KR101514931B1

KR101514931B1 - 슬로싱 충격 구현용 낙하실험 장비

Info

Publication number: KR101514931B1
Application number: KR1020140177662A
Authority: KR
Inventors: 김용환
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2014-12-10
Filing date: 2014-12-10
Publication date: 2015-04-23

Abstract

본 발명은 기존의 Wet Drop 방식의 낙하실험 장비에 비해 실제 슬로싱 현상에 가깝게 슬로싱 충격을 구현할 수 있는 장비로, 본 발명을 이용하여 실물 보온박스에 스트레인 게이지를 부착하고 실험을 수행 시, 실제 스케일에서의 보온박스에 작용하는 슬로싱 충격 응답 분석 및 파괴 양상을 고찰할 수 있는 큰 장점이 있다.

Description

슬로싱 충격 구현용 낙하실험 장비{Drop Test Device for Sloshing Impact on LNG CCS}

본 발명은 슬로싱 충격 구현용 낙하실험 장비에 관한 것이다.

LNG(액화천연가스, Liquified Natural Gas)는 가스전에서 채취한 천연가스를 액화시킨 것으로, 무색투명하고 공해물질이 거의 없으며 열량이 높아 대단히 우수한 연료로 각광받고 있다.

LNG를 운반하기 위한 목적으로 제조된 선박을 LNG 운반선이라고 하는데, LNG 운반선은 영하 162℃로 액화된 LNG를 수용할 수 있는 단열된 전용 LNG 화물창을 구비한다. LNG 화물창 내부는 방벽과 보온구역이 샌드위치처럼 이중으로 설치되어 있으며, 보온구역에는 다수의 보온박스가 연속으로 설치되어 단열기능을 한다.

LNG 화물창은 고압으로 압축하여 액화된 영하 162℃의 초저온 LNG를 저장, 운반하는 특성상 LNG의 저장 및 하역에 따른 압력변화에 따라서 지속적인 압축, 팽창과 같은 구조적 스트레스를 받게 된다. 더욱이 LNG 운반선은 험난한 대양을 운항하는 과정에서 Roll, Pitch, Yaw 등의 6자 운동을 하게 되므로 이에 따른 LNG 화물창 내 액체 유동에 의하여 슬로싱(Sloshing) 현상이 발생하여 지속적으로 LNG 화물창에 충격을 가하고 피로를 누적시킨다. 그 결과 LNG 화물창의 보온박스가 손상 또는 파손되어 단열성능이 저하된다.

슬로싱이란 탱크 내부에 부분적으로 적재된 유체가 외부 기진력으로 인해 격렬한 자유표면의 변화를 일으키며 출렁거리는 현상을 뜻한다. 슬로싱으로 인한 충격 현상은 우주발사체의 궤적 오차, 선박의 액체 화물창 구조 손상 등의 공학적 문제를 야기하고 있다. 조선해양산업에서 슬로싱은 LNG 화물창을 장착하는 선박 및 해양구조물(LNG 운반선, LNG-RV, LNG-FPSO, FSRU 등)에 공통적인 문제이다.

LNG 화물창의 단열성능 저하로 인하여 저장 중인 LNG의 기화압력이 높아지게 되는데, 그것이 LNG 화물창의 설계압력보다 높아지면 LNG를 외부로 배출하여 LNG 화물창의 압력을 낮추어야 하는 문제가 발생한다. 이것은 저장된 LNG의 소모를 뜻한다. LNG 운반선의 경우 운반 중에 기화된 LNG가 과압으로 인하여 외부로 배출되어 소모된다면 큰 손해를 보게 된다. 또한 보온박스의 손상에 따라 기화된 LNG가 누출되어 폭발할 우려가 있으므로 위험하다. 이러한 이유 때문에 LNG 화물창 내 LNG의 슬로싱 현상을 정확하게 계측하고 이에 대응한 설계나 유지보수를 하는 것이 꼭 필요하다.

현재의 LNG 화물창 설계를 위한 슬로싱 하중 추정은 소형/중형 모형실험(Small-Scale Model Test)과 CFD(Computational Fluid Dynamics)를 이용하고 있다. 이 방법들은 많은 불확실성을 내포하고 있으며, LNG 화물창 내는 액체 및 기체 상태의 천연가스와 화물창 구조물이 상호 작용하는(Vapor-Fluid-Structure Interaction) 복잡한 상태이다.

