내 내충 충 충격 격 격 응 응 응답 답 답해 해 해석 석 석

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공학학학석석석사사사 학학학위위위논논논문문문

L L

LN N NG G G선 선 선 화 화 화물 물 물창 창 창 단 단 단열 열 열시 시 시스 스 스템 템 템의 의 의 수 수 수면 면 면낙 낙 낙하 하 하 내

내 내충 충 충격 격 격 응 응 응답 답 답해 해 해석 석 석

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지 지

지도도도교교교수수수 이이이 상상상 갑갑갑

222000000888년년년 888월월월 한

한한국국국해해해양양양대대대학학학교교교 대대대학학학원원원 조

조선선선해해해양양양시시시스스스템템템공공공학학학과과과 황

황 정정정 오오오

(3)

본본 논논논문문문을을을 황황황 정정정오오오의의의 공공공학학학석석석사사사 학학학위위위논논논문문문으으으로로로 인인인준준준함함함...

위위원원원장장장 :::공공공학학학박박박사사사 현현현 범범범수수수 (((인인인)))

위위 원원원 :::공공공학학학박박박사사사 박박박 석석석주주주 (((인인인)))

위위 원원원 :::공공공학학학박박박사사사 이이이 상상상갑갑갑 (((인인인)))

2

22000000888년년년 888월월월 한한한국국국해해해양양양대대대학학학교교교 대대대학학학원원원 조조조선선선해해해양양양시시시스스스템템템공공공학학학과과과 황황황 정정정오오오

(4)

목 목

목 차 차 차

목 차 ···ⅰ ListofTables···ⅱ ListofFigures···ⅲ Abstract···ⅶ

1.서 론 ···1

2.화물창 단열시스템의 수면낙하 내충격 응답해석 모델링 ···4

2.1구조 시편 유한요소 모델링 ···6

2.2유체 유한요소 모델링 ···11

2.3구조 시편 물성치 및 낙하속도 ···15

3.화물창 단열시스템의 수면낙하 내충격 응답해석 ···17

3.1유체요소 모델링에 따른 영향 분석 ···17

3.2수면낙하 내충격 응답해석 결과와 실험 결과의 비교 ···19

3.3시편 중량의 내충격 구조 응답거동에 미치는 영향 ···22

3.4낙하높이의 내충격 구조 응답거동에 미치는 영향 ···24

3.5입수각도의 내충격 구조 응답거동에 미치는 여향 ···27

3.6Corrugation의 내충격 구조 응답거동에 미치는 여향 ···30

4.결 론 ···33

참고 문헌 ···35

부록 :실험과 시뮬레이션의 압력 및 변형률 비교 ···36

감사의 글 ···97

(5)

L L

Li i is s st t to o of f fT T Ta a ab b bl l le e es s s

Table1.1Scenariosofwetdroptestandsimulation ···2 Table2.1ScenariosofWetDroptestandsimulation···7 Table2.2FiniteelementsizeofEuleriandomainnearspecimenand

freesurface···14 Table2.3FiniteelementnumberofEuleriandomain···15 Table2.4Materialpropertiesofspecimen···15 Table3.1Comparisonoftest/simulationpressureimpulseresults

(unit:bar-sec)···18 Table3.2Comparisonoftest/simulationpeakstrain(unit:10-4)···18 Table3.3Comparisonoftest/simulationpressureimpulseresults

(unit:bar-sec)···20 Table3.4Comparisonoftest/simulationpeakstrain(unit:10-4)···21 Table3.5Simulationpeakstrain(unit:10-4)···21 Table3.6 Weighteffectoftest/simulationpressureimpulseresults

(unit:bar-sec)···22 Table3.7Weighteffectofsimulationpeakstrain(unit:10-4)···22 Table3.8Dropheighteffectoftest/simulationpressureimpulseresults

(unit:bar-sec)···25 Table3.9Dropheighteffectofteststrainpeakresults(unit:10-4)···26 Table3.10Dropheighteffectofsimulationstrainpeakresults

(unit:10-4)···26 Table3.11Incidentangleeffectoftestandsimulationpressure

impulseresults(unit:bar-sec)···28 Table3.12 Incidentangleeffectofsimulationstrainpeak

results(unit:bar-sec)···29 Table3.13 Corrugateeffectontestandsimulationpressure

impulseresults(unit:bar-sec)···31 Table3.14 Corrugationeffectonsimulationstrainpeakresults

(unit:bar-sec)···32

(6)

L L Li i is s st t to o of f ff f fi i ig g gu u ur r re e es s s

Fig.1.1Schematicdiagram ofmeasuringgauges···2

Fig.2.1Schematicview ofWetDropTestrig···4

Fig.2.2Schematicview ofCargoContainmentSystem specimenandzig····5

Fig.2.3CargoContainmentSystem ofR-PUF,Triplex, plywoodandmastic···5

Fig.2.4Fabricationofspecimens···5

Fig.2.5Configurationof3D finiteelementspecimenmodel···6

Fig.2.6Configurationof3D finiteelementheavyspecimenmodel···7

Fig.2.7Pressuregaugelocationsonmembrane···8

Fig.2.8Straingaugelocationsonplywoodandmastic···9

Fig.2.9Finiteelementconfigurationofstraingaugelocations onplywood& mastic···9

Fig.2.10Meshconfigurationofstraingaugelocations onplywood(unit:mm)···10

Fig.2.11Finiteelementconfigurationofpressuregaugelocations onmembrane···10

Fig.2.12Meshconfigurationofpressuregaugelocations oncorrugationmembrane···10

Fig.2.13FiniteelementconfigurationofEuleriandomain:5& 20mm ···11

Fig.2.14FiniteelementconfigurationofEuleriandomain:5mm···12

Fig.2.15FiniteelementconfigurationofEuleriandomain:10mm ···12

Fig.2.16FiniteelementconfigurationofEuleriandomain:20mm ···13

Fig.2.17FiniteelementconfigurationofEuleriandomain:30mm ···14

Fig.3.1Deformationconfigurationoninnerhullandplywood atmaximum impactpressure(scalefactor:10)···23

Fig.A.1Comparisonoftest/simulationpressureresponses :corrugationmembraneheavy0D2M ···37

Fig.A.2Comparisonoftest/simulationpressureresponses :corrugationmembraneheavy0D3M ···38

(7)

Fig.A.3Comparisonoftest/simulationpressureresponses

:corrugationmembranelight0D2M ···39 Fig.A.4Comparisonoftest/simulationpressureresponses

:corrugationmembranelight0D3M ···40 Fig.A.5Comparisonoftest/simulationpressureresponses

:corrugationmembranelight0D4M ···41 Fig.A.6Comparisonoftest/simulationpressureresponses

:corrugationmembranelight4D2M ···42 Fig.A.7Comparisonoftest/simulationpressureresponses

:corrugationmembranelight4D3M ···43 Fig.A.8Comparisonoftest/simulationpressureresponses

:corrugationmembranelight4D4M ···44 Fig.A.9Comparisonoftest/simulationpressureresponses

:corrugationmembranelight8D2M ···45 Fig.A.10Comparisonoftest/simulationpressureresponses

:corrugationmembranelight8D3M ···46 Fig.A.11Comparisonoftest/simulationpressureresponses

:corrugationmembranelight8D4M ···47 Fig.A.12Comparisonoftest/simulationpressureresponses

:flatmembranelight0D2M ···48 Fig.A.13Comparisonoftest/simulationpressureresponses

:flatmembranelight0D3M ···49 Fig.A.14Comparisonoftest/simulationpressureresponses

:flatmembranelight0D4M ···50 Fig.A.15Comparisonoftest/simulationpressureresponses

:flatmembranelight4D2M ···51 Fig.A.16Comparisonoftest/simulationpressureresponses

:flatmembranelight4D3M ···52 Fig.A.17Comparisonoftest/simulationpressureresponses

:flatmembranelight4D4M ···53 Fig.A.18Comparisonoftest/simulationpressureresponses

(8)

:flatmembranelight8D2M ···54 Fig.A.19Comparisonoftest/simulationpressureresponses

:flatmembranelight8D3M ···55 Fig.A.20Comparisonoftest/simulationpressureresponses

:flatmembranelight8D4M ···56 Fig.A.21Comparisonoftest/simulationstrainresponses

:corrugationmembraneheavy0D2M ···57 Fig.A.22Comparisonoftest/simulationstrainresponses

:corrugationmembraneheavy0D3M ···59 Fig.A.23Comparisonoftest/simulationstrainresponses

:corrugationmembranelight0D2M ···61 Fig.A.24Comparisonoftest/simulationstrainresponses

:corrugationmembranelight0D3M ···63 Fig.A.25Comparisonoftest/simulationstrainresponses

:corrugationmembranelight0D4M ···65 Fig.A.26Comparisonoftest/simulationstrainresponses

:corrugationmembranelight4D2M ···67 Fig.A.27Comparisonoftest/simulationstrainresponses

:corrugationmembranelight4D3M ···69 Fig.A.28Comparisonoftest/simulationstrainresponses

:corrugationmembranelight4D4M ···71 Fig.A.29Comparisonoftest/simulationstrainresponses

:corrugationmembranelight8D2M ···73 Fig.A.30Comparisonoftest/simulationstrainresponses

:corrugationmembranelight8D3M ···75 Fig.A.31Comparisonoftest/simulationstrainresponses

