선박 블럭 탑재용 러그 구조 최적화 연구
민덕기1․ 엄성민1,†
현대미포조선1
A Study on the Optimization of Lifting Lug for Block Erection
Dug-Ki Min ․ Sung-Min Eum
1,†HYUNDAI MIPO Dockyard Co.,Ltd.
1Abstract
In general, a number of lifting lugs have been used in shipbuilding industry and the D-type lugs are mainly used. The aim of this paper is to increase the cycle of the use and to reduce the size of lifting lugs to introduce lightweight shackle. In this study, nonlinear elasto-plastic analysis has been performed to confirm the ultimate strength of lifting lugs. In order to evaluate the proper design-load distribution around lug eye, the contact force between lifting lug and shackle pin has been realized by gab element model. Gap element modeling and nonlinear analysis are carried out using the finite element program MSC/PATRAN & ABQUS. Additionally the ultimate strength tests were performed to verify the structural adequacy of newly designed lifting lug and to insure safety of it. The D-10, 15, 20
& 40 ton models which are mainly used in the block erection are selected in the strength test. According to the results of the analysis and strength test, the ultimate strength of the newly designed lifting lugs has been estimated to exceed 3 times of design working load.
Keywords : Lifting lug(탑재용 러그), Gap element(갭 요소), Recovering use(재사용), Nonlinear elasto-plastic analysis(비선형 탄소성해석), Ultimate strength(최종강도)
1. 서 론
선박건조에 사용하는 탑재용 러그(lifting lug) 중 D형이 사용 빈도가 가장 높으며 건조 공정에 따라 10톤 ~ 60톤 러그를 주로 사용하고 있다. 구형 D 러그의 경우 재생 빈도가 낮은 반면 중량 이 무거워 작업자의 운반 설치가 힘들며, 새로 적용되는 경량화 된 신형 샤클과의 간섭현상으로 인해 적용이 불가능 하였다. 따 라서, 러그의 재생 빈도를 높여 생산성을 향상시키고 신형 샤클 의 적용 및 작업자의 근골격계 문제의 예방을 위하여 신형 D형 러그를 개발하였다.
일반적으로 탑재용 러그(lifting lug)는 러그 홀 주변에 강성을 증대시키기 위한 목적으로 덧판이 설치되고, 면외 하중에 대한 전도방지를 위해 side bracket이 설치되어있는 구조이다.
면내 하중만이 작용할 경우는 러그 홀 내부에 샤클 핀이 접촉 되어 하중이 러그 본체 및 덧판에 균일하게 전달된다, 그러나, 면 외 하중이 작용할 경우는 샤클 핀이 덧판에 먼저 접촉하여 덧판 이 일정부분 하중을 받아 변형이 발생한 후 샤클 핀이 러그 본체와 접촉하여 하중을 전달하게 되는 복잡한 메카니즘를 가지게 된다.
따라서, 정확한 구조해석을 수행하기 위해서는 고전적인 수치 계산이나 러그 본체의 하중 감당 능력의 상당한 부분을 담당하고
있는 덧판을 생략하거나, 덧판 부분에 대하여 러그 본체 두께를 증가시키는 2차원적 구조해석 방법으로는 정확한 해를 찾기가 어 렵다. 본 연구에서는 위의 사항을 고려하여 3-D solid element modeling을 실시하였으며, 기하학적, 재료적인 비선형 항을 포함 한 비선형 탄소성 해석 기법(nonlinear elasto-plastic analysis)을 이용한 최종강도(ultimate strength) 해석을 통해 신형 D형 러그 를 설계하였으며 설계된 러그의 구조 안전성을 검토하기 위해 사 용 횟수가 많은 D-10, 15, 20 & 40 톤 러그에 대해 구조시험을 병행하였다.
2. 러그 설계
일반적으로 탑재용 러그는 홀 주변 강도를 증가 시키기 위해 덧판이 설치되고, 러그 본체의 두께는 샤클핀(shackle pin)의 직 경과 side force의 최대 작용각에 의해 결정된다. Side force의 경사각은 조선소의의 설비를 고려하여 책정된 기준인 최대 15°로 제한하였다. 경량화된 샤클을 기존 러그에 사용할 경우 간섭현상 이 발생된다. 이러한 간섭현상을 피하기 위해 전체적인 크기는 감소 시키고 위의 사항을 고려하여 러그 본체 및 덧판 두께를 증 가시켜 강도를 유지하도록 설계하였다.
