KR101376686B1 - An unstiffened composite thick cylinder subjected to hydrostatic pressure and an ultimate strength design method using the estimation of collapse pressure therefor - Google Patents

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KR101376686B1
KR101376686B1 KR1020120119225A KR20120119225A KR101376686B1 KR 101376686 B1 KR101376686 B1 KR 101376686B1 KR 1020120119225 A KR1020120119225 A KR 1020120119225A KR 20120119225 A KR20120119225 A KR 20120119225A KR 101376686 B1 KR101376686 B1 KR 101376686B1
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조윤식
조상래
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국방과학연구소
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Abstract

The present invention relates to an unstiffened composite thick plate cylinder of an underwater vehicle subject to hydraulic pressure, and a final strength design method using collapse strength estimation thereof. The unstiffened composite thick plate cylinder of an underwater vehicle is made of longitudinal fibers and helical fibers, and can be rapidly designed by simplifying a design formula for the final collapse strength of a thick plate cylinder. Therefore, the unstiffened composite thick plate cylinder of an underwater vehicle subject to hydraulic pressure, and a final strength design method using collapse strength estimation thereof can design a deep-sea composite underwater vehicle with excellent strength and reliability. The unstiffened composite thick plate cylinder of an underwater vehicle subject to hydraulic pressure comprises: multiple longitudinal fibers which are formed by being overlapped in a shear direction to the longitudinal direction of the cylinder; and multiple helical fibers which are formed by being overlapped in the helical direction to the cylinder.

Description

수압을 받는 비보강 복합재 후판 원통 및 이의 붕괴강도추정에 의한 최종강도 설계방법{An Unstiffened composite thick cylinder subjected to hydrostatic pressure and An Ultimate strength design method using the estimation of collapse pressure therefor}An Unstiffened composite thick cylinder subjected to hydrostatic pressure and An Ultimate strength design method using the estimation of collapse pressure therefor}

본 발명은 수압을 받는 잠수정의 비보강 복합재 후판 원통 및 이의 붕괴강도추정에 의한 최종강도 설계방법에 관한 것으로, 종방향 섬유와 나선방향 섬유로 조직된 잠수정의 비보강 복합재 후판 원통으로써 후판 원통의 최종 붕괴강도에 대한 설계식을 단순화하여 신속한 잠수정의 비보강 복합재 후판 원통 설계가 가능하고, 이러한 설계방법을 통해 더 강하고 신뢰성이 우수한 심해 복합재 잠수정을 설계할 수 있도록 하는 수압을 받는 잠수정의 비보강 복합재 후판 원통 및 이의 붕괴강도추정에 의한 최종강도 설계방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method of designing the final strength of a non-reinforced composite thick plate cylinder of submersible submerged under water pressure and its collapse strength estimation method, the final of the thick plate cylinder as a non-reinforced composite thick plate cylinder composed of longitudinal fiber and spiral fiber Simplified submerged composite heavy plate cylinder design by simplifying the design of collapse strength, and this design method allows the submerged non-reinforced composite heavy plate to design a stronger and more reliable deep sea composite submersible. Cylindrical and its ultimate strength design method by estimating its collapse strength.

일반적으로 자율형 무인 잠수정(AUV; Autonomous Underwater Vehicle) 또는 원격 조정이 가능한 수중 운동체(ROV; Remotely Operated Vehicle) 등과 같은 수중 로봇은 심해저와 같이 생리학적으로 인간의 잠수 한계를 초과한 지역이나 오염지역 등에서 해저의 지형과 수온 및 염분도 등 각종 해양 생태의 환경을 탐사하기 위한 연구 및 학술용 목적과, 기뢰 등의 폭발물을 탐지하고 이를 제거하는 등의 인명 및 장비의 손실이 예상되는 위험한 작업을 대신하거나 주기적인 수중의 정찰 활동과 같은 군사용 목적 등 다양한 목적의 수행을 위해 개발된 것이다.In general, aquatic robots such as Autonomous Underwater Vehicles (AUVs) or Remotely Operated Vehicles (ROVs) can be used in physiologically exceeding human diving limits and contaminated areas, such as in deep seabeds. Replace or provide for research and academic purposes for exploring various marine ecological environments such as the topography of the seabed, water temperature and salinity, and for dangerous work that is expected to cause loss of life and equipment such as detecting and removing explosives such as mines. It was developed for a variety of purposes, including military purposes, such as enemy underwater reconnaissance.

잠수 깊이가 그리 깊지 않은 잠수정은 주로 금속재 선체로 이루어졌다. 하지만 근래에는 심해의 해양환경 조사와 군사적인 목적으로 잠수 깊이가 수천 미터에 이르고 있으며, 심해의 압력을 견디기 위해 두꺼운 복합재 원통을 사용하는 경우가 많다. 도 1에는 그 예를 보여주고 있다. Submersibles that are not very deep have mainly consisted of metal hulls. Recently, however, the depth of diving has reached thousands of meters for deep sea marine environment research and military purposes, and thick composite cylinders are often used to withstand deep sea pressures. Figure 1 shows an example.