:corrugationmembranelight8D4M ···77 Fig.A.32Comparisonoftest/simulationstrainresponses

:flatmembranelight0D2M ···79 Fig.A.33Comparisonoftest/simulationstrainresponses

:flatmembranelight0D3M ···81

(9)

Fig.A.34Comparisonoftest/simulationstrainresponses

:flatmembranelight0D4M ···83 Fig.A.35Comparisonoftest/simulationstrainresponses

:flatmembranelight4D2M ···85 Fig.A.36Comparisonoftest/simulationstrainresponses

:flatmembranelight4D3M ···87 Fig.A.37Comparisonoftest/simulationstrainresponses

:flatmembranelight4D4M ···89 Fig.A.38Comparisonoftest/simulationstrainresponses

:flatmembranelight8D2M ···91 Fig.A.39Comparisonoftest/simulationstrainresponses

:flatmembranelight8D3M ···93 Fig.A.40Comparisonoftest/simulationstrainresponses

:flatmembranelight8D4M ···95

(10)

W W

WeeetttDDDrrrooopppIIImmmpppaaaccctttRRReeessspppooonnnssseeeAAAnnnaaalllyyysssiiisssooofff C

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A A

Abbbssstttrrraaacccttt

While the safety assessment of cargo containment system(CCS) in membrane type LNG carriers has to be carried out in consideration of sloshing impact pressure, it is very difficult to figure out its dynamic response behavior due to its very complex structural arrangements/materials and complicated phenomena of sloshing impact loading. For the development of its original technique, it is necessary to understand the characteristics of dynamic response behavior of CCS structure under sloshing impact pressure.

In this study, for the exact understanding of dynamic response behavior of CCS structure in Mark III type LNG carriers under sloshing impact pressure, its wet drop impact response analyses were carried out by using Fluid-Structure Interaction(FSI) technique of LS-DYNA code. The wet drop impact response analyses were validated through a series of wet drop experiments for the enhancement of shock response analysis technique accuracy. It might be thought that the structural response behaviors of shock response analysis, such as impact pressure impulses and resulted strain histories, generally showed very good agreement with experimental ones very appropriately by using fluid-structure interaction analysis technique of LS-DYNA code, finite element modeling and nonlinear material properties of CCS structure, modeling and equation of state(EOS) of fluid domain. Through this study, the characteristics of structural shock response behavior of CCS structure could be also sufficiently figured out by careful examinations of the effects of specimen weight, drop height, incident angle and corrugation on the shock response behaviors.

(11)

1 1 1. . .서 서 서 론 론 론

LNG(Liquified NaturalGas)운반선의 화물창 단열시스템(Cargo Containment System ;CCS)은 LNG 운반선 건조에 있어 가장 중요한 부위로서 슬로싱 (sloshing)유체충격력 등의 각종 동적효과를 고려하여 설계 및 평가가 수행되어 야 한다.LNG 운반선 화물창 단열시스템은 그 특성상 매우 복잡한 구조배치와 재질로 구성되어 있으며,이에 작용하는 유체충격력 또한 그 현상의 복잡성으로 인하여 화물창 단열시스템의 동적응답거동(dynamic response behavior)을 정확 히 파악하는 것 또한 매우 어렵다[1].

본 화물창 단열시스템의 특허권 보유업체(GTT)에 대한 특허 로열티의 지급에 따른 외화 손실과 기술자료 미공개로 인하여 지속적인 논문을 통한 기술 자립이 필요하다.현재 국내외적으로 이에 대한 논문이 활발히 수행되고 있으나 대부분 의 논문결과는 미공개로 진행되고 있다.LNG 운반선의 화물창 단열시스템의 원 천기술 개발을 위해서는 유체충격력에 의한 화물창 단열시스템 구조의 동적응답 거동 특성을 정확히 파악하고 실선 유탄성(full-scale ship hydroelastic)슬로싱 내충격 응답해석(shockresponseanalysis)의 수행을 위한 정보를 다양하게 도출 하는 것이 필요하다[2].

최근 전산기 환경의 급속한 발전과 함께 LS-DYNA3D[3]등의 고도의 수치해 석 시뮬레이션 도구를 통하여 다양한 분야의 내충격 실험과 대등한 유용성을 갖 는 내충격 응답해석 기술 개발이 국내외적으로 활발히 진행되고 있다.특히 이러 한 시뮬레이션 도구를 이용한 유체-구조 연성(Fluid-StructureInteraction;FSI) 문제의 수치해석 기법도 최근에 크게 발전하였다[4].내충격 응답해석을 통한 대 상 구조물의 다양한 설계변경에 따른 동적응답거동 특성을 보다 정확히 파악하 기 위해서는 내충격 실험을 통한 검증을 수행하는 것이 바람직하다[5,6].

본 논문에서는 슬로싱 유체충격력에 의한 LNG 운반선 화물창 단열시스템 구 조의 동적응답거동 특성을 보다 정확히 파악하기 위해 explicit hyrdocode LS-DYNA3D의 유체-구조 연성 해석기법을 사용하여 화물창 단열시스템 구조 의 수면낙하(wetdrop)내충격 응답해석 기술을 개발하고자 하였다.본 논문의 주요 내용은 현재 전 세계적으로 LNG 운반선의 수주 및 건조를 독점하고 있음 에도 불구하고 내충격 구조 응답거동 특성에 대한 상세자료가 확보되지 않은 화물창 단열시스템 구조의 내충격 응답해석을 수행하여 내충격 구조강도를 평가 하였다.이를 위하여 내충격 응답해석 기술의 정도를 높이기 위해 부산대학교 유 체충격시험동(WetDropTestLaboratory)에서 수행된 일련의 수면낙하 실험 결

(12)

과를 이용하여 검증하였고,화물창 단열시스템의 재료 비선형 물성치와 구조적 특성을 정밀하게 고려하였다.

본 논문의 내충격 응답해석의 검증에 사용된 정보들은 Fig.1.1에서와 같은 화 물창 단열시스템 구조 시편(specimen)의 수면낙하 실험에서 얻어진 membrane (stainless1.2mm)표면의 3점에서의 충격압력 역적(impactpressureimpulse)과 bottom plywood및 mastic의 각각 10점과 2점에서의 변형률(strain)에 대한 자료 들이다.그리고 화물창 단열시스템 구조 시편의 수면낙하 실험과 시뮬레이션은 Table1.1에서와 같이 수행되었다.

Fig. 1.1 Schematic diagram of measuring gauges

Table 1.1 Scenarios of wet drop test and simulation

Items

Model

Incident angle(degree) Drop height(m) (Velocity:m/sec)

0 4 8 2

(5.80) 3 (7.17)

4 (8.31)

Corrugation membrane(heavy) √ - - √ √ -

Corrugation membrane(light) √ √ √ √ √ √

Flat membrane(light) √ √ √ √ √ √

화물창 단열시스템 구조의 설계 다변화에 따른 내충격 응답해석의 기술을 개 발 과정에서 다음과 같은 사항들에 대하여 비교ㆍ검토하여 내충격 구조 응답거 동에 미치는 영향을 고려하였다.

(13)

∙ 유체요소 모델링에 따른 내충격 구조 응답거동에 미치는 영향

∙ 수면낙하 내충격 응답해석 결과와 실험 결과의 비교

∙ 시편 중량의 내충격 구조 응답거동에 미치는 영향

∙ 낙하높이의 내충격 구조 응답거동에 미치는 영향

∙ 입수각도의 내충격 구조 응답거동에 미치는 영향

∙ Corrugation의 내충격 구조 응답거동에 미치는 영향

(14)

2 2

2. . .화 화 화물 물 물창 창 창 단 단 단열 열 열시 시 시스 스 스템 템 템의 의 의 수 수 수면 면 면낙 낙 낙하 하 하 내 내 내충 충 충격 격 격 응 응 응답 답 답해 해 해석 석 석 모 모 모델 델 델링 링 링

LS-DYNA3D의 유체-구조 연성 해석기법을 사용하여 화물창 단열시스템 구조 의 수면낙하 내충격 응답해석을 수행하며,Table1.1에서와 같은 시나리오의 수 면낙하 실험 결과를 이용하여 비교ㆍ검토하였다.다만 Fig.1.1에서의 bottom plywood 및 mastic에서의 변형률 응답에 대한 실험 결과와의 비교ㆍ검토는 Corrugationmembrane(heavy)모델에 대해서만 수행하였다.

Fig.2.1은 화물창 단열시스템 구조의 낙하수면 실험을 위한 유체충격시험기와 유체충격시험기에 매달려있는 화물창 단열시스템 구조의 시편을 보여주고 있다.

Fig.2.2의 화물창 단열시스템 구조의 시편의 housing속에 Fig.1.1및 Fig.2.3에 서와 같은 R-PUF,Triplex 및 plywood로 구성된 화물창 단열시스템을 삽입하여 상부는 housing내의 내판에 mastic으로 부착하고 바닥은 Fig.2.4와 같이 Flat및 Corrugationmembrane의 가장자리를 housing바닥에 용접하였다.