3. 러그 최종강도 해석
D-10~80톤 총 8개의 형태에 대해 수치해석을 수행하였으며, 본 논문에서는 가장 빈번히 사용 되는 D-10, 20 & 50 톤 해석 결과를 요약하였다.
3.1 재료의 물성치
리프팅 러그에 사용되는 재료는 일반적인 연강을 기준으로 하 였고 재료 물성치는 아래의 Table 1과 같다.
Table 1 Material properties
Shackle & Pin Lug & Double plate
Material Alloy Steel, Grade 8
Quenched and Tempered Mild Steel Elastic modulus 210,000 N/mm
2210000 N/mm
2Yield Stress 1,500 N/mm
2235 N/mm
2Poisson's Ratio 0.3 0.3
Strain hardening Perfect Plasticity, yield＝235 N/mm
23.2 해석 모델
유한요소 모델링은 탑재 시 발생하는 측면 접촉현상을 효과 적으로 고려하기 위하여 샤클 핀과 러그의 덧판을 모델링에 포 함하였다. 모델의 요소는 3-D solid element를 사용하였다
3.3 하중과 경계조건
가장 큰 하중이 작용하는 45° 면내, 15° 면외를 하중방향으 로 선택하였으며 하중의 작용은 샤클 핀에 MPC요소를 이용하 여 강체 요소를 연결한 후 샤클 끝단 중심부에서 하중을 강제 변위로 작용하도록 구현하였다. 경계조건의 경우 극한상태를 가정하여 단순히 러그 하부의 모든 절점의 자유도를 완전히 구 속하여 강체와 같이 매우 큰 강성의 물체에 매달린 상태로 가 정하였다. 절단 후의 재사용 상태에 대해서도 구조 검토가 필 요하므로 D-20 & 50 형의 2가지 형태에 국한하여 해석을 실 시하였다.
러그 구조해석에 있어 가장 중요한 부분은 접촉면의 정의이 다. 접촉면은 master와 slave면으로 구성되어 있으며, master 면은 하중을 전달하는 부분으로 샤클 핀이 그 역할을 한다. 그 리고 slave 면은 master 면과 접촉하는 부분으로 master 면에
의한 변형이 발생하는 부분이다. Fig. 1 Applied boundary condition and load
Fig. 2 Gap element model between lug-eye and shackle pin
3.4 해석 결과
변위 증분법을 이용 해석을 실시하였으며 하중의 작용점인 샤 클 핀 끝단의 변위 하중 곡선를 이용하여 최종강도를 구했으며 아래의 Fig. 3~4에서 D-20 & 50 결과를 보여주고 있다.
(a) Force-displace curve
(b) Equivalent stress distribution under 22.0 ton load
(c) Equivalent stress distribution under 71.2 ton load (ultimate load)
Fig. 3 Analysis results of D-20 ton Lug
(a) Force-displace curve
(b) Equivalent stress distribution under 57.0 ton load
(c) Equivalent stress distribution under 189.2 ton load (ultimate load)
Fig. 4 Analysis results of D-50 ton Lug
신형의 안전성 검토를 위해 구형 러그도 동일한 방법으로 해석 을 실시하였으며 러그 종류 별 해석결과는 아래의 Table 2과 같다.
Table 2 Analysis results of ultimate strength for old & new model
Model Reuse
cycle
New design Disp.
(mm)
Ultimate strength
Safety factor
D-10 - 29.7 38.5 3.85
D-20 - 33.8 71.2 3.56
3 33.7 71.2 3.56
D-50 - 37.7 189.2 3.78
2 37.5 189.0 3.78
Model Reuse
cycle
Old design Disp.
