선박해양구조 연구실

선박해양구조 연구실(Marine Structures Research Laboratory, MSRL)은 요트, 파워보트, 고속선박, 해군함정 및 대형 선박에 이르기까지 선박해양구조물 전반에 걸쳐 알루미늄 합금과 복합재료 등과 같은 진보된 재료의 효율적이며 최적화된 사용을 위한 응용 이론 연구 그리고 실험 연구를 수행해 오고 있다. 최근에는 탄소소재 관련 응용기술개발과 관련하여 탄소섬유 기반의 복합재료를 활용한 조선해양제품의 고부가가치화를 이루기 위한 기반 기술을 확보하고자 활발한 연구를 수행하고 있다. 본 연구실에서 보유하고 있는 연구 설비와 주요 연구 활동을 다음과 같이 소개한다.

연구 설비

연구 설비는 MSC Nastran/Patran, Marc, Digimat 등의 범용 상용 프로그램과 이들을 운영하기 위한 고성능 워크스테이션으로 구성된 전산구조해석 도구, 친환경적 제작 기법인 진공수지주입방법을 이용한 평면/곡면 형상을 가진 다양한 크기의 복합재료 구조물 제작 설비 그리고 제작된 복합재료 구조물에 대해 표준 시편으로부터 보강판에 이르기까지 강도 시험을 수행할 수 있는 시험 장비, NI(National Instrument)사의 구조응답성 계측 장비 등이 현재 갖추어져 있다. 한편, 재료역학의 기본 지식을 실습을 통해 견고하게 하기 위한 TQ TecQuipment사의 실습장비와 Virtual Experiments 프로그램을 보유하고 있다.

그림 1은 본 연구실에서 제작한 횡 하중을 받는 복합재료 보강판의 강도 시험 장비로써 최대 시험 면적 1.0m ×1.5m에 최대 분포하중 150 bar까지 가할 수 있다. 데이터 수집 장치는 National Instrument사의 LabView 소프트웨어 기반의 PXI와 SCXI 시스템을 사용하고 있으며, 보강판에 부착된 스트레인 게이지, 선형가변위치센서 그리고 로드 셀 등을 고려하여 총 24채널로 운용되고 있다. 그림 2는 국립군산대학교 기술혁신센터와 공유하고 있는 MTS사의 인장·전단·굽힘 시험 장비와 Instron사의 충격 시험 장비를 보여주고 있다.

진공수지주입식 복합재료 구조물 제작 설비는 그림 3에 보여주고 있으며, 친환경성을 강화하기 위해 집진설비, 수지자동혼합 장비 그리고 곡률을 가진 구조물과 평판 구조물을 제작하기 위한 적층 프레임 등으로 구성되어 있다.

주요 연구 활동

적층된 복합재료 구조물의 신뢰성 해석

적층된 복합재료는 뛰어난 재료 물성치, 설계 유연성, 용이한 제작성 그리고 우수한 피로 강도 등의 특성으로 인해 조선해양구조물을 비롯한 운송시스템에 있어서 중요한 공업재료로써 사용되고 있다. 하지만, 적층된 복합재료로 제작된 구조물은 다양하게 직조된 강화 섬유에 수지가 혼합된 이방성 재료란 측면과 일정 비율 수작업이 동반된, 특히 조선해양구조물, 제작 공법으로 인해 높은 재료적 변동성을 가지게 된다. 그 결과, 결정론적인 구조 응답성에 기반을 둔 보수적인 파손 기준을 활용하여 적층된 복합재료 구조물을 설계할 경우 비현실적이고 보수적인 안전여유를 갖게 된다.

본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하고자 확률론적 개념에 기반을 둔 구조 신뢰성 기법을 사용하여 향상된 정확성을 갖는 파손 기준을 제시하고, 이로부터 적층된 복합재료의 효율적인 사용에 관한 연구를 수행하였다. Level - I, Level – II 방법론과 Monte Carlo 시뮬레이션 기법 등을 사용하여 다양한 경계조건과 적층 설계안을 갖는 - 초기 파손과 최종 파손을 경험하는 - 평판 구조물에 대해서 신뢰성 해석을 수행하였다. 본 연구에서 개발된 구조 신뢰성 해석 능력을 활용하여 적층된 복합재료 구조물에 대한 기존 설계 안(EUROCOMP Design Code)의 정확성을 검증했으며, 이를 통해 경제적인 적층 복합재료의 공학적 활용에 기여했다고 판단된다.

FRP 선체의 모듈식 제작을 위한 접합 설계

FRP 복합재료를 사용하여 요트나 파워보트의 선체를 제작시 강이나 알루미늄 등으로 제작된 몰드가 필요하다. 몰드는 새로운 선체 형상이 설계될 때마다 매번 제작되며 선체 제작이 완성된 후에는 더 이상 사용되지 않아 비용적인 측면에 있어서 제작자에게 적지 않은 부담을 준다. 이러한 몰드의 사용으로 인한 비용 부담감을 줄여 FRP 복합재료를 선체에 좀 더 적극적으로 사용하게 하는 방법 중 하나는 강선 건조에서 사용하고 있는 모듈식 혹은 블록식 건조 방식을 채용하여 몰드의 필요성을 제거하거나 최소화 하는 것이다. 그림 6은 Astrom에 의해 제시된 모듈식 보트 선체 제작에 관한 내용을 보여주고 있으며, 이를 실현하기 위해서는 구조적으로 효율적인 선체 접합 설계가 매우 중요하다.