Fig. 2.1 Schematic view of Wet Drop Test rig

(15)

Fig. 2.2 Schematic view of Cargo Containment System specimen and zig

Fig. 2.3 Cargo Containment System of R-PUF, Triplex, plywood and mastic

(a) specimen without membrane (b) specimen with flat membrane Fig. 2.4 Fabrication of specimens (continued)

(16)

(c) specimen with corrugation membrane Fig. 2.4 Fabrication of specimens

2 2

2...111구구구조조조 시시시편편편 유유유한한한요요요소소소 모모모델델델링링링

3차원 시편의 유한요소 모델링은 Fig.2.5와 같이 약 50,000개의 solid와 shell 요소로 구성되어 있다.시편에 부착된 여러 가지 zig들은 그림에서와 같이 집중 질량(concentrated mass)으로 이상화하였다. 유한요소 모델링에서 plywood와 membrane,R-PUF과 side housing은 모두 실제 시편에서와 같이 서로 접촉 (contact)시켰다.수면낙하 실험과 시뮬레이션에 사용된 화물창 단열시스템 구조 시편의 입수각도와 중량에 따른 전체중량,집중질량 zig의 중량 및 LM guide에 서의 마찰력 등을 Table2.1에 정리하였다.heavy모델은 Fig.2.6에서와 같이 내 판에 4개의 집중질량(125.0kgf)으로 이상화하였다.

Fig. 2.5 Configuration of 3D finite element specimen model (continued)

(17)

Fig. 2.5 Configuration of 3D finite element specimen model

Table 2.1 Scenarios of Wet Drop test and simulation

Item

0 degree

4 degree 8 degree

light heavy

Total weight including LM guide in test(M)(kgf) 1,077.0 1,577.0 1,081.0 1,085.0

Simulation model weight(m) (kgf) 537.4 1,037.4 537.4

Concentrated mass per one zig((M-m)/4) (kgf) 134.9 134.9 135.9 136.9 Friction force per an half zig(M(g-g`)/8) (N) 137.7 201.6 138.3 138.8

Fig. 2.6 Configuration of 3D finite element heavy specimen model

(18)

Fig.1.1에서와 같이 membrane 표면의 3점에서의 충격압력 역적과 bottom plywood 및 mastic의 각각 10점 및 2점에서의 변형률에 대한 내충격 응답해석 정보들이 검증에 사용된다.Fig.2.7과 Fig.2.8은 각각 전자와 후자의 내충격 응 답을 측정하기 위한 충격압력 및 변형률 게이지(gauge)들의 위치를 보여주고 있 다.내충격 응답 게이지들의 위치를 가능한 한 유한요소의 중앙에 위치하도록 Fig.2.9∼ Fig.2.12에서와 같이 모델링 하였다.rigidTriplex를 중심으로 아래 쪽 R-PUF와 plywood는 membrane과 접촉되어 있으므로 membrane의 유한요소 mesh형상과 일치시켰고,위쪽의 R-PUF는 plywood와 mastic의 유한요소 mesh 형상과 일치시켰으므로 Fig.2.5에서와 같이 rigid Triplex에서 강체 연결(rigid connection) 시켰다. R-PUF, plywood 및 Triplex는 housing과 접촉시켰고, membrane은 housing과 일체(merge)시켰다.

Fig. 2.7 Pressure gauge locations on membrane

(19)

Fig. 2.8 Strain gauge locations on plywood and mastic

Fig. 2.9 Finite element configuration of strain gauge locations on plywood & mastic

(20)

Fig. 2.10 Mesh configuration of strain gauge locations on plywood (unit : mm)

(a) corrugation membrane (b) flat membrane

Fig. 2.11 Finite element configuration of pressure gauge locations on membrane

Fig. 2.12 Mesh configuration of pressure gauge locations on corrugation membrane (unit : mm)

(21)

222...222유유유체체체 유유유한한한요요요소소소 모모모델델델링링링

공기와 청수의 유체는 Figs.2.13∼2.17에서와 같이 자유수면(free surface)을 경계로 하고 있으며,측면과 바닥은 실제 수조에서와 같이 구속하여 유체의 흐름 과 압력이 반사되도록 하였다.화물창 단열시스템 구조 시편과 유체가 접하는 부 분과 자유수면 부근에서의 유체 유한요소의 폭과 두께 방향의 크기는 Table2.2 에 요약하였다.구조 시편에서 폭 방향으로,그리고 자유수면에서 수직방향으로 어느 정도 떨어지면 유체의 폭 방향과 두께 방향의 유한요소 크기를 점점 증가 시켰다.각 경우에 대한 물과 공기의 유체 유한요소 개수를 Table2.3에 요약하 였다.

Fig. 2.13 Finite element configuration of Eulerian domain : 5 & 20mm

(22)

Fig. 2.14 Finite element configuration of Eulerian domain : 5mm

Fig. 2.15 Finite element configuration of Eulerian domain : 10mm (continued)

(23)

Fig. 2.15 Finite element configuration of Eulerian domain : 10mm

Fig. 2.16 Finite element configuration of Eulerian domain : 20mm

(24)

Fig. 2.17 Finite element configuration of Eulerian domain : 30mm

Table 2.2 Finite element size of Eulerian domain near specimen and free surface

Case width size (mm) thickness size (mm)

5mm & 20mm 20 5

5mm 5 5

10mm 10 10

20mm 20 20

30mm 30 30

(25)

Table 2.3 Finite element number of Eulerian domain

Case Water Air Total

5mm & 20mm 240,075 144,045 384,120

5mm 1,357,057 1,168,354 2,522,411

10mm 503,289 432,139 935,482

20mm 249,678 134,442 384,120

30mm 265,696 103,968 369,664

2

22...333구구구조조조 시시시편편편 물물물성성성치치치 및및및 낙낙낙하하하속속속도도도

시편을 이루고 있는 각 부재들의 물성치는 Table2.4에 정리되어 있다.여기서 E(n), E(s) 및 E(t)는 Young's modulus를, Nu(ns), Nu(nt) 및 Nu(st)는 Poisson'sratio를,G(ns),G(nt)및 G(st)는 Shearmodulus를 나타낸다.R-PUF 와 plywood는 직교이방성 재료(orthotropicmaterial)를,그 이외는 등방성재료를 사용하였다.

Table 2.4 Material properties of specimen

plywood R. PUF rigid Triplex mastic membrane steel

E(n)(MPa) 8,900 142 13,133 2,934 200,000 206,000

E(s)(MPa) 7,500 142 - - - -

E(t)(MPa) 520 84 - - - -

Nu(ns) 0.17 0.24 0.3 0.3 0.27 0.3

Nu(nt) 0.15 0.18 - - - -

Nu(st) 0.15 0.18 - - - -

G(ns)(MPa) 196 12.2 - - - -

G(nt)(MPa) 196 12.2 - - - -

G(st)(MPa) 196 12.2 - - - -

Density 7.10E-10 1.25E-10 2.50E-09 1.50E-09 7.85E-09 7.85E-09

Model Solid, Shell/Ortho Solid/Ortho Shell/Iso Solid/Iso Shell/Iso Shell/Iso

(26)

수면낙하 시험 시 측정한 시편의 낙하속도는 이론상의 낙하속도의 약 95%이 었다.본 논문에서의 내충격 응답해석에서도 이를 고려하여 아래와 같이 낙하높 이에 따른 낙하속도를 산출하였다.그리고 시편의 낙하높이의 기준선(reference linefordropheight)과 경사각의 기준축(referenceaxisofrotation)은 Fig.2.5에 서와 같이 정하였고,낙하높이 기준선을 자유수면에서 0.1m로 하였다.

Dropheight2m : ∙

  ∙  ∙     

Dropheight3m : ∙

  ∙  ∙     

Dropheight4m : ∙

  ∙  ∙     

(27)

3

3 3. . .화 화 화물 물 물창 창 창 단 단 단열 열 열시 시 시스 스 스템 템 템의 의 의 수 수 수면 면 면낙 낙 낙하 하 하 내 내 내충 충 충격 격 격 응 응 응답 답 답해 해 해석 석 석

LS-DYNA3D의 유체-구조 연성 해석기법을 사용하여 화물창 단열시스템 구조 의 수면낙하 내충격 응답해석을 수행하였으며,내충격 응답해석 기술의 정도를 높이기 위해 일련의 수면낙하 실험 결과를 이용하여 검증하였고 유체요소 모델 링,수면낙하,시편 중량,낙하높이,입수각도 및 corrugation과 같은 인자들에 대 한 비교ㆍ검토를 통하여 내충격 구조 응답거동에 미치는 영향을 고려하였다.

3

33...111유유유체체체요요요소소소 모모모델델델링링링에에에 따따따른른른 영영영향향향 분분분석석석

유체-구조 연성 해석기법을 사용한 수면낙하 내충격 응답해석 시 유체영역에 서의 유한요소 크기에 따른 영향이 매우 클 것으로 예상된다. corrugation membrane heavy 모델의 0D3M의 경우의 실험 결과와 분석∙비교하였다.

Table 3.1과 Table 3.2에 충격압력 역적과 변형률 극치(peak)를 정리하여 실험 결과와 비교하였다.

충격압력의 응답거동은 극치뿐만 아니라 지속시간(duration)을 포함한 전반적 인 충격압력 곡선의 형상과 특히 역적이 중요한 인자이다.본 논문에서는 내충격 응답으로서 구조물에 발생하는 변형(변형률)이 더 중요한 관심사이다.전반적인 충격압력 곡선의 형상은 유체의 유한요소 크기가 시편의 membranemesh 크기 와 비슷한 20mm인 경우(5 & 20mm,20mm)가 실험 결과와 더 잘 일치하지만 충격압력 역적은 자유수면 부근의 유체 두께가 얇을수록 실험 결과에 더 근접하 다는 것을 Table3.1에서 확인할 수 있다.

