쉘 및 솔리드 유한요소 해석이 IMO-C 독립형 액화가스 탱크 구조 건전성 평가에 미치는 영향 연구 = A Study of the Influence of Shell and Solid FEA on the ECA of IMO Type-C Gas Tanks

국문 초록 (Abstract)

기후 변화에 대응하기 위한 친환경 선박 및 탄소 포집·저장 수요가 증가함에 따라 선박 액화가스 탱크 개발 수요가 증가하고 있다. 대량 운송을 위한 구조물 대형화가 이루어져, 용접 과정에서 발생하는 결함을 완전히 배제할 수 없어 구조 건전성 평가(Engineering Critical Assessment, ECA)를 활용한 균열 심각도 분석의 중요성이 커지고 있다. 본 연구는 액체 이산화탄소 탱크의 ECA를 위해 쉘 요소 모델과 솔리드 요소 모델을 각각 제작하였으며, 그 결과를 비교 분석하였다. 특히 두 모델에서 획득한 막 응력 및 굽힘 응력 성분이 파손 평가 선도(Failure Assessment Diagram, FAD)의 평가점에 미치는 영향을 분석하였다.
쉘 요소는 판 이론에 따라 구조 해석이 수행되며, 모델링이 간편하지만, 형상 불연속이 큰 경우 보수적인 결과를 도출하는 경향이 있다. 한편, 솔리드 요소는 단면 응력 분포를 정밀하게 파악할 수 있지만 모델링이 복잡해 설계 수정이 어렵다는 단점이 있다.
연구 결과 쉘 요소를 활용하였을 경우 막 응력과 굽힘 응력 모두 솔리드 요소의 경우보다 다소 높은 값을 나타냈으며, 이는 판 두께가 얇아질수록 차이가 증가했다. 그 결과 쉘 요소를 활용한 경우 더 보수적인 안전계수를 도출할 수 있었다.
본 연구 결과는 향후 IMO C 형식 탱크의 구조적 안전성 평가 연구에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

There is an increasing demand to develop liquefied gas tanks for marine transports. As welding defects cannot be completely released, Engineering Critical Assessment (ECA) for structural integrity evaluation is becoming more important. In this study, shell‐element model and a solid‐element model of a liquid CO2 tank were developed, and their ECA results were comparatively analysed.
The study found that both membrane and bending stresses predicted by the shell‐element model were slightly higher than those from the solid‐element model, with the difference growing as plate thickness decreased. As a result, the shell‐element model produced more conservative safety factors.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 제 1 절 연구 배경 1
• 제 2 절 연구 필요성 및 목적 5
• 제 2 장 이론적 배경 8
• 제 1 절 구조 건전성 평가 8
• 1. 파손 평가 선도 8
• 2. 결함 특성 선정 13
• 3. 결함 수용성 확인 15
• 4. 피로 균열 진전 18
• 제 2 절 쉘 및 솔리드 요소 특성 21
• 1. 쉘 요소 21
• 2. 솔리드 요소 22
• 제 3 장 연구 방법 23
• 제 1 절 액화가스탱크 구조 해석 모델링 23
• 1. 적용 구조물 23
• 2. 유한 요소 해석 조건 28
• 제 2 절 구조 건전성 평가 비교 32
• 1. 응력 분포 획득 32
• 2. 응력확대계수, 참조응력 비교 33
• 3. 파손 평가 선도 분석 34
• 제 4 장 연구 결과 36
• 제 1 절 유한 요소 해석 결과 36
• 1. 구조 해석 결과 비교 36
• 제 2 절 구조 건전성 평가 결과 36
• 1. 응력 분포 결과 비교 36
• 2. 파손 평가 선도 분석 결과 38
• 제 5 장 결론 41
• 제 1 절 연구 결론 41
• 제 2 절 한계 및 향후 연구 방향 42
• 참고문헌 43
• Abstract 45