복합재 원통의 두께가 얇으면 탄성좌굴(이하 제1 모드라 함)이 원통의 붕괴를 지배하지만 두께가 두꺼워지면 원통의 탄성좌굴 뿐만 아니라 원통재료의 파단(이하 제2 모드라 함)도 영향을 미치게 된다. When the thickness of the composite cylinder is thin, elastic buckling (hereinafter referred to as the first mode) dominates the collapse of the cylinder, but when the thickness is thick, not only the elastic buckling of the cylinder but also the failure of the cylindrical material (hereinafter referred to as the second mode) is affected. do.

최근 수압을 받는 복합재 원통의 설계에 많이 사용되고 있는 2007년도에 간행된 미국기계학회(American Society of Mechanical Engineers)의 보일러와 압력선체 규정 제10편 복합재 압력선체 (Section X Fiber-reinforced plastic pressure vessels, Boiler & Pressure Vessel Code) 에 의하면 다음의 <수학식 1>로 주어진 식으로 허용압력을 추정하도록 하고 있다.Section 10, Section X Fiber-reinforced plastic pressure vessels, Boiler, by the American Society of Mechanical Engineers, boiler and pressure hull regulation, published recently in 2007, which is widely used in the design of hydraulic cylinders. & Pressure Vessel Code) allows the allowable pressure to be estimated by the following equation.

<수학식 1>&Quot; (1) &quot;

Figure 112012087302816-pat00001
Figure 112012087302816-pat00001

여기에서 D0 는 원통의 외경(in.)이고, Eat 는 축방향 인장계수(psi), Ehf 는 원주방향 휨계수(psi), F 는 안전계수로 5의 값을 갖고, KD 는 강도저하계수(knock-down factor)로 0.84의 값을 갖는다. 또한 L 은 원통의 길이(in)이고, Pa 는 허용압력(psi)이고, ts 는 원통의 두께(in)이며, vx 와 vy 는 각각 축방향과 원주방향의 휨 프와송비(Poisson's ratio)이다. r 는 실험결과를 반영한 저하계수(reduction factor)로 Zp가 100과 같거나 작으면 이고 100보다 크면 가 된다 여기에서 Zp는 <수학식 2>를 따른다.Where D 0 Is the outer diameter of the cylinder (in.) And E at Is the axial tensile modulus (psi), E hf Is the circumferential bending factor (psi), F is the safety factor of 5, and KD is the knock-down factor of 0.84. Where L is the length of the cylinder (in), P a is the allowable pressure (psi), t s is the thickness of the cylinder (in), and v x and v y are the axial and circumferential bending poisson's ratios ( Poisson's ratio. r is a reduction factor that reflects the experimental results. If Z p is less than or equal to 100, and is greater than 100, then Z p follows <Equation 2>.

<수학식 2>&Quot; (2) &quot;

Figure 112012087302816-pat00002
Figure 112012087302816-pat00002

여기에서 Ed 는 축방향 휨계수(psi)이다.Where E d is the axial deflection coefficient (psi).

<수학식 1>에서 알 수 있듯이 이 설계식은 관련 실험결과를 설계변수를 사용한 직접 회귀분석(regression analysis)을 통해 유도한 식으로 모든 경우에 안전계수(F) 5를 사용하도록 하고 있다. 따라서 이 식으로는 탄성좌굴(제 1모드)와 재료의 파단(제 2모드)의 상호 간섭을 효과적으로 고려할 수 없을 뿐만 아니라 붕괴압력의 추정의 정확도도 높지 않다. As can be seen from Equation 1, the design equation derives the relevant experimental results through direct regression analysis using design variables, and uses the safety factor (F) 5 in all cases. Therefore, the mutual interference between the elastic buckling (first mode) and the fracture (second mode) of the material cannot be effectively considered by this equation, and the accuracy of estimating the collapse pressure is not high.

따라서, 이러한 제 1, 2모드 간의 상호 영향을 모두 감안하면서도 붕괴강도를 신속하고 간편하게 산출해낼 수 있는 새로운 설계방법이 요구되고 있다.
Therefore, there is a need for a new design method capable of quickly and easily calculating the collapse strength while considering all of the mutual influences between the first and second modes.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 붕괴강도가 잠수정의 후판 원통에서 비보강 복합재로써 전단방향에 대한 종방향의 섬유와 나선방향에 대한 경사방향의 섬유를 이용하여 붕괴강도에 대한 최종강도가 큰 수압을 받는 잠수정의 비보강 복합재 후판 원통을 제공하는 것이다.The present invention is to solve the problems of the prior art as described above, the object of the present invention is the fiber in the longitudinal direction in the shear direction and the inclined fiber in the spiral direction as a non-reinforced composite in the thick plate cylinder of submersible To provide an unreinforced composite thick plate cylinder of submersible with high final strength against collapse strength.