Table3.2에서 알 수 있듯이 유체의 유한요소 크기가 10mm이 경우가 변형률 극치의 응답으로서는 실험 결과에 가장 근접하고,20mm인 경우(5 & 20mm, 20mm)인 경우도 대체로 잘 일치하다는 것을 알 수 있다.자유수면 부근의 유체 요소 두께가 10mm 이상으로 두꺼워질수록 극치가 두 번 나타나는 등 변형률 응 답거동 형태가 실험 결과와 상이하다는 것을 알 수 있다.

이상의 유체 유한요소 크기에 따른 충격압력 및 변형률 응답거동에서 유체요 소 크기는 시편의 membrane유한요소 크기와 비슷한 20mm 정도,자유수면 부 근은 5mm 정도의 두께를 갖는 유한요소의 크기를 갖는 Fig.2.13(a)5mm &

20mm의 유체모델의 경우가 가장 실험 결과에 근접한 내충격 응답거동을 주고 있다는 확인할 수 있다.또한 Table2.3에서와 같이 5& 20mm 유체모델의 유한 요소 개수도 가장 작아 계산시간에도 효율적이라는 것을 확인할 수 있다.

(28)

Table 3.1 Comparison of test/simulation pressure impulse results (unit : bar-sec)

Case P1 P2 P3

Corrugate heavy 0D3M

Experiment 0.036 0.034 0.037

5 & 20mm 0.039 0.037 0.039

% 108 109 105

all 5mm 0.037 0.038 0.037

% 103 112 100

all 10mm 0.033 0.033 0.033

% 92 97 89

all 20mm 0.045 0.038 0.044

% 125 112 119

30mm 0.038 0.045 0.038

% 106 132 103

Table 3.2 Comparison of test/simulation peak strain (unit : 10-4)

Case SP1 SP2 SP3 SP4 SP5 SP6 SP7 SP8 SP9 SP10 SM1 SM2

Corru.

heavy 0D3M

Experiment 6.1 15.6 19.0 15.1 17.3 12.3 17.0 19.7 17.5 8.4 - 13.1

5 & 20mm 9.3 14.8 17.4 14.2 13.5 13.5 14.2 17.4 14.8 9.3 9.8 9.8

% 152 95 92 94 78 110 84 88 85 111 - 75

5mm 6.1 9.3 10.9 8.9 8.9 8.9 8.9 10.9 9.3 6.1 9.8 6.4

% 100 60 57 59 51 72 52 55 53 73 - 49

10mm 10.2 16.4 19.3 15.7 14.7 14.7 15.7 19.3 16.4 10.2 10.7 10.7

% 167 105 102 104 85 120 92 98 94 121 - 82

20mm 9.7 14.8 17.7 14.1 13.6 13.6 14.2 17.7 14.8 9.6 9.5 9.5

% 160 95 93 93 79 111 84 90 85 114 - 73

30mm 5.9 8.7 10.3 8.3 8.5 8.5 8.3 10.3 8.7 5.9 5.9 5.9

% 97 56 54 55 49 69 49 52 50 70 - 45

(29)

3 3

3...222수수수면면면낙낙낙하하하 내내내충충충격격격 응응응답답답해해해석석석 결결결과과과와와와 실실실험험험 결결결과과과의의의 비비비교교교

Table1.1에서와 같은 단열시스템 구조 시편의 수면낙하 실험의 시나리오에 따 른 내충격 응답해석을 수행하여 membrane에서의 충격압력 역적과 bottom plywood및 mastic에서의 변형률에 대한 응답을 실험 결과와 비교⋅검토하였다.

Fig.A.1∼A.20은 충격압력의 응답거동을,Fig.A.21∼A.40은 변형률 응답거동을 실험 결과와 비교하여 보여주고 있다.Table 3.3은 충격압력 역적의 응답을, Table3.4는 corrugation membraneheavy 모델에 대한 변형률 극치를 각각 실 험 결과를 기준으로 하는 백분율로 비교하였다. Table 3.5는 corrugation membraneheavy모델을 제외한 각 case에서의 변형률 극치를 정리하였다.

Fig.A.1∼A.20과 Table3.3에서 알 수 있듯이 내충격 응답해석에 의한 충격압 력의 전반적인 응답거동과 충격압력 역적의 응답거동은 실험 결과와 대체로 잘 일치하고 있음을 확인할 수 있다. Fig. A.21∼A.40으로 부터 corrugation membraneheavy 모델 이외의 실험에서는 몇 개의 변형률 측정지점에서의 변형 률 응답에 오류가 있음을 알 수 있다.Fig.A.21∼A.22와 Table3.4에서 알 수 있듯이 변형률 및 극치의 응답은 실험 결과와 잘 일치하고 확인할 수 있다.

Table 3.3 Comparison of test/simulation pressure impulse results (unit : bar-sec)(continued)

Case Results P1 P2 P3

Corrugate heavy

0D2M

Experiment 0.028 0.029 0.030

LS-DYNA3D 0.030 0.026 0.030

% 107 89 100

0D3M

Experiment 0.036 0.034 0.037

LS-DYNA3D 0.039 0.037 0.039

% 108 108 105

Corrugate light

0D2M

Experiment 0.025 0.024 0.026

LS-DYNA3D 0.027 0.024 0.028

% 108 100 108

0D3M

Experiment 0.032 0.034 0.033

LS-DYNA3D 0.038 0.034 0.038

% 118 100 115

0D4M

Experiment 0.036 0.040 0.039

LS-DYNA3D 0.043 0.041 0.043

% 120 102 110

(30)

Table 3.3 Comparison of test/simulation pressure impulse results (unit : bar-sec)

Case Results P1 P2 P3

Corrugate light

4D2M

Experiment 0.018 0.019 0.020

LS-DYNA3D 0.024 0.021 0.024

% 133 110 120

4D3M

Experiment 0.022 0.024 0.027

LS-DYNA3D 0.029 0.027 0.033

% 132 113 122

4D3M

Experiment 0.026 0.028 0.034

LS-DYNA3D 0.033 0.032 0.041

% 127 114 121

8D2M

Experiment 0.017 0.017 0.015

LS-DYNA3D 0.016 0.019 0.020

% 94 112 133

8D3M

Experiment 0.022 0.022 0.020

LS-DYNA3D 0.024 0.027 0.021

% 109 123 105

8D4M

Experiment 0.027 0.026 0.024

LS-DYNA3D 0.029 0.031 0.027

% 107 119 113

Flat light

0D2M

Experiment 0.024 0.025 0.024

LS-DYNA3D 0.031 0.032 0.031

% 128 127 127

0D3M

Experiment 0.030 0.031 0.029

LS-DYNA3D 0.039 0.040 0.039

% 130 132 134

0D4M

Experiment 0.035 0.036 0.035

LS-DYNA3D 0.046 0.048 0.045

% 131 134 129

(31)

Table 3.4 Comparison of test/simulation peak strain (unit : 10-4)

Case SP1 SP2 SP3 SP4 SP5 SP6 SP7 SP8 SP9 SP10 SM1 SM2

0D2M Corru.

heavy

Experiment 4.4 10.8 12.9 10.3 12.9 11.9 13.0 14.6 12.8 7.9 - 11.0 LS-DYNA3D 7.1 10.9 12.7 10.4 10.1 10.3 10.4 12.7 10.9 7.1 7.4 7.4

% 161 101 98 101 78 87 80 87 85 90 - 67

0D3M Corru.

heavy

Experiment 6.1 15.6 19.0 15.1 17.3 12.3 17.0 19.7 17.5 8.4 - 13.1 LS-DYNA3D 9.3 14.8 17.4 14.2 13.5 13.5 14.2 17.4 14.8 9.3 9.8 9.8

% 152 95 92 94 78 110 84 88 85 111 - 75

Table 3.5 Simulation peak strain (unit : 10-4)

Case SP1 SP2 SP3 SP4 SP5 SP6 SP7 SP8 SP9 SP10 SM1 SM2

Corru. light

0D2M 9.2 16.3 18.2 14.9 13.8 14.0 14.9 18.2 16.3 9.1 11.9 11.9 0D3M 11.7 22.1 24.5 19.9 18.3 18.0 20.0 24.5 21.9 11.7 15.7 15.8 0D4M 13.9 27.8 30.7 25.4 22.1 22.1 25.4 30.7 27.8 13.9 19.9 19.9

4D2M 4.0 6.5 7.3 6.00 5.9 6.0 5.9 7.3 6.5 4.00 5.3 5.0

4D3M 5.9 10.00 11.2 9.2 9.0 9.0 9.2 11.2 10.0 5.9 7.9 7.5

4D4M 7.7 13.8 15.4 12.9 12.0 12.0 12.6 15.4 138 7.7 10.7 10.1

8D2M 3.2 5.2 5.8 4.7 4.7 4.7 4.7 5.8 5.1 3.1 4.3 3.8

8D3M 4.7 7.7 8.6 7.1 7.0 7.0 7.0 8.6 7.7 4.6 6.3 5.5

8D4M 5.6 9.6 10.6 8.8 8.5 8.5 8.7 10.6 9.5 5.5 7.8 6.8

Flat light

0D2M 13.2 26.7 29.5 24.3 21.3 21.3 24.3 29.5 26.7 13.3 19.0 18.8 0D3M 15.6 34.5 38.0 31.4 25.7 26.1 31.4 38.0 34.5 15.8 23.7 23.7 0D4M 17.6 41.4 45.5 37.8 30.1 30.1 37.8 45.5 41.4 17.2 28.2 28.3