(mm)
Ultimate strength
Safety factor
D-10 - 31.6 38.9 3.89
D-20 - 35.1 99.5 3.94
3 - - -
D-50 - 38.5 172.1 3.44
2 - - -
4. 구조 실험
4.1 실험 모델 및 조건
실험대상은 가장 많이 사용되는 D형 10톤, 15톤, 20톤, 40톤 용량의 러그로 하였으며 실험 모델 및 변위계 & 스트레인 게이지 위치는 아래와 같다.
실험순서는 먼저 사용 용량 하 에서의 응력을 계측하기 위해 약 2~5톤 단위로 사용 용량까지 하중을 증감하며 정적 시험을 수행하였다. 그 다음으로 안전율을 검토하기 위해 각 러그의 정 상 사용하중에서 3회 반복시험 후에 하중을 배수로 단계적으로 증가시키며 마지막으로 러그가 파단 시 까지 또는 정적 유압 하
Fig. 5 Test model of D-lug, Jig, displacement meter and strain gage
Table 3 Test condition
Type Model No. Cutting No./
Cutting area [mm]
Test condition dir. [Deg.]
Test load [Ton
f]
Out In
D-10
D-10-01 -/0mm 35
90 10
*20 30 40 50 60 64
D-10-02 -/0mm 15
D-10-2 2/40mm 15
D-15 D-15-0 -/0mm 15
90 15
*30 45 60 64 - -
D-15-2 2/40mm 15
D-20
D-20-01 -/0mm 35
90
20
*40 60 64 - - -
D-20-02 -/0mm 15 20
*40 60 64 - - -
D-20-03 -/0mm 15 20
*- - - - - -
D-20-1 1/20mm 15 20
*- - - - - -
D-20-2 2/40mm 15 20
*- - - - - -
D-20-3 3/60mm 15 20
*40 60 64 - - -
D-40 D-40-0 -/0mm 15
90 40
*60 64 - - - -
D-40-3 3/60mm 15
* 정상 사용하중으로 3번 반복 실험
** 35도 경사각을 가진 10톤, 20톤 용량의 러그에 부착된 브라켓은 15도 경사각을 가진 러그의 브라켓과 상이함.
Table 4 Lug hole diameter and residual strain of lug hole
type Test model Hole Dia. Residual strain of Lug hole
Test load 10ton
*20ton 30ton 40ton 50ton 60ton 64ton
D-10
D-10-01 59.0 0.1 0.9 1.8 3.7 4.8 - -
D-10-02 59.5 0.3 0.3 1.0 1.8 2.5 2.9 3.5
D-10-2 59.4 0.4 0.4 0.9 1.3 2.3 3.2 3.6
Test load 15ton
*30ton 45ton 60ton 64ton
D-15 D-15-0 59.5 0.0 0.3 0.7 1.1 1.4
D-15-2 60.0 0.3 0.5 1.1 2.3 2.3
Test load 20ton
*40ton 60ton 64ton
D-20
D-20-01 60.1 0.6 2.4 4.5 -
D-20-02 60.0 0.0 0.2 0.6 0.9
D-20-03 60.1 0.2 - - -
D-20-1 60.3 0.4 - - -
D-20-2 60.7 0.0 - - -
D-20-3 60.7 0.2 0.3 0.5 0.6
Test load 40ton
*60ton 64ton
D-40 D-40-0 72.2 0.5 0.8 1.4
D-40-3 72.0 0.1 1.0 1.1
중기의 최대 사용가능 인장하중인 약 64톤 까지 정적 인장하중을 가하였다. 각각의 하중단계에서 30분 동안 그 하중상태를 유지한 후 다음 단계로 진행하였다. 실험 대상 러그에 대한 사양 및 실험 조건을 Table 3에 정리하였다.
4.2 실험 결과
(1) 러그 홀(Hole) 잔류변형
각 하중 단계마다 홀 양쪽에서의 하중방향 직경을 측정하였고, 변형량은 샤클 핀 헤드가 접촉되는 앞쪽이 약간 더 큰 값을 나타 내었다. 실험전 홀 직경과 큰 값을 기준한 홀 직경의 잔류 변형량 을 Table 4와 Fig. 6에 나타내었다.