본 발명의 또 다른 목적은, 잠수정 후판 원통의 최종강도 설계를 위하여 수압을 받는 복합재 후판 원통의 붕괴강도를 붕괴 모드별 상호 간섭 효과를 고려하여, 그 강도를 보다 정확하고 신속하게 산출해낼 수 있도록 개선된 새로운 방식의 붕괴강도 설계방법을 제공하는 것이다.
Still another object of the present invention is to improve the collapse strength of composite thick plate cylinders subjected to hydraulic pressure in order to design the final strength of the submersible thick plate cylinder, taking into account the mutual interference effect of each collapse mode, to calculate the strength more accurately and quickly. To provide a new method of designing collapse strength.

본 발명은 앞서 상술한 목적을 달성하기 위하여 바람직한 양태로써 다음과 같은 구성을 가진 실시예에 의하여 구현될 것이다. 본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 다음과 같은 기술적인 구성을 제공한다.In order to achieve the above-mentioned object, the present invention will be realized by an embodiment having the following constitution as a preferred embodiment. The present invention provides the following technical constructions to solve the above problems.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 잠수정 후판 원통은 잠수정의 수압을 받는 비보강 복합재 후판 원통에 있어서, 원통의 길이방향에 대한 전단방향으로 다수 개 중첩되어 형성된 종방향 섬유; 및 상기 원통에 대해 나선방향으로 다수 개 중첩되어 형성된 나선방향 섬유;로 이루어진 비보강 복합재로 구성되는 것을 특징으로 한다.According to one embodiment of the present invention, the submersible thick plate cylinder of the present invention is a non-reinforced composite thick plate cylinder subjected to the hydraulic pressure of the submersible, longitudinal fiber formed by overlapping a plurality of shear in the longitudinal direction of the cylinder; And a spiral fiber formed by overlapping a plurality of spirals with respect to the cylinder.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 잠수정의 후판 원통의 재료인 비보강 복합재에 대한 붕괴압력에 대한 최종강도를 설계함에 있어서, 매우 간단하고 정확한 연산에 의해 결과를 도출할 수 있도록 하는 붕괴강도추정에 의한 최종강도 설계방법을 제공한다.
According to another embodiment of the present invention, in designing the final strength against the collapse pressure for the non-reinforced composite material of the thick plate cylinder of the submersible, the collapse strength estimation to obtain a result by a very simple and accurate calculation The final strength design method is provided.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 전술한 과제 해결 수단 및 후술할 구성과 결합, 작동관계에 의해서 다음과 같은 효과를 도모할 수 있다.INDUSTRIAL APPLICABILITY As described above, the present invention can achieve the following effects according to the above-described problem solving means and the construction and operation to be described later.

본 발명의 수압을 받는 잠수정에서 복합재 후판 원통의 구성을 원통의 전단방향에 대한 종방향 섬유 및 나선방향에 대한 경사방향 섬유를 조직하여 붕괴강도에 대한 최종강도가 크도록 하여 내구성을 향상시킬 수 있게 된다.In the submersible under the pressure of the present invention, the composite thick-walled cylinder is composed of longitudinal fibers in the shear direction of the cylinder and inclined fibers in the helical direction so that the final strength of the collapse strength is increased to increase durability. do.

본 발명의 수압을 받는 잠수정에서 복합재 후판 원통의 최종강도 설계방법은, 붕괴강도에 영향을 미치는 2가지 모드 간의 상호 간섭을 고려함으로써 수압을 받는 복합재 후판 원통의 붕괴강도를 보다 정확하게 추정할 수 있다. The final strength design method of the composite thick plate cylinder in the hydraulic submersible of the present invention can more accurately estimate the collapse strength of the composite thick plate cylinder subjected to hydraulic pressure by considering mutual interference between two modes affecting the collapse strength.

또한, 본 발명의 잠수정 복합재 후판 원통 설계방법은 기존의 설계 방식에 비해 설계식을 단순화하여 신속한 설계가 가능하므로, 이를 통해 더 강하고 신뢰성이 우수한 심해 복합재 잠수정을 설계할 수 있게 된다.
In addition, the submersible composite thick plate cylindrical design method of the present invention can be designed faster than the existing design by simplifying the design formula, it is possible to design a stronger and more reliable deep sea composite submersible.

