 연구에서는 계산하였다. 본 해석 절차는 슬래밍 하중에 의해 선박의 실제 구조 거동을 정확하게 예측할 수 있게 되었고, 평가 방법을 명확하게 하기 위해서 많은 연구가 진행 중에 있다.

 

본 연구를 통해 개발된 절차는 다양한 조선 공학 분야에서 유용하게 사용될 것이며, 슬래밍에 대한 설계에

도움이 될 것으로 기대된다.