(2) 러그 횡방향 변형 Fig. 6 Residual strain of lug hole
Table 5 Max. deformation and residual strain of out-of plane
type Test model Lug deformation of out-of plane
Test load 10ton
*20ton 30ton 40ton 50ton 60ton 64ton
D-10
D-10-01 Max.deform 0.15 0.51 1.84 3.35 5.05 - -
Res.strain 0.01 0.12 1.22 3.3 4.8 - -
D-10-02 Max.deform 0.49 0.62 2.77 2.90 3.97 6.34 6.95
Res.strain 0.07 0.18 1.05 2.39 3.90 5.51 6.00
D-10-2 Max.deform 0.28 0.45 0.98 1.01 2.59 3.04 3.95
Res.strain 0.08 0.18 0.61 0.96 2.05 2.95 3.80
Test load 15ton
*30ton 45ton 60ton 64ton
D-15
D-15-0 Max.deform 0.30 0.49 1.03 1.04 1.55
Res.strain 0.04 0.11 0.41 0.86 1.51
D-15-2 Max.deform 0.20 0.40 0.90 1.50 1.84
Res.strain 0.01 0.11 0.51 1.50 1.80
Test load 20ton
*40ton 60ton 64ton
D-20
D-20-01 Max.deform 1.80 13.7 19.5 -
Res.strain 0.60 11.9 19.5 -
D-20-02 Max.deform 0.75 2.66 3.43 3.35
Res.strain 0.16 0.96 2.58 288
D-20-3 Max.deform 0.68 1.25 2.83 3.05
Res.strain 0.04 0.23 1.59 2.94
Test load 40ton
*60ton 64ton
D-40
D-40-0 Max.deform 0.86 1.25 1.24
Res.strain 0.11 0.26 0.34
D-40-3 Max.deform 0.49 0.75 0.67
Res.strain 0.10 0.19 0.21
Fig. 7 Max. deformation of lug of out-of plane
면외 경사각 15° 및 35° 방향으로 인장하중을 작용시켰을 때 의 러그의 횡방향 최대 변형량과 횡방향 잔류 변형량을 Table 5 와 Fig. 7~8에 나타내었다.
(3) 응력상태
Fig. 8 Residual strain of out-of plane
3축 게이지로부터 러그 표면에서 계측한 변형률 값을 Pseudo 탄성응력으로 변환(E＝206,000MPa)한 값으로 탄성영역에서 유 효하다. 정상적인 사용 용량의 두배 이상에서는 게이지의 최대값 들이 큰 소성값을 보여 여기서는 제외하였다. Fig. 9에 정상 사용 하중까지의 하중 증감에 따른 주응력의 분포를 나타내었다.
Table 6 Test results of principal stress under design load
Type Test model Load Max. principal stress Min. principal stress Max. shear stress
[MPa] Location [MPa] Location [MPa] Location
D-10
D-10-01 10ton 306 Gage A -252 Gage A 467 Gage A
D-10-02 10ton 220 Gage A -154 Gage B 280 Gage A
D-10-2 10ton 200 Gage A -113 Gage B 273 Gage A
D-15 D-15-0 15ton 237 Gage A -97 Gage A 334 Gage A
D-15-2 15ton 214 Gage A -127 Gage A 341 Gage A
D-20
D-20-01 20ton 462 Gage A -364 Gage A 600 Gage A
D-20-02 20ton 228 Gage A -125 Gage A 353 Gage A
D-20-03 20ton 212 Gage A -208 Gage B 276 Gage A
D-20-1 20ton 229 Gage A -152 Gage B 324 Gage A
D-20-2 20ton 226 Gage A -146 Gage B 316 Gage A
D-20-3 20ton 191 Gage A -154 Gage B 260 Gage A
D-40 D-40-0 40ton 152 Gage A -88 Gage B 182 Gage A
D-40-3 40ton 95 Gage A -102 Gage B 139 Gage B
Fig. 9 Principal stress under design load
사용용량 하에서의 최대 주응력 및 최소 주응력과 최대 전단응 력 값을 아래 Table 6에 정리하였다.