도 1은 본 발명의 복합재 후판으로 제작된 심해 무인 잠수정을 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 후판 복합재 원통을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 수압에 의해 붕괴된 후판 복합재 원통의 붕괴 형상을 도시한 도면.
1 is a view showing a deep sea unmanned submersible made of a composite thick plate of the present invention,
Figure 2 shows a thick plate composite cylinder of the present invention.
Figure 3 shows the collapse shape of a thick plate composite cylinder collapsed by hydraulic pressure of the present invention.

이하에서는 본 발명에 따른 수압을 받는 비보강 복합재 후판 원통 및 이의 붕괴강도추정에 의한 최종강도 설계방법에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a preferred embodiment of the method of designing the final strength by estimating the collapse strength of the non-reinforced composite thick plate cylinder and its collapse according to the present invention will be described in detail.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. Prior to this, terms and words used in the present specification and claims should not be construed as being limited to ordinary or dictionary terms, and the inventor should appropriately define the concept of the term to describe its invention in the best way The present invention should be construed in accordance with the meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
Therefore, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are merely the most preferred embodiments of the present invention and are not intended to represent all of the technical ideas of the present invention. Therefore, various equivalents It should be understood that water and variations may be present.

이하에서는 본 발명의 수압을 받는 잠수정의 비보강 복합재 후판 원통 및 이러한 원통의 붕괴강도를 설계하는 방법을 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하도록 한다. Hereinafter, a non-reinforced composite thick plate cylinder of the submersible under the present invention and the method of designing the collapse strength of such a cylinder will be described with reference to FIGS.

도 1은 본 발명의 복합재 후판으로 제작된 심해 무인 잠수정을 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 후판 복합재 원통을 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명의 수압에 의해 붕괴된 후판 복합재 원통의 붕괴 형상을 도시한 도면이다.1 is a view showing a deep sea unmanned submersible made of a composite thick plate of the present invention, Figure 2 is a view showing a thick plate composite cylinder of the present invention, Figure 3 is a thick plate composite cylinder collapsed by the hydraulic pressure of the present invention It is a figure which shows the collapse shape.

이에 본 발명은, 잠수정(10)의 수압을 받는 비보강 복합재 후판 원통에 있어서, 상기 후판 원통(300)은, 원통의 길이방향에 대한 전단방향으로 다수 개 중첩되어 형성된 종방향 섬유(Fc); 및 상기 원통에 대해 나선방향으로 다수 개 중첩되어 형성된 나선방향 섬유(Fh);로 이루어진 비보강 복합재로 구성되는 것을 특징으로 한다.Accordingly, the present invention, in the non-reinforced composite thick plate cylinder subjected to the hydraulic pressure of the submersible 10, the thick plate cylinder 300, the longitudinal fiber (Fc) formed by overlapping a plurality of shear in the longitudinal direction of the cylinder; And a spiral fiber (Fh) formed by overlapping a plurality of spirals with respect to the cylinder.

이에 도 2를 참조하면, 본 발명에서 잠수정(10)의 비보강 복합재 후판 원통(300)은, 일정두께를 가진 원통형의 비보강 복합재 재질로 형성되고, 이러한 비보강 복합재는 섬유질로써, 원통의 전단방향에 대해 종방향의 섬유질(Fc)과 원통에 대한 나선방향(helical)의 섬유질(Fh)의 복합재로 구성된다.2, in the present invention, the non-reinforced composite thick plate cylinder 300 of the submersible 10 is formed of a cylindrical non-reinforced composite material having a predetermined thickness, and the non-reinforced composite is fiber, and the shear of the cylinder It consists of a composite of fibers (Fc) in the longitudinal direction with respect to the direction and a helical fibers (Fh) with respect to the cylinder.

본 발명에서 잠수정의 후판 원통(300)은 일정한 원통의 외경(Do)을 갖고, 원통의 두께(ts)의 중심으로부터 원통의 중심부까지의 평균 반경(Rm)을 갖는다. The thick plate cylinder 300 of the submersible in the present invention has a constant cylinder outer diameter (Do), and has an average radius (Rm) from the center of the thickness (t s ) of the cylinder to the center of the cylinder.

여기서 상기 원통(300)의 일정 두께(ts)는 상기 종방향의 섬유질(Fc) 및 나선방향의 섬유질(Fh)에 의해 조직되는 비보강 복합재로 구성된다.
Here, the predetermined thickness t s of the cylinder 300 is composed of an unreinforced composite organized by the longitudinal fibers Fc and the spiral fibers Fh.

상기 본 발명의 잠수정 후판 원통은, 수압을 받는 복합재 후판 원통의 붕괴강도를 붕괴 모드별 상호 간섭 효과를 고려하여, 그 강도를 보다 정확하고 신속하게 산출해낼 수 있도록 개선된 새로운 방식의 붕괴강도 설계방법을 통해 제작될 수 있다.The submersible thick plate cylinder of the present invention is a new method of designing the collapse strength of the composite thick plate cylinder subjected to hydraulic pressure in order to calculate the strength more accurately and quickly in consideration of mutual interference effects for each collapse mode. It can be produced through.