4D2M 4.2 6.8 7.7 6.3 6.2 6.3 6.3 7.7 6.9 4.2 5.3 5.0

4D3M 6.6 10.9 12.1 10.0 9.6 9.8 10.0 12.0 10.9 6.2 8.8 7.9

4D4M 8.3 14.8 16.5 13.6 12.6 12.8 13.6 16.5 14.8 8.1 11.4 10.9

8D2M 1.8 2.8 3.1 2.5 2.6 2.6 2.5 3.1 2.8 1.7 2.3 2.0

8D3M 2.7 4.3 4.8 3.9 4.0 4.0 3.9 4.8 4.2 2.6 3.6 3.1

8D4M 3.5 5.6 6.4 5.2 5.2 5.3 5.2 6.4 5.7 3.5 4.7 4.1

(32)

333...333시시시편편편 중중중량량량의의의 내내내충충충격격격 구구구조조조 응응응답답답거거거동동동에에에 미미미치치치는는는 영영영향향향

시편의 중량이 내충격 구조 응답거동에 미치는 영향을 검토하기 위해 corrugation membranelight와 heavy 모델의 0D2M 및 0D3M 2가지 경우의 충 격압력 역적과 변형률 응답을 비교⋅검토하였다.

corrugationmembranelight와 heavy모델의 충격압력 응답에 대한 두 모델의 충격압력 역적의 내충격 응답해석 결과의 비교는 Table3.6에 정리하였다.충격 압력의 응답과 충격압력 역적의 응답은 heavy 모델이 light모델에 비하여 매우 미소하지만 전반적으로 크게 나타나고 있다. corrugation membrane light와 heavy모델에 대한 변형률 응답에 두 모델의 변형률 극치에 대한 내충격 응답해 석 결과의 비교를 Table3.7에 나타내었다.예상 밖으로 heavy모델이 light모델 에 비해서 변형률 응답이 전반적으로 작게 나타나고 있다.

Table 3.6 Weight effect of test/simulation pressure impulse results (unit : bar-sec)

Case Results P1 P2 P3

Experiment

0D2M

Corrugate heavy 0.028 0.029 0.030

Corrugate light 0.025 0.024 0.026

0D3M

Corrugate heavy 0.036 0.034 0.037

Corrugate light 0.032 0.034 0.033

Simulation

0D2M

Corrugate heavy 0.030 0.026 0.030

Corrugate light 0.027 0.024 0.028

0D3M

Corrugate heavy 0.039 0.037 0.039

Corrugate light 0.038 0.034 0.038

Table 3.7 Weight effect of simulation peak strain (unit : 10-4)

Case SP1 SP2 SP3 SP4 SP5 SP6 SP7 SP8 SP9 SP10 SM1 SM2

0D2M

Corru. heavy 7.1 10.9 12.7 10.4 10.1 10.3 10.4 12.7 10.9 7.1 7.4 7.4 Corru. light 9.2 16.3 18.2 14.9 13.8 14.0 14.9 18.2 16.3 9.1 11.9 11.9

0D3M

Corru. heavy 9.3 14.8 17.4 14.2 13.5 13.5 14.2 17.4 14.8 9.3 9.8 9.8 Corru. light 11.7 22.1 24.5 19.9 18.3 18.0 20.0 24.5 21.9 11.7 15.7 15.8

(33)

corrugationmembraneheavy모델은 Fig.2.6에서와 같이 light모델의 내판에 4개의 집중질량(125.0kgf)을 추가하였고,내충격 응답해석 모델링에서는 집중질량 을 내판에 합병시켜 내충격 응답해석을 수행하였다.이러한 집중질량의 내판과의 합병으로 인해 최대 충격압력 발생 시의 내판과 plywood의 변형에 미치는 영향 을 고려할 필요가 있다.Fig.3.1(a)및 (b)는 각각 corrugationmembranelight와 heavy 모델의 최대 충격압력 발생 시의 내판과 plywood의 변형을 보여주고 있 다.여기에서 알 수 있듯이 heavy 모델에서는 집중질량이 내판의 변형을 구속하 고 있고,이로 인해 plywood의 변형도 light모델에 비하여 상당히 작다는 것은 확인할 수 있었다.

(a) corrugation membrane light model

(b) corrugation membrane heavy model with merged concentration weights to inner hul

(c) corrugation membrane heavy model with contacted concentration weights to inner hull

(d) corrugation membrane heavy model with distributed concentration weights to housing Fig. 3.1 Deformation configuration on inner hull and plywood at maximum impact

pressure (scale factor : 10)

실제 실험을 위한 시편에서는 집중질량을 내판에 올려놓았을 것임으로 집중질 량을 내판에 접촉시켜 모델링하는 경우와,집중질량이 내판에 미치는 영향을 완 전히 제거하기 위해 집중질량을 housing에 분산시키는 경우를 고려하였다.Fig.

3.1(c)와 (d)는 이 두 경우에 대하여 최대 충격압력 발생 시의 내판과 plywood의

(34)

변형을 보여주고 있다.Fig.3.1(b)와 (c)에서 알 수 있듯이 집중질량이 내판에 합 병하거나 접촉한 경우 모두 내판에 변형을 구속시키고 있으며 plywood에 발생하 는 변형도 거의 비슷하지만 후자가 미소하지만 약간 크다는 것을 알 수 있다.그 리고 Fig.3.1(d)에서와 같이 집중질량을 housing에 분산시켜 내판에 영향을 제거 한 경우의 최대 충격압력 발생 시의 내판과 plywood의 변형은 Fig.3.1(a)의 corrugationmembranelight모델과 비슷하였다.

이상의 결과를 종합하면 내충격 응답에 대한 중량의 영향은 없다는 결론을 얻 을 수 있다.본 연구의 내충격 응답의 실험 시나리오 중에서 plywood 구조부재 의 변형률 응답에 영향을 줄 수 있는 내판에 집중질량을 가한 것은 방법 상 문 제가 있었다는 것을 확인할 수 있었다.

3 3

3...444낙낙낙하하하높높높이이이의의의 내내내충충충격격격 구구구조조조 응응응답답답거거거동동동에에에 미미미치치치는는는 영영영향향향

시편의 낙하높이에 따른 내충격 구조 응답거동에 미치는 영향을 검토하기 위 해 각 case별 충격압력 역적 및 변형률의 응답을 비교⋅검토하였다.충격압력의 역적의 응답거동에 대한 실험 및 내충격 응답해석 결과는 Table3.8에 정리하였 다.변형률 극치에 대한 실험 및 내충격 응답해석 결과는 Table3.9및 3.10에 정 리하였다.

충격압력 및 충격압력 역적,변형률 및 변형률 극치의 응답은 예상한 바와 같 이 전반적으로 같은 모델에서 입수각도가 같을 경우 낙하높이에 따라 증가하고 있음을 알 수 있다.corrugationmembrane모델에서 입수각도가 0도 일 경우 충 격압력의 응답곡선은 대체로 완만한 형상이지만 입수각도가 커질수록 예리하게 형상으로 변하고,flatmembrane모델은 전자에 비하여 충격압력의 응답곡선이 보다 더 예리해지는 것을 볼 수 있다.충격압력 역적은 전반적으로 입수각도가 커지면 입수각도가 0도일 때에 비하여 작아지며 flatmembrane모델일 경우 작 아지는 비율이 훨씬 크다.그리고 전반적으로 4도와 8도의 차이는 그리 크지 않 다.변형률의 응답곡선은 충격압력의 응답곡선과는 달리 입수각도가 커질수록 완 만하게 되고 변형률 극치도 작아진다. flat membrane 모델이 corrugation membrane모델과 비교하여 입수각도가 0도일 경우 전자가 후자에 비하여 보다 예리하고 극치도 커지만 8도가 되면 전자가 훨씬 더 무디어지고 극치도 작아진 다.

