LNG 운송을 위한 멤브레인 소재의 기계적 특성에 대한 시뮬레이션 및 실험적 연구 = Simulation and experimental investigation of the mechanical properties of membrane materials for LNG transport

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

With the rapid expansion of global LNG trade and the increasing technical requirements for cryogenic storage systems, the structural safety and material performance of membrane-type LNG fuel tanks have become important research topics in marine engineering. The conventional Mark III system widely adopts 1.2-mm thick 304L stainless-steel corrugated plates, which exhibit limitations under the cryogenic temperature of−163°C, including thermal stress concentration and restricted fatigue life. To address these issues, this study investigates Invar 36 as an alternative material and develops flat and corrugated plate models with scaling parameters a = 5,10,and15, all with a thickness of 1.0 mm. Using ANSYS Mechanical, the mechanical responses under an internal pressure of 0.3 MPa and cryogenic conditions were systematically analyzed.
The study evaluates key mechanical indicators—total deformation, equivalent elastic strain, and von Mises stress—and adopts the internationally recognized UT value (σmax/σy) as the primary structural safety criterion. The results show that the Invar36 corrugated structure with a=5 exhibits the most superior performance among all models, with a maximum equivalent stress of only 58.90 MPa and a UT value of approximately 0.12, indicating an excellent safety margin far below the yield limit. Additionally, the total deformation is the smallest, demonstrating outstanding structural stability. More importantly, compared with the conventional 1.2-mm 304L corrugated plates used in the Mark III system, the 1.0-mm Invar 36 corrugated plate provides not only higher strength efficiency and superior cryogenic stability but also enables overall structural weight reduction. This improvement increases the effective storage volume of LNG and reduces fuel consumption during navigation, thereby enhancing the operational efficiency of LNG-fueled vessels.
In conclusion, this study demonstrates that the small-scale Invar 36 corrugated structure offers significant advantages in safety, material utilization, and lightweight performance. It represents a highly promising optimized design for future membrane-type LNG fuel tanks and provides a valuable theoretical basis and engineering reference for the next generation of cryogenic storage systems.

국문 초록 (Abstract)

전 세계 LNG 무역의 급속한 증가와 극저온 저장 시스템의 기술적 요구가 높아짐에 따라, 멤브레인형 LNG 연료탱크의 구조 안전성과 재료 성능은 해양공학 분야에서 중요한 연구 주제로 부상하고 있다. 기존 Mark III 시스템에서 널리 사용되는 1.2mm 두께의 304L 스테인리스강 주름판은 −163
°C 극저온 환경에서 열응력 집중, 피로수명 감소 등의 한계를 보여 미래의 대형화·고효율·저배출 설계 요구를 충분히 충족시키기 어렵다. 이러한 문제를 개선하기 위해 본 연구에서는 Invar 36(FeNi36) 재질의 적용 가능성을 검토하였으며, 두께 1.0 mm 조건에서 평판 구조와 a = 5, 10, 15의 소형 주름 구조 모델을 구축하였다. ANSYS Mechanical을 기반으로 0.3 MPa 내부압 및 극저온 조건에서의 기계적 거동을 체계적으로 분석하였다.
본 연구는 총 변형, 등가탄성변형률, 등가응력(von Mises Stress) 등의 핵심 지표를 평가하였으며, 국제 설계 기준에서 널리 활용되는 UT(활용률) 값(σmax/σy)을 구조 안전성 평가 기준으로 적용하였다. 분석 결과, Invar 36 소형 주름 구조(a = 5)는 최대 등가응력이 58.90 MPa, UT 값이 약 0.12에 불과하여 모든 모델 중 가장 우수한 성능을 보였으며, 구조적 안정성과 안전여유가 매우 우수함이 확인되었다. 또한 Mark III 시스템의 1.2 mm 304L 주름판과 비교할 때, 1.0 mm Invar 36 소형 주름판은 강도 활용 효율과 극저온 안정성이 뛰어날 뿐 아니라, 전체 구조 경량화를 가능하게 하여 LNG 저장탱크의 유효 용적 증가 및 항해 중 연료 소비 감소에도 기여할 수 있다.
결론적으로, 본 연구는 Invar 36 기반의 소형 주름 구조가 안전성, 재료 이용 효율 및 경량화 측면에서 탁월한 장점을 가지며, 차세대 멤브레인형 LNG 저장탱크의 최적 설계안으로서 높은 잠재력을 지님을 제시한다. 이는 향후 극저온 저장 구조의 엔지니어링 응용을 위한 중요한 이론적 근거와 설계 지침을 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 제1절 배경과 및 필요성 1
• 1. 연구 배경 1
• 2. 연구의 필요성 2
• 제2절 연구 목적과 내용 5
• 1. 연구 목적 5
• 2. 연구 내용 6
• 제2장 LNG 선박 이론 7
• 제1절 구형(Moss형) LNG 운반선 7
• 제2절 자립식 프리즘형(Self-supporting Prismatic Type B, SPB형) LNG 운반선 10
• 제3절 멤브레인형(Membrane형) LNG 운반선 14
• 1. Mark III형 14
• 2. NO96형 16
• 3. 종합 비교 17
• 제4절 LNG 운반선의 전형적 선형에 대한 종합 및 비교 19
• 제3장 LNG 선박의 단열 시스템 22
• 제1절 열공학적 기작과 설계 원리 22
• 제2절 단열재 및 적용 24
• 제3절 선박용 단열 시스템 설계 및 공학적 구현 26
• 제4절 공학적 사례와 성능 비교 27
• 제4장 피라미드형 인바강 멤브레인의 개발 및 연구 28
• 제1절 멤브레인 설계 28
• 제2절 실험준비 30
• 1. 실험 환경 연구 31
• 2. FEA 해석 설정 33
• 제3절 FEA 해석 결과 35
• 1. 평판 대조군 36
• 2. 소형 파형 구조 38
• 3. 중형 파형 구조 40
• 4. 대형 파형 구조 42
• 제4절 결과 분석 44
• 제5장 결론 47
• 참고문헌 49
• Abstract 57