본 발명에 따라 수압을 받는 잠수정의 복합재 후판 원통의 최종강도 설계방법은 <수학식 3>을 기본식으로 설정하는 단계; 이 기본식의 저하계수

Figure 112012087302816-pat00003
를 <수학식 4>를 사용하여 치환하는 단계; 및 상기 기본식의 각 변수들에 해당하는 수치를 대입하여 붕괴압력(Pc) 를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
According to the present invention, the method of designing the final strength of a composite thick plate cylinder of a submersible receiving a hydraulic pressure includes the steps of setting <Equation 3> as a basic formula; Reduction Factor of this Basic Formula
Figure 112012087302816-pat00003
Replacing with Equation 4; And the decay pressure (Pc) by substituting numerical values corresponding to the variables of the basic formula. Computing; characterized in that it comprises a.

<수학식 3>&Quot; (3) &quot;

Figure 112012087302816-pat00004

Figure 112012087302816-pat00004

상기 <수학식 3>은 본 발명의 기본식으로 활용되는 Merchant-Rankine 공식으로 붕괴압력을 탄성좌굴압력과 파단압력의 2차 결합으로 나타낸 것이다. 여기에서 Pc 는 구하고자 하는 붕괴압력이고,

Figure 112012087302816-pat00005
는 강도저하계수로 <수학식 4>를 사용하여 구할 수 있다. 또한 Pm 는 수압을 받는 복합재 원통의 탄성좌굴압력으로 <수학식 6>을 사용하여 구할 수 있고, Pf 는 파단압력으로 <수학식 8>에 의해 구한다.
Equation 3 is a Merchant-Rankine formula utilized as a basic formula of the present invention, and shows the collapse pressure as a secondary combination of elastic buckling pressure and breaking pressure. Where P c is the collapse pressure
Figure 112012087302816-pat00005
Can be obtained using Equation 4 as the strength reduction factor. In addition, P m can be obtained using Equation 6 as the elastic buckling pressure of the composite cylinder subjected to hydraulic pressure, and P f is calculated by Equation 8 as the breaking pressure.

<수학식 4>&Quot; (4) &quot;

Figure 112012087302816-pat00006

Figure 112012087302816-pat00006

여기에서

Figure 112012087302816-pat00007
는 강도저하계수이고, ta 는 경사방향 복합재 두께이며, ts 는 원통의 전체 두께이다. 그리고 (Ex)h 와 (Ey)h 는 각각 경사방향 복합재의 축방향과 원주방향 탄성계수로 <수학식 5>로 구할 수 있다.
From here
Figure 112012087302816-pat00007
Is the strength decay factor, t a is the sloped composite thickness, and t s is the overall thickness of the cylinder. And (E x ) h and (E y ) h can be obtained from Equation 5 as the axial and circumferential elastic moduli of the inclined composite.

<수학식 5>&Quot; (5) &quot;

Figure 112012087302816-pat00008
Figure 112012087302816-pat00008

Figure 112012087302816-pat00009

Figure 112012087302816-pat00009

여기에서 (Ex)h 와 (Ey)h 는 각각 경사방향 복합재의 축방향과 원주방향 탄성계수이고 E1 과 E2 는 각각 복합재 재료의 길이 방향과 측방향의 탄성계수이며, C12 와 v12 는 복합재 재료의 면내 전단탄성계수와 프와송비이다. 그리고 θ 는 경사방향 복합재의 축방향과의 경사각이다.
Where (E x ) h and (E y ) h are the axial and circumferential elastic moduli of the inclined composite, respectively, and E 1 and E 2 are the longitudinal and lateral moduli of the composite material, respectively, and C 12 and v 12 is the in-plane shear modulus and Poisson's ratio of the composite material. And θ is the angle of inclination with the axial direction of the inclined direction composite material.

<수학식 6>&Quot; (6) &quot;

Figure 112012087302816-pat00010

Figure 112012087302816-pat00010

여기에서 pm 는 수압을 받는 복합재 원통의 탄성좌굴압력이고, Eeq 는 복합재 원통의 등가 탄성계수로 <수학식 7>에 의해 구한다. Rm 은 원통의 평균 반경이고,

Figure 112012087302816-pat00011
이며, n 은 <수학식 6>의 값은 최소화하는 양의 정수이다.
Where p m is the elastic buckling pressure of the composite cylinder subjected to hydraulic pressure, and E eq is the equivalent elastic modulus of the composite cylinder. R m is the average radius of the cylinder,
Figure 112012087302816-pat00011
N is a positive integer that minimizes the value of Equation 6.