(35)

Table 3.8 Drop height effect of test/simulation pressure impulse results (unit : bar-sec) (continued)

Case Results P1 P2 P3

Experiment

Corrugate heavy

0D2M 0.028 0.029 0.030

0D3M 0.036 0.034 0.037

Corrugate light

0D2M 0.025 0.024 0.026

0D3M 0.032 0.034 0.033

0D4M 0.036 0.040 0.039

4D2M 0.018 0.019 0.020

4D3M 0.022 0.024 0.027

4D4M 0.026 0.028 0.034

8D2M 0.017 0.017 0.015

8D3M 0.022 0.022 0.020

8D4M 0.027 0.026 0.024

Flat light

0D2M 0.024 0.025 0.024

0D3M 0.030 0.031 0.029

0D4M 0.035 0.036 0.035

4D2M 0.020 0.023 0.021

4D3M 0.022 0.025 0.026

4D4M 0.025 0.029 0.022

8D2M 0.017 0.024 0.020

8D3M 0.022 0.029 0.025

8D4M 0.025 0.035 0.028

Simulation

Corrugate heavy

0D2M 0.030 0.026 0.030

0D3M 0.039 0.037 0.039

Corrugate light

0D2M 0.027 0.024 0.028

0D3M 0.038 0.034 0.038

0D4M 0.043 0.041 0.043

(36)

Table 3.8 Drop height effect of test/simulation pressure impulse results (unit : bar-sec)

Case Results P1 P2 P3

Simulation

Corrugate light

4D2M 0.024 0.021 0.024

4D3M 0.029 0.027 0.033

4D4M 0.033 0.032 0.041

8D2M 0.016 0.019 0.020

8D3M 0.024 0.027 0.021

8D4M 0.029 0.031 0.027

Flat light

0D2M 0.031 0.032 0.031

0D3M 0.039 0.040 0.039

0D4M 0.046 0.048 0.045

4D2M 0.017 0.027 0.014

4D3M 0.023 0.023 0.030

4D4M 0.025 0.028 0.039

8D2M 0.018 0.017 0.015

8D3M 0.022 0.017 0.019

8D4M 0.028 0.024 0.026

Table 3.9 Drop height effect of test strain peak results (unit : 10-4)

Case SP1 SP2 SP3 SP4 SP5 SP6 SP7 SP8 SP9 SP10 SM1 SM2

Corru. heavy

0D2M 4.4 10.8 12.9 10.3 12.9 11.9 13.0 14.6 12.8 7.9 - 11.0

0D3M 6.1 15.6 19.0 15.1 17.3 12.3 17.0 19.7 17.5 8.4 - 13.1

Table 3.10 Drop height effect of simulation strain peak results (unit : 10-4) (continued)

Case SP1 SP2 SP3 SP4 SP5 SP6 SP7 SP8 SP9 SP10 SM1 SM2

Corru. heavy

0D2M 7.1 10.9 12.7 10.4 10.1 10.3 10.4 12.7 10.9 7.1 7.4 7.4

0D3M 9.3 14.8 17.4 14.2 13.5 13.5 14.2 17.4 14.8 9.3 9.8 9.8

(37)

Table 3.10 Drop height effect of simulation strain peak results (unit : 10-4)

Case SP1 SP2 SP3 SP4 SP5 SP6 SP7 SP8 SP9 SP10 SM1 SM2

Corru. light

0D2M 9.2 16.3 18.2 14.9 13.8 14.0 14.9 18.2 16.3 9.1 11.9 11.9 0D3M 11.7 22.1 24.5 19.9 18.3 18.0 20.0 24.5 21.9 11.7 15.7 15.8 0D4M 13.9 27.8 30.7 25.4 22.1 22.1 25.4 30.7 27.8 13.9 19.9 19.9

4D2M 4.0 6.5 7.3 6.00 5.9 6.0 5.9 7.3 6.5 4.00 5.3 5.0

4D3M 5.9 10.00 11.2 9.2 9.0 9.0 9.2 11.2 10.0 5.9 7.9 7.5

4D4M 7.7 13.8 15.4 12.9 12.0 12.0 12.6 15.4 138 7.7 10.7 10.1

8D2M 3.2 5.2 5.8 4.7 4.7 4.7 4.7 5.8 5.1 3.1 4.3 3.8

8D3M 4.7 7.7 8.6 7.1 7.0 7.0 7.0 8.6 7.7 4.6 6.3 5.5

8D4M 5.6 9.6 10.6 8.8 8.5 8.5 8.7 10.6 9.5 5.5 7.8 6.8

Flat light

0D2M 13.2 26.7 29.5 24.3 21.3 21.3 24.3 29.5 26.7 13.3 19.0 18.8 0D3M 15.6 34.5 38.0 31.4 25.7 26.1 31.4 38.0 34.5 15.8 23.7 23.7 0D4M 17.6 41.4 45.5 37.8 30.1 30.1 37.8 45.5 41.4 17.2 28.2 28.3

4D2M 4.2 6.8 7.7 6.3 6.2 6.3 6.3 7.7 6.9 4.2 5.3 5.0

4D3M 6.6 10.9 12.1 10.0 9.6 9.8 10.0 12.0 10.9 6.2 8.8 7.9

4D4M 8.3 14.8 16.5 13.6 12.6 12.8 13.6 16.5 14.8 8.1 11.4 10.9

8D2M 1.8 2.8 3.1 2.5 2.6 2.6 2.5 3.1 2.8 1.7 2.3 2.0

8D3M 2.7 4.3 4.8 3.9 4.0 4.0 3.9 4.8 4.2 2.6 3.6 3.1

8D4M 3.5 5.6 6.4 5.2 5.2 5.3 5.2 6.4 5.7 3.5 4.7 4.1

3 3

3...555입입입수수수각각각도도도의의의 내내내충충충격격격 구구구조조조 응응응답답답거거거동동동에에에 미미미치치치는는는 영영영향향향

시편의 입수각도가 내충격 구조 응답거동에 미치는 영향을 검토하기 위해 각 case별 충격압력 역적 및 변형률의 응답을 비교⋅검토하였다.충격압력 역적의 응답거동에 대한 실험 및 내충격 응답해석 결과는 Table3.11에 정리하였다.변 형률 극치에 대한 내충격 응답해석 결과는 Table3.12에 정리하였다.

충격압력의 응답곡선은 동일한 모델의 같은 낙하높이에서 입수각도가 증가하 면 보다 예리한 형상을 나타내지만 충격압력 역적은 오히려 감소하고 있음을 볼 수 있다.충격압력 역적의 감소율은 입수각도가 증가하면서 또한 감소한다.변형 률의 응답곡선 또한 입수각도가 증가하면 보다 완만해지고,극치도 입수각도가

(38)

증가하면 감소하게 된다.극치의 감소율도 충격압력 역적의 감소율과 같이 입수 각도의 증가함에 따라 감소한다.즉 입수각도가 0도에서 4도로 증가할 때 감소율 이 4도에서 8도로 증가할 때 보다 훨씬 더 큰 비율로 감소한다.또한 flat membrane 모델이 corrugation membrane 모델에 비하여 입수각도가 증가함에 따라 충격압력 역적 및 변형률 극치의 감소율이 더 크다는 것을 알 수 있다.즉, 입수각도가 0도 일 경우에는 전자의 모델이 더 크고,8도 일 경우에는 전자의 모 델이 더 작다.

Table 3.11 Incident angle effect of test and simulation pressure impulse results (unit : bar-sec) (continued)

Case Results P1 P2 P3

Experiment

Corrugate light

0D2M 0.025 0.024 0.026

4D2M 0.018 0.019 0.020

8D2M 0.017 0.017 0.015

0D3M 0.032 0.034 0.033

4D3M 0.022 0.024 0.027

8D3M 0.022 0.022 0.020

0D4M 0.036 0.040 0.039

4D4M 0.026 0.028 0.034

8D4M 0.027 0.026 0.024

Flat light

0D2M 0.024 0.025 0.024

4D2M 0.020 0.023 0.021

8D2M 0.017 0.024 0.020

0D3M 0.030 0.031 0.029

4D3M 0.022 0.025 0.026

8D3M 0.022 0.029 0.025

0D4M 0.035 0.036 0.035

4D4M 0.025 0.029 0.022

8D4M 0.025 0.035 0.028

(39)

Table 3.11 Incident angle effect of test and simulation pressure impulse results (unit : bar-sec)

Case Results P1 P2 P3

Simulation

Corrugate light

0D2M 0.027 0.024 0.028

4D2M 0.024 0.021 0.024

8D2M 0.016 0.019 0.020

0D3M 0.038 0.034 0.038

4D3M 0.029 0.027 0.033

8D3M 0.024 0.027 0.021

0D4M 0.043 0.041 0.043

4D4M 0.033 0.032 0.041

8D4M 0.029 0.031 0.027

Flat light

0D2M 0.031 0.032 0.031

4D2M 0.017 0.027 0.014

8D2M 0.018 0.017 0.015

0D3M 0.039 0.040 0.039

4D3M 0.023 0.023 0.030

8D3M 0.022 0.017 0.019

0D4M 0.046 0.048 0.045

4D4M 0.025 0.028 0.039

8D4M 0.028 0.024 0.026

Table 3.12 Incident angle effect of simulation strain peak results (unit : 10-4) (continued)

Case SP1 SP2 SP3 SP4 SP5 SP6 SP7 SP8 SP9 SP10 SM1 SM2

Corru. light

0D2M 9.2 16.3 18.2 14.9 13.8 14.0 14.9 18.2 16.3 9.1 11.9 11.9

4D2M 4.0 6.5 7.3 6.00 5.9 6.0 5.9 7.3 6.5 4.00 5.3 5.0

8D2M 3.2 5.2 5.8 4.7 4.7 4.7 4.7 5.8 5.1 3.1 4.3 3.8

0D3M 11.7 22.1 24.5 19.9 18.3 18.0 20.0 24.5 21.9 11.7 15.7 15.8

4D3M 5.9 10.00 11.2 9.2 9.0 9.0 9.2 11.2 10.0 5.9 7.9 7.5

8D3M 4.7 7.7 8.6 7.1 7.0 7.0 7.0 8.6 7.7 4.6 6.3 5.5

(40)

Table 3.12 Incident angle effect of simulation strain peak results (unit : 10-4)