따라서, 본 연구에서는 간편하면서도 경제적인 선체 접합 기술을 개발하고자 하였다. FRP 선체 접합에 전통적으로 사용되는 step, scarf-step, scarf 접합에 대해 step 혹은 scarf와 같은 접합 단면의 제작 공정을 최소화하기 위한 ‘moulding-in’ 개념을 적용하였다. ‘moulding-in’ 개념이 적용된 상기 접합에 대해 유한요소해석과 구조강도 시험을 수행하였으며, 이로부터 얻은 결과를 ‘moulding-in’ 개념이 적용되지 않은 기존의 동일한 접합의 강도 결과와 비교하였다. 비교 결과 ‘moulding-in’ 개념이 적용된 선체 접합이 인장과 굽힘 상태에서 더 효과적임을 확인하였다. 본 연구로부터 확보된 접합 기술은 향후 모듈식 보트 제작 방법의 활성화에 기여할 것으로 기대된다.

CAE 기반의 압력선체의 최적설계

압력선체는 높은 수압을 견디며 선체내부의 운영자, 각종 전자장비 및 배터리 등을 보호하기 위해 곡률을 가진 쉘 구조물의 조합으로 설계가 이루어진다. 고전적인 설계 방법론에서는 압력선체에 사용되는 재료와 형상을 먼저 결정하고 이후에 구조 안전성을 만족하는 쉘 두께를 결정한다. 하지만 이러한 방법론은 등방성 재료를 사용한, 실린더 형상의 끝단으로부터 떨어진 부분의 선체설계에 적합한 것으로 알려져 있다. 특히, 이방성 복합재료를 사용한 압력선체의 설계와 끝단 및 끝단 부근에서의 응력 분포를 고려한 정확한 설계에서는 고전적인 설계 방법론이 가지는 한계가 분명하여 이를 보완할 유연하고 효율적인 설계 방법론이 필요하다.

본 연구에서는 CAE 기반의 최적설계 방법론을 사용하여 압력선체의 최적화된 기하학적 형상, 두께, 복합재료 적층 순서 및 각도 그리고 보강재 배치 등을 결정하였다. CAE 기반의 최적설계에서는 CAD와 유한요소모델링과 최적화 솔버가 상호 대화식으로 사용되기에 압력선체에 요구되는 구조 응답성과 최적설계 인자를 계산할 수 있다. 제시된 CAE 기반의 최적설계 방법론은 수중에서 활용되는 titanium 합금과 CFRP 복합재료를 기반으로 한 압력선체 설계 문제에 적용하였다. 레퍼런스 설계와 동일한 좌굴 압력과 내부공간 용적을 갖는 압력선체에 대해 최적화된 타원형상과 중량 절감, 최적화된 복합재료의 적층 순서 및 각도 그리고 최적화된 보강재 배치 등에 관한 결과를 도출하였다. 본 연구로부터 확보된 기술은 다양한 수중 깊이에서 운용되는 유·무인 잠수정의 압력선체 설계에 활용될 것으로 기대된다.

FRP 보강판의 구조강도 평가

FRP재료를 사용한 보강판 구조물에 대한 기존의 구조 설계 결과물을 보완하고 신뢰성을 높이기 위해서는 실제 선박에 적용된 보강판 구조물을 대상으로 시험적 구조강도 평가를 수행할 필요가 있다. 특히, single skin 방식, sandwich 방식 등의 평판에 여러 보강재 단면형상을 조합한 다양한 보강판 구조물에 E-glass, S-glass, Carbon 섬유 등과 같은 강화 섬유가 선박에 따라 선택적으로 사용되면서 보강판 구조물의 시험적 구조강도 평가는 더욱 요구되고 있다. 본 연구에서는 CFRP재료로 제작된 레저선박의 선체와 동일한 재료, 적층 설계 안 그리고 제작 공법을 사용한 판 구조물에 레저선박이 운항 중 경험하는 대표적인 하중인 횡 분포 하중을 외판 면에 부가하여 하중-처짐 곡선과 변형률-하중 곡선을 얻었다. 이들 결과는 이론적인 해와 매우 제한적인 시편시험(coupon test) 결과에 기반을 둔 기존 레저선박 구조설계 규정의 적합성을 확인하고 관련 내용을 보완하는 기초자료로 활용될 것으로 기대된다.

아울러, 본 연구에서와 같이 평면응력으로 인한 인장, 횡 전단 그리고 굽힘 등의 조합 하중을 받는 판 구조물에 대한 시험 결과를 향후 축적한다면 일반화된(generalized) 하중-처짐 곡선과 변형률-하중 곡선의 도출이 가능하며, 이들은 이론적으로 유도된 해당 곡선들의 정확성을 점검하고 궁극적으로는 레저선박의 구조설계를 위한 설계차트(design charts) 개발을 위해 활용될 것으로 기대된다.

향후 연구 방향

본 연구실에서는 중·소형 선박 제품 및 해군 함정의 구조 성능 향상을 위한 노력의 일환으로써 경량/복합재료의 효율적, 최적화된 사용을 위한 응용 이론/해석 연구 및 실험 연구를 지속할 계획이다. 대형 전용 화물선과 해양플랜트의 하부구조물 또한 관심의 대상이며, 경량화 및 생애주기비용 등의 측면에서 강 기반 구조물을 경량/복합재료로 대체하여 보다 향상된 성능을 갖는 구조물의 설계가 가능하도록 노력을 기울이고자 한다.