<수학식 7>&Quot; (7) &quot;

Figure 112012087302816-pat00012

Figure 112012087302816-pat00012

여기에서 Eeq 는 복합재 원통의 등가 탄성계수이고, Ex 와 Ey 는 각각 원통의 축방향과 원주방향 탄성계수로

Figure 112012087302816-pat00013
,
Figure 112012087302816-pat00014
로 정해진다. (Ex)h 와 (Ey)h 는 <수학식 5>에 의해 구할 수 있고, ta 는 경사방향 복합재 두께, tc 는 원주방향 복합재 두께이며, ts 는 원통의 전체 두께 (= ta + tc) 이다
Where E eq is the equivalent elastic modulus of the composite cylinder, and E x and E y are the axial and circumferential moduli of the cylinder, respectively.
Figure 112012087302816-pat00013
,
Figure 112012087302816-pat00014
It is decided. (E x ) h and (E y ) h are given by Equation 5, where t a is the sloped composite thickness, t c is the circumferential composite thickness, and t s is the total thickness of the cylinder (= t a + t c ) is

<수학식 8>&Quot; (8) &quot;

Figure 112012087302816-pat00015

Figure 112012087302816-pat00015

여기에서 pf 는 원통의 파단압력으로 축방향의 파단압력 (pf)x 와 사선방향의 파단압력 (pf)θ 중 작은 값을 택하게 된다. (pf)x 와 (pf)θ 는 다음의 식에 의해 구한다. 이런 추정 방법의 적절성은 <도 3>에서 보여주는 복합재 후판 원통 실험 모델의 붕괴 형상으로 확인할 수 있다. Here, p f is the breaking pressure of the cylinder, which is the smaller of the axial breaking pressure (p f ) x and the diagonal breaking pressure (p f ) θ . (p f ) x and (p f ) θ are obtained by the following equation. The suitability of this estimation method can be confirmed by the collapse shape of the composite thick plate cylindrical experimental model shown in FIG.

Figure 112012087302816-pat00016
Figure 112012087302816-pat00016

Figure 112012087302816-pat00017
Figure 112012087302816-pat00017

여기에서 XT 는 재료의 파단강도이다.
Where X T is the breaking strength of the material.

본 발명에서 제시하는 설계법의 적절성과 정확도를 검증하기 위해 21개의 복합재 후판 원통을 제작하고 이에 대한 수압 붕괴실험을 수행하였다. <표 1>에는 실험 모델의 명칭과 치수(길이, 전체 두께, 외경)를 나타내고 있고 <도 2>에는 복합재 원통의 치수를 표시하고 있다.
In order to verify the adequacy and accuracy of the design method proposed in the present invention, 21 composite plate cylinders were fabricated and hydraulic collapse tests were performed. Table 1 shows the names and dimensions (length, total thickness, and outer diameter) of the experimental model, and the dimensions of the composite cylinder are shown in <Figure 2>.

ModelModel Height
(mm)
Height
(mm)
Thickness
(mm)
Thickness
(mm)
Measured outside radius (mm)Measured outside radius (mm)
FW 30/90-1FW 30 / 90-1 686686 8.48.4 159.5159.5 FW 30/90-2FW 30 / 90-2 687687 8.48.4 159.8159.8 FW 30/90-3FW 30 / 90-3 687687 8.48.4 159.2159.2 FW 30/90-4FW 30 / 90-4 687687 8.48.4 159.2159.2 FW 60-1FW 60-1 686686 9.29.2 159.3159.3 FW 60-2FW 60-2 686686 9.29.2 159.3159.3 FW 60-4FW 60-4 687687 9.29.2 159.5159.5 FW 45/90-1FW 45 / 90-1 695695 8.18.1 158.1158.1 FW 45/90-2FW 45 / 90-2 695695 8.18.1 158.1158.1 FW 45/90-3FW 45 / 90-3 695695 8.18.1 158.1158.1 FW 45/90-4FW 45 / 90-4 695695 8.18.1 158.2158.2 FW 60/90-1FW 60 / 90-1 695695 7.87.8 157.8157.8 FW 60/90-2FW 60 / 90-2 695695 7.87.8 157.8157.8 FW 60/90-3FW 60 / 90-3 695695 7.77.7 157.7157.7 FW 60/90-4FW 60 / 90-4 695695 7.97.9 157.9157.9 FWT 45-6-1FWT 45-6-1 695695 6.0476.047 156.047156.047 FWT 45-6-2FWT 45-6-2 694694 6.1716.171 156.171156.171 FWT 45-6-3FWT 45-6-3 693693 6.0916.091 156.091156.091 FWT 45-10-1FWT 45-10-1 693693 10.40310.403 160.403160.403 FWT 45-10-2FWT 45-10-2 694694 10.36410.364 160.364160.364 FWT 45-10-3FWT 45-10-3 694694 10.60310.603 160.603160.603