Case SP1 SP2 SP3 SP4 SP5 SP6 SP7 SP8 SP9 SP10 SM1 SM2

Corru. light

0D4M 13.9 27.8 30.7 25.4 22.1 22.1 25.4 30.7 27.8 13.9 19.9 19.9

4D4M 7.7 13.8 15.4 12.9 12.0 12.0 12.6 15.4 138 7.7 10.7 10.1

8D4M 5.6 9.6 10.6 8.8 8.5 8.5 8.7 10.6 9.5 5.5 7.8 6.8

Flat light

0D2M 13.2 26.7 29.5 24.3 21.3 21.3 24.3 29.5 26.7 13.3 19.0 18.8

4D2M 4.2 6.8 7.7 6.3 6.2 6.3 6.3 7.7 6.9 4.2 5.3 5.0

8D2M 1.8 2.8 3.1 2.5 2.6 2.6 2.5 3.1 2.8 1.7 2.3 2.0

0D3M 15.6 34.5 38.0 31.4 25.7 26.1 31.4 38.0 34.5 15.8 23.7 23.7

4D3M 2.7 4.3 4.8 3.9 4.0 4.0 3.9 4.8 4.2 2.6 3.6 3.1

8D3M 2.72 4.27 4.80 3.88 3.95 4.01 3.90 4.81 4.23 2.64 3.57 3.07

0D4M 17.6 41.4 45.5 37.8 30.1 30.1 37.8 45.5 41.4 17.2 28.2 28.3

4D4M 8.3 14.8 16.5 13.6 12.6 12.8 13.6 16.5 14.8 8.1 11.4 10.9

8D4M 3.5 5.6 6.4 5.2 5.2 5.3 5.2 6.4 5.7 3.5 4.7 4.1

3 3

3...666CCCooorrrrrruuugggaaatttiiiooonnn의의의 내내내충충충격격격 구구구조조조 응응응답답답거거거동동동에에에 미미미치치치는는는 영영영향향향

시편의 membrane에 corrugation가 있는 경우와 flat경우에 대한 내충격 구조 응답거동에 미치는 영향을 검토하기 위해 corrugation membrane light모델과 flatmembranelight모델의 충격압력 역적 및 변형률 응답을 비교⋅검토하였다.

충격압력 역적의 응답거동에 대한 실험 및 내충격 응답해석 결과는 Table3.13에 정리하였다.변형률 극치는 Table3.14에 정리하였다.

충격압력의 응답곡선은 입수각도가 0도일 경우 flat한 경우가 corrugation이 있 는 경우에 비하여 예리하고 극치가 크게 나타나고 있다.입수각도가 증가할수록 corrugation 모델에서도 이러한 경향이 발생함으로 flat한 모델과의 차이는 크지 않다는 것을 알 수 있다.그러나 같은 입수각도와 낙하높이에서의 두 모델의 충 격압력 역적에 대한 차이는 거의 없음을 알 수 있다.변형률 응답은 입수각도가 0도일 경우에는 flat모델이 corrugation 모델에 비하여 전반적으로 커지만,입수 각도가 4도일 경우 두 모델의 변형률 응답거동은 거의 비슷하다가 8도로 증가하 면 도리어 corrugation모델의 응답이 다소 커진다는 것을 알 수 있다.

(41)

Table 3.13 Corrugate effect on test and simulation pressure impulse results (unit : bar-sec) (continued)

Case Results P1 P2 P3

Experiment

0D2M

Corrugate light 0.025 0.024 0.026

Flat light 0.024 0.025 0.024

0D3M

Corrugate light 0.032 0.034 0.033

Flat light 0.030 0.031 0.029

0D4M

Corrugate light 0.036 0.040 0.039

Flat light 0.035 0.036 0.035

4D2M

Corrugate light 0.018 0.019 0.020

Flat light 0.020 0.023 0.021

4D3M

Corrugate light 0.022 0.024 0.027

Flat light 0.022 0.025 0.026

4D4M

Corrugate light 0.026 0.028 0.034

Flat light 0.025 0.029 0.022

8D2M

Corrugate light 0.017 0.017 0.015

Flat light 0.017 0.024 0.020

8D3M

Corrugate light 0.022 0.022 0.020

Flat light 0.022 0.029 0.025

8D4M

Corrugate light 0.027 0.026 0.024

Flat light 0.025 0.035 0.028

Simulation

0D2M

Corrugate light 0.027 0.024 0.028

Flat light 0.031 0.032 0.031

0D3M

Corrugate light 0.038 0.034 0.038

Flat light 0.039 0.040 0.039

0D4M

Corrugate light 0.043 0.041 0.043

Flat light 0.046 0.048 0.045

4D2M

Corrugate light 0.024 0.021 0.024

Flat light 0.017 0.027 0.014

4D3M

Corrugate light 0.029 0.027 0.033

Flat light 0.023 0.023 0.030

(42)

Table 3.13 Corrugate effect on test and simulation pressure impulse results (unit : bar-sec)

Case Results P1 P2 P3

Simulation

4D4M

Corrugate light 0.033 0.032 0.041

Flat light 0.025 0.028 0.039

8D2M

Corrugate light 0.016 0.019 0.020

Flat light 0.018 0.017 0.015

8D3M

Corrugate light 0.024 0.027 0.021

Flat light 0.022 0.017 0.019

8D4M

Corrugate light 0.029 0.031 0.027

Flat light 0.028 0.024 0.026

Table 3.14 Corrugation effect on simulation strain peak results (unit : 10-4)

Case SP1 SP2 SP3 SP4 SP5 SP6 SP7 SP8 SP9 SP10 SM1 SM2

0D2M

Corru. light 9.2 16.3 18.2 14.9 13.8 14.0 14.9 18.2 16.3 9.1 11.9 11.9

Flat light 13.2 26.7 29.5 24.3 21.3 21.3 24.3 29.5 26.7 13.3 19.0 18.8

0D3M

Corru. light 11.7 22.1 24.5 19.9 18.3 18.0 20.0 24.5 21.9 11.7 15.7 15.8 Flat light 15.6 34.5 38.0 31.4 25.7 26.1 31.4 38.0 34.5 15.8 23.7 23.7

0D4M

Corru. light 13.9 27.8 30.7 25.4 22.1 22.1 25.4 30.7 27.8 13.9 19.9 19.9 Flat light 17.6 41.4 45.5 37.8 30.1 30.1 37.8 45.5 41.4 17.2 28.2 28.3

4D2M

Corru. light 4.0 6.5 7.3 6.00 5.9 6.0 5.9 7.3 6.5 4.00 5.3 5.0

Flat light 4.2 6.8 7.7 6.3 6.2 6.3 6.3 7.7 6.9 4.2 5.3 5.0

4D3M

Corru. light 5.9 10.00 11.2 9.2 9.0 9.0 9.2 11.2 10.0 5.9 7.9 7.5

Flat light 6.6 10.9 12.1 10.0 9.6 9.8 10.0 12.0 10.9 6.2 8.8 7.9

4D4M

Corru. light 7.7 13.8 15.4 12.9 12.0 12.0 12.6 15.4 138 7.7 10.7 10.1

Flat light 8.3 14.8 16.5 13.6 12.6 12.8 13.6 16.5 14.8 8.1 11.4 10.9

8D2M

Corru. light 3.2 5.2 5.8 4.7 4.7 4.7 4.7 5.8 5.1 3.1 4.3 3.8

Flat light 1.8 2.8 3.1 2.5 2.6 2.6 2.5 3.1 2.8 1.7 2.3 2.0

8D3M

Corru. light 4.7 7.7 8.6 7.1 7.0 7.0 7.0 8.6 7.7 4.6 6.3 5.5

Flat light 2.7 4.3 4.8 3.9 4.0 4.0 3.9 4.8 4.2 2.6 3.6 3.1

8D4M

Corru. light 5.6 9.6 10.6 8.8 8.5 8.5 8.7 10.6 9.5 5.5 7.8 6.8

Flat light 3.5 5.6 6.4 5.2 5.2 5.3 5.2 6.4 5.7 3.5 4.7 4.1

(43)

4 4 4. . .결 결 결 론 론 론

본 논문에서는 슬로싱 유체충격력에 의한 LNG 운반선 화물창 단열시스템 구 조의 동적응답거동 특성을 보다 정확히 파악하기 위해 LS-DYNA3D의 유체-구 조 연성 해석기법을 사용하여 화물창 단열시스템 구조의 수면낙하 내충격 응답 해석을 하고자 하였다.내충격 응답해석 기술의 정도를 높이기 위해 일련의 수면 낙하 실험 결과를 이용하여 검증하였고 내충격 구조 응답거동에 미치는 여러 가 지 인자들의 영향을 비교ㆍ검토하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

∙ 유체영역에서의 유한요소 크기 및 모델링 방법은 본 논문에서와 같은 유체- 구조 연성 해석기법을 사용한 수면낙하 내충격 응답해석에서 매우 중요한 인자이었음을 확인할 수 있었다.시편과 접하는 유체영역에서는 시편의 membrane유한요소 크기와 비슷한 유체요소 크기 20mm 정도,자유수면 부 근은 5mm 정도의 두께를 갖는 유체요소를 갖도록 하고,구조 시편에서 어 느 정도 폭 방향으로 떨어지는 부위와 자유수면에서 수직방향으로 어느 정 도 멀어지는 부위는 유체의 요소크기를 점점 증가시키는 모델링 방법이 가 장실험 결과에 근접한 내충격 구조 응답거동을 주고 있고 또한 계산시간에 도 매우 효율적이었다.

∙ 내충격 응답해석에 의한 충격압력 역적 및 변형률의 응답거동은 실험 결과 와 전반적으로 잘 일치하였다는 것을 확인할 수 있었다.이상의 내충격 응답 해석 및 실험 결과들의 비교⋅검토에서 LS-DYNA3D의 유체-구조 연성 해 석기법과 단열시스템 구조 시편의 유한요소 mesh 및 물성치,유체영역의 모델링 및 상태방정식 등을 매우 적절히 사용하여 내충격 응답해석을 수행 하였다는 것을 확인할 수 있었다.