5. 결 론
선박블록 탑재용 러그에서 사용률이 높은 D-type lug를 경량 화된 구조로 재 설계하기 위해 비선형탄소성 해석을 수행하였고 안전성 검토를 위해 구조실험을 실시하였다.
(1) 비선형탄소성 해석
설계 기준은 안전률 3.0 이상을 기준으로 하였고, 이의 기준을 만족하는 형태로 설계를 완료하였다. 해석 결과와 실험결과를 비 교하면 1.5배(D-10) 이상의 차가 나는 것으로 나타났는데 이는 해석 시 연강에 대한 변형도 경화 모델(strain hardening model)
을 Perfect Plasticity, 항복응력＝235 N/mm2로 보수적으로 책정 하였다는 점과 실제 실험 상태에서 발생하는 접촉 현상을 해석 시 동일하게 구현 하지 못 한 점이 그 원인으로 파악된다.
(2) 구조 실험
면내 경사각 90° 및 면외 경사각 15° 하중실험
1) 러그 신규품과 최종 재생품과의 홀 변형 비교에서 상호간의 차이는 대략 1.0mm 정도 이내로 큰 차이가 없었다. 샤클핀과 접 촉하는 러그 홀 부위의 변형은 면외 경사각 15도 에서는 안전율 3.0까지 모두 초기 직경 대비 3% 이내에 들었다.
2) 횡 변형량은 실험러그의 정상 사용용량 하에서는 3회 반복 실험 후에도 1.0mm를 크게 초과하지 않았고 잔류변형은 무시할 수 있을 정도로 작았다. 횡변형은 재생품에서 러그 높이가 낮아 지므로 전체적으로 약간 작은 값이 나왔다. 안전율 3.0에서 잔류 변형값은 약 2.6mm 이하였다.
3) 실험에 사용한 하중기의 최대하중(64톤)을 유지하여도 크 리이프(Creep) 현상은 나타나지 않았고 러그는 최종강도 상태에 도달하지 않았다. 실험 후 육안검사를 실시하였으나 심각한 손상 이 발견되지 않았고 러그 본체와 측면 브라켓 사이의 용접부에서 도 균열이 관측되지 않았다.
4) 정상 사용 용량 하에서는 최대 주응력은 항복응력 이하였고 하중과의 관계가 거의 선형임을 알 수 있었다. 재생을 위하여 러 그 본체를 절단한 재생 사용품의 경우가 신규품에 비해 응력이 감소하였다.
면내 경사각 90° 및 면외 경사각 35° 하중실험
5) 면외 경사각 35도가 15도에 비해 홀 변형이 크게 증가하였 고 기준치(초기직경의 3%)를 많이 초과하였다.
6) 횡 변형도 15도에 비해 급격히 변형이 증가하였으며 횡하 중 성분으로 인하여 최종강도는 크게 떨어질 것으로 예상된다.
20톤 러그는 40톤(사용 용량의 2배)에서 그리고 10톤 러그는 40 톤(사용 용량의 4배)에서 러그 본체와 측면 브라켓 상부 사이의 용접부에서 크랙이 관측되었다.
전체적으로, 실험 러그에 대해서는 러그 홀 변형, 횡방향 변 형, 용접부 상태 등을 종합적으로 검토한 결과, 90도 면내 경사 각 및 15도 면외 경사각을 기준으로 10톤, 15톤, 20톤 러그는 3.0 이상의 안전율 그리고 40톤 러그는 1.5 이상의 안전율을 갖 고 있는 것으로 나타났다. 그리고 실제 현장에서 사용 시 면외 경 사각은 15도 이내로 제한해야 할 것으로 판단된다.
참 고 문 헌
Juh-Hyeok Ham, A Study for Rationalization of Lifting Lug Design of Ship Block, Journal of Ocean Engineering and Technology, Vol.11, No.4, pp.249~261, Nov. 1997.
Sang-il Kim, Design for Raising the Rate of Recovering use of Lifting Lug, Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Vol.40, No.4, pp.59-65, August 2003.
MSC, “NASTRAN Reference Manual”
ABAQUS “Analysis User’s Manual”
민 덕 기 엄 성 민