<표 2>에서는 실험 모델에 사용한 복합재 재료의 특성을 나타내고 있다. 이 표에서는 재료 섬유의 길이 방향 탄성계수 E1 , , 측방향 탄성계수 E2 과 E3 , 면내 프와송비 ν12 와 ν13 와 면외 프와송비 ν23, 면내 전단탄성계수 G12 와 G13 , 면외 전단탄성계수 G23, 길이 방향 인장강도 XT, 측방향 인장강도 YT 및 ZT , 면내 전단강도 S12 및 S13, 및 면외 전단강도 S23 를 보여주고 있다.
Table 2 shows the properties of the composite material used in the experimental model. In this table, the longitudinal modulus of fiber E 1 , and the lateral modulus E 2 And E 3 , in-plane Poisson's ratio ν 12 and ν 13 and out-of-plane Poisson's ratio ν 23 , in-plane shear modulus G 12 And G 13 , out-of-plane shear modulus G 23 , longitudinal tensile strength X T , lateral tensile strength Y T and Z T , in-plane shear strength S 12 and S 13 , and out-of-plane shear strength S 23 .

PropertyProperty SymbolSymbol ValueValue UnitUnit Elastic modulusElastic modulus EE 1One 149.120149.120 GPaGPa EE 22 == EE 33 10.55810.558 GPaGPa Poisson's
ratio
Poisson's
ratio
νv 1212 = ν 1313 0.2530.253 --
νv 2323 0.4210.421 -- Shear
modulus
Shear
modulus
GG 1212 == GG 1313 4.1384.138 GPaGPa
GG 2323 3.3113.311 GPaGPa Tensile
Strength
Tensile
Strength
XX TT 25482548 MPaMPa
YY TT == ZZ TT 4040 MPaMPa Shear
Strength
Shear
Strength
SS 1212 == SS 1313 5555 MPaMPa
SS 2323 7979 MPaMPa

<표 3>에는 실험모델의 명칭과 함께 탄성계수의 비

Figure 112012087302816-pat00018
, 경사방향 복합재 두께와 전체 두께의 비
Figure 112012087302816-pat00019
, 발명된 설계법에 의한 추정 붕괴압력 (Pc)pred . 과 실험에 의한 붕괴압력 (Pc)exp . 과 그 비
Figure 112012087302816-pat00020
를 보여주고 있다.
Table 3 shows the ratio of elastic modulus along with the name of the experimental model.
Figure 112012087302816-pat00018
, Ratio of sloped composite thickness to total thickness
Figure 112012087302816-pat00019
, The estimated collapse pressure (P c ) pred . And decay pressures (P c ) exp . And its rain
Figure 112012087302816-pat00020
Respectively.

Figure 112012087302816-pat00021
Figure 112012087302816-pat00021

발명된 설계법의 정확도를 알아보기 위해 발명된 설계법에 의한 추정 붕괴압력, (Pc)pred . 과 실험에 의한 붕괴압력, (Pc)exp . 의 비

Figure 112012087302816-pat00022
, 즉 <표 3>의 제일 마지막 줄의 값의 평균과 무차원화된 표준편차(COV: Coefficient of Variation)를 계산한 바, 평균은 1.00 이고 COV는 5.71%로 상당히 우수한 결과를 제시하고 있다.
Estimated collapse pressure by the invented design method, (P c ) pred . And the collapse pressure from the experiment, (P c ) exp . Rain of
Figure 112012087302816-pat00022
In other words, the average of the values in the last row of <Table 3> and the coefficient of variation (COV) were calculated. The average was 1.00 and the COV was 5.71%, which is quite good.

앞서 살펴본 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자(이하 '당업자'라 한다)가 본 발명에 따른 수압을 받는 비보강 복합재 후판 원통 및 이의 붕괴강도추정에 의한 최종강도 설계방법을 용이하게 실시할 수 있도록 하는 바람직한 실시예일 뿐, 전술한 실시예 및 첨부한 도면에 한정되는 것은 아니므로 이로 인해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 당업자에게 있어 명백할 것이며, 당업자에 의해 용이하게 변경가능한 부분도 본 발명의 권리범위에 포함됨은 자명하다.
The above-described embodiment is a method of designing the final strength by the non-reinforced composite thick plate cylinder and the collapse strength estimation thereof that the person skilled in the art (hereinafter referred to as 'an expert') according to the present invention under water pressure according to the present invention The present invention is not limited to the above-described embodiment and the accompanying drawings, which are intended to facilitate the implementation of the present invention. Therefore, the scope of the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various changes, substitutions, and alterations can be made hereto without departing from the spirit of the present invention, and it is obvious that those parts easily changeable by those skilled in the art are also included in the scope of the present invention.