∙ 내충격 응답에 대한 중량의 영향은 없다는 것을 확인할 수 있었다.본 연구 의 시편 수면낙하 내충격 응답 실험 시나리오 중에서 plywood 구조부재의 변형률 응답에 영향을 줄 수 있는 내판에 집중질량을 가한 것은 방법 상 문 제가 있었다.

∙ 충격압력 및 충격압력 역적,변형률 및 변형률 극치의 응답은 예상한 바와 같이 전반적으로 같은 모델에서 입수각도가 같을 경우 낙하높이에 따라 증

(44)

가하였다.동일한 모델의 같은 낙하높이에서 입수각도가 증가하면 충격압력 의 응답곡선은 보다 예리한 형상을 나타내지만 충격압력 역적은 오히려 감 소하였고,그 감소율은 입수각도가 증가하면서 또한 감소하였다.변형률의 응답곡선 또한 입수각도가 증가하면 보다 완만해지고,극치도 입수각도가 증 가하면 감소하였다.극치의 감소율도 충격압력 역적의 감소율과 같이 입수각 도의 증가함에 따라 감소하였다.즉 입수각도가 0도에서 4도로 증가할 때 감 소율이 4도에서 8도로 증가할 때 보다 훨씬 더 큰 비율로 감소하였다.또한 flatmembrane모델이 corrugationmembrane모델에 비하여 입수각도가 증 가함에 따라 충격압력 역적 및 변형률 극치의 감소율이 더 크다는 것을 알 수 있었다.즉,입수각도가 0도 일 경우에는 전자의 모델이 더 크고,8도 일 경우에는 전자의 모델이 더 작았다.

∙ 충격압력의 응답곡선은 입수각도가 0도일 경우 flat한 경우가 corrugation이 있는 경우에 비하여 예리하고 극치가 크게 나타났다.입수각도가 증가할수록 corrugation 모델에서도 이러한 경향이 발생함으로 flat한 모델과의 차이는 크지 않다는 것을 알 수 있었다.그러나 같은 입수각도와 낙하높이에서의 두 모델의 충격압력 역적에 대한 차이는 거의 없었다.변형률 응답은 입수각도 가 0도일 경우에는 flat모델이 corrugation 모델에 비하여 전반적으로 커지 만,입수각도가 4도일 경우 두 모델의 변형률 응답거동은 거의 비슷하다가 8 도로 증가하면 도리어 corrugation모델의 응답이 다소 커진다는 것을 알 수 있었다.

본 논문에서 사용한 LS-DYNA3D의 유체-구조 연성 해석기법과 화물창 단열 시스템 구조의 유한요소 모델링 및 비선형 재료 물성치,유체영역의 모델링 및 상태방정식 등을 매우 적절히 사용하여 내충격 응답해석에 의한 충격압력 역적 및 변형률의 구조 응답거동이 실험 결과와 전반적으로 매우 잘 일치하였다고 사 료된다.이러한 연구는 대상 구조물의 다양한 설계변경에 따른 실선 유탄성 슬로 싱 내충격 응답해석을 수행하는데 기여할 수 있을 것으로 사료된다.

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참 참 참 고 고 고 문 문 문 헌 헌 헌

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(46)

부 부 부 록 록 록 실

실 실험 험 험과 과 과 시 시 시뮬 뮬 뮬레 레 레이 이 이션 션 션의 의 의 압 압 압력 력 력 및 및 및 변 변 변형 형 형률 률 률 비 비 비교 교 교

(47)

P1 P2

P3

Fig. A.1 Comparison of test/simulation pressure responses : corrugation membrane heavy 0D2M

(48)

P1 P2

P3

Fig. A.2 Comparison of test/simulation pressure responses : corrugation membrane heavy 0D3M

(49)

P1 P2

P3

Fig. A.3 Comparison of test/simulation pressure responses : corrugation membrane light 0D2M

(50)

P1 P2

P3

Fig. A.4 Comparison of test/simulation pressure responses : corrugation membrane light 0D3M

(51)

P1 P2

P3

Fig. A.5 Comparison of test/simulation pressure responses : corrugation membrane light 0D4M

(52)

P1 P2

P3

Fig. A.6 Comparison of test/simulation pressure responses : corrugation membrane light 4D2M

(53)

P1 P2

P3

Fig. A.7 Comparison of test/simulation pressure responses : corrugation membrane light 4D3M

(54)

P1 P2

P3

Fig. A.8 Comparison of test/simulation pressure responses : corrugation membrane light 4D4M

(55)

P1 P2

P3

Fig. A.9 Comparison of test/simulation pressure responses : corrugation membrane light 8D2M

(56)

P1 P2

P3

Fig. A.10 Comparison of test/simulation pressure responses : corrugation membrane light 8D3M

(57)

P1 P2

P3

Fig. A.11 Comparison of test/simulation pressure responses : corrugation membrane light 8D4M

(58)

P1 P2

P3

Fig. A.12 Comparison of test/simulation pressure responses : flat membrane light 0D2M

(59)

P1 P2

P3

Fig. A.13 Comparison of test/simulation pressure responses : flat membrane light 0D3M

(60)

P1 P2

P3

Fig. A.14 Comparison of test/simulation pressure responses : flat membrane light 0D4M

(61)

P1 P2

P3

Fig. A.15 Comparison of test/simulation pressure responses : flat membrane light 4D2M

(62)

P1 P2

P3

Fig. A.16 Comparison of test/simulation pressure responses : flat membrane light 4D3M

(63)

P1 P2

P3

Fig. A.17 Comparison of test/simulation pressure responses : flat membrane light 4D4M

(64)

P1 P2

P3

Fig. A.18 Comparison of test/simulation pressure responses : flat membrane light 8D2M

(65)

P1 P2

P3

Fig. A.19 Comparison of test/simulation pressure responses : flat membrane light 8D3M

(66)

P1 P2

P3

Fig. A.20 Comparison of test/simulation pressure responses : flat membrane light 8D4M

(67)

SP1 SP2

SP3 SP4

SP5 SP6

Fig. A.21 Comparison of test/simulation strain responses : corrugation membrane heavy 0D2M(continued)

(68)

SP7 SP8

SP9 SP10

SM1 SM2

Fig. A.21 Comparison of test/simulation strain responses : corrugation membrane heavy 0D2M

(69)

SP1 SP2

SP3 SP4

SP5 SP6

Fig. A.22 Comparison of test/simulation strain responses : corrugation membrane heavy 0D3M(continued)

(70)

SP7 SP8

SP9 SP10

SM1 SM2

Fig. A.22 Comparison of test/simulation strain responses : corrugation membrane heavy 0D3M

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SP1 SP2

SP3 SP4

SP5 SP7

Fig. A.23 Comparison of test/simulation strain responses : corrugation membrane light 0D2M(continued)

(72)

SP7 SP8

SP9 SP10

SM1 SM2

Fig. A.23 Comparison of test/simulation strain responses : corrugation membrane light 0D2M

(73)

SP1 SP2

SP3 SP4

SP5 SP7

Fig. A.24 Comparison of test/simulation strain responses : corrugation membrane light 0D3M(continued)

(74)

SP7 SP8

SP9 SP10

SM1 SM2

Fig. A.24 Comparison of test/simulation strain responses : corrugation membrane light 0D3M

(75)

SP1 SP2

SP3 SP4

SP5 SP6

Fig. A.25 Comparison of test/simulation strain responses : corrugation membrane light 0D4M(continued)

(76)

SP7 SP8

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

Time(sec) -0.004

-0.003 -0.002 -0.001 0 0.001 0.002 0.003 0.004

Light corrugation 0D4M Experiment LS-DYNA 3D

SP9 SP10

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

Time(sec) -0.004

-0.003 -0.002 -0.001 0 0.001 0.002 0.003 0.004

Strain

Light corrugation 0D4M Experiment LS-DYNA 3D

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

Time(sec) -0.004

-0.003 -0.002 -0.001 0 0.001 0.002 0.003 0.004

Strain

Light corrugation 0D4M Experiment LS-DYNA 3D

SM1 SM2

Fig. A.25 Comparison of test/simulation strain responses : corrugation membrane light 0D4M

(77)

SP1 SP2

SP3 SP4

SP5 SP6

Fig. A.26 Comparison of test/simulation strain responses : corrugation membrane light 4D2M(continued)

(78)

SP7 SP8

SP9 SP10

SM1 SM2

Fig. A.26 Comparison of test/simulation strain responses : corrugation membrane light 4D2M

(79)

SP1 SP2

SP3 SP4

SP5 SP6

Fig. A.27 Comparison of test/simulation strain responses : corrugation membrane light 4D3M(continued)

(80)

SP7 SP8

SP9 SP10

SM1 SM2

Fig. A.27 Comparison of test/simulation strain responses : corrugation membrane light 4D3M

(81)

SP1 SP2

SP3 SP4

SP5 SP6

Fig. A.28 Comparison of test/simulation strain responses : corrugation membrane light 4D4M(continued)

(82)

SP7 SP8

SP9 SP10

SM1 SM2

Fig. A.28 Comparison of test/simulation strain responses : corrugation membrane light 4D4M

수치

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참조

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