10 : 잠수정 300 : 후판 원통
Xh : 나선방향 붕괴 Xc : 종방향 붕괴
Do : 잠수정의 후판 원통 외경 Rm : 후판 원통의 평균반경
ts : 후판 원통의 두께 θ : 경사방향 복합재(Fh)와 종방향 복합재(Fc)의 경사각
Fh : 나선방향 섬유 Fc : 종방향 섬유
10: submersible 300: thick plate cylinder
Xh: spiral collapse Xc: longitudinal collapse
Do: Outer plate cylindrical outer diameter of submersible Rm: Average radius of thick plate cylinder
ts: Thickness of the thick plate cylinder θ: Inclined angle of the inclined composite material (Fh) and the longitudinal composite material (Fc)
Fh: spiral fiber Fc: longitudinal fiber

Claims (5)

삭제delete 수압을 받는 잠수정의 복합재 후판 원통 설계방법에 있어서,
Figure 112012087302816-pat00023
을 기본식으로 설정하는 단계;
상기 기본식의 강도저하계수를
Figure 112012087302816-pat00024
로 치환하는 단계:
상기 기본식에 각 변수들의 해당 수치를 대입하여 붕괴강도 Pc 를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 잠수정의 복합재 후판 원통 최종강도 설계방법.
[
Figure 112012087302816-pat00025
는 강도저하계수, pc 는 붕괴압력, pm은 수압을 받는 복합재 원통의 탄성좌굴압력, pf는 복합재 원통의 파단압력, ta 는 경사방향 복합재 두께, ts 는 원통 전체의 두께, (Ex)h 는 경사방향 복합재의 축방향 탄성계수, (Ey)h는 경사방향 복합재의 원주방향 탄성계수를 나타낸다.]
In the design method of composite thick plate cylinder of submersible under water pressure,
Figure 112012087302816-pat00023
Setting the basic expression;
The strength reduction coefficient of the basic formula
Figure 112012087302816-pat00024
Substitution with:
Calculating the collapse strength P c by substituting the corresponding numerical values of the variables in the basic formula; composite thick plate cylindrical final strength design method of a submersible.
[
Figure 112012087302816-pat00025
Is the strength reduction factor, p c Is the collapse pressure, p m is the elastic buckling pressure of the composite cylinder under water pressure, p f is the breaking pressure of the composite cylinder, t a is the thickness of the composite in the direction of the slope, t s is the thickness of the entire cylinder, and (Ex) h is the gradient of the composite. The axial elastic modulus of (Ey) h denotes the circumferential elastic modulus of the warp composite.]
제 2 항에 있어서,
복합재 원통의 탄성좌굴압력(Pm)은,
Figure 112014014733478-pat00026
이고,
복합재 원통의 파단압력(Pf)은,
Figure 112014014733478-pat00027
Figure 112014014733478-pat00028
중 작은 값을 택하여 설계되는 것을 특징으로 하는 잠수정의 복합재 후판 원통 최종강도 설계방법.
3. The method of claim 2,
The elastic buckling pressure (P m ) of the composite cylinder is
Figure 112014014733478-pat00026
ego,
The breaking pressure (P f ) of the composite cylinder is
Figure 112014014733478-pat00027
and
Figure 112014014733478-pat00028
Final strength design method of the composite thick plate cylindrical submersible of the submersible, characterized in that designed by taking a small value.
제 2 항 또는 제 3 항의 설계방법으로 잠수정의 후판 원통의 최종강도를 설계한 잠수정의 비보강 복합재 후판 원통.An unreinforced composite thick plate cylinder of the submersible, designed for the ultimate strength of the heavy plate cylinder of the submersible by the design method of claim 2 or 3. 제 4 항에 있어서,
상기 후판 원통은,
원통의 길이방향에 대한 전단방향으로 다수 개 중첩되어 형성된 종방향 섬유; 및
상기 원통에 대해 나선방향으로 다수 개 중첩되어 형성된 나선방향 섬유;
로 이루어진 비보강 복합재로 구성되는 잠수정의 비보강 복합재 후판 원통.
5. The method of claim 4,
The thick plate cylinder,
Longitudinal fibers formed of a plurality of overlapping shearing directions in the longitudinal direction of the cylinder; And
Spiral fibers formed in a plurality of spirals with respect to the cylinder;
Submerged unreinforced composite thick plate cylinder consisting of a non-reinforced composite consisting of.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102219298B1 (en) * 2020-12-02 2021-02-24 주식회사 울산랩 Ultimate strength design method for welded hemispherical structures subjected to external hydrostatic pressure

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한국정밀공학회 2009년도 춘계학술대회논문집, 제841면 및 제842면
한국항공우주학회지 제37권 제2호, 제147면 및 제155면
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