슬로싱 해석분야에서 가장 많이 이용되는 방법인 1/70~1/40 축척비의 모형 탱크 실험은 실제 선박의 운동을 모사할 수 있는 운동 플랫폼을 이용하여 실제와 유사한 강한 비선형성의 슬로싱 유동을 재현하여 축척 스케일의 슬로싱 충격압력을 계측 및 분석할 수 있다는 점에서 유용하다. 그러나 축척효과(Scale Effect)에 의한 불확실성이 존재하며, 유체(천연가스)와 고체(화물창구조물)가 상호작용 하는 유탄성(Hydroelastic) 현상을 규명할 수 없다는 단점이 있다.

이와 같은 단점을 해결하기 위한 가장 좋은 방법은 실제 스케일의 화물창 모형을 제작하여 6자유도 운동을 모사하여 실험을 하는 것이지만, 이는 현실적으로 많은 어려움이 있다. 가장 현실적인 대안은 대형 낙하실험을 통하여 1회성 슬로싱 충격 실험을 하는 것이다. 실제 스케일의 슬로싱 충격실험의 장점은 축척효과에 의한 불확실성을 고려할 필요가 없다는 점이며, 압력을 계측하여 구조물의 응답을 예측해야 하는 기존의 축적모형실험과는 달리 실제 LNG 화물창 구조물에 그대로 충격을 가하여 그 응답을 살펴볼 수 있다는 점이다.

이와 관련하여, 종래의 충격 구현 낙하실험은 수조에 유체(물)를 채운 후 구조물을 떨어뜨리는 Wet Drop 방식으로 수행되어 왔다(도 1 참조). 하지만, 본 방식은 선수 돌출부나 바닥이 수면이나 파와 부딪치면서 충격파가 생기는 현상인 슬래밍(Slamming)을 구현함에 있어서는 유용하지만, 내부 유동에 의한 유체의 직접적 충격인 슬로싱 현상을 구현해 내지는 못한다는 한계가 있다.

액화천연가스 수송선의 화물 탱크 내 슬로싱 현상의 계측 장치(특허출원 제10-2011-0108800호)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 실제 스케일에서 슬로싱에 의해 발생하는 유체 충격을 구현할 수 있는 낙하실험 장비를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

중량물을 수조 상부의 임의의 위치에 고정시키거나 상기 수조 안으로 낙하시키는 중량물 고정 및 낙하장치;

상기 중량물 고정 및 낙하장치와 결합하며, 낙하 시 상기 수조 내부의 유체에 충격을 가하는 중량물;

상기 중량물과 결합하며, 상기 중량물이 수직으로 매끄럽게 낙하할 수 있도록 가이드 하는 낙하 가이드라인; 및

상기 중량물의 하방에 위치하며, 상기 중량물을 포함할 수 있는 크기로 제작되고 내부에 유체를 포함하는 수조;

를 포함하는, 슬로싱 충격 구현용 낙하실험 장비를 제공한다.

도 1은 종래의 낙하실험 방식과 본 발명의 차이.
도 2는 본 발명의 전체적인 모습.
도 3은 본 발명에 따른 철제 케이싱의 구성.
도 4는 본 발명의 구성 및 작용.
도 5는 본 발명을 통해 계측한 충격압력신호.
도 6은 통상적으로 슬로싱 모형실험에서 나타나는 충격압력신호.
도 7은 본 발명의 실시 예로서, 1차 실험 시 보온박스 옆면의 좌굴 파괴 모습.
도 8은 본 발명의 실시 예로서, 2차 실험 시 스트레인 게이지 부착위치 및 사진.
도 9는 본 발명의 실시 예로서, 2차 실험 시 보온박스의 종방향 스트레인.
도 10은 본 발명의 실시 예로서, 2차 실험 시 손상된 알루미늄 박막과 보온박스 사진.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 2는 본 발명의 전체적인 모습을, 도 4는 본 발명의 구성 및 작용을 보여주는 도면이다.

본 발명은 실제 스케일에서 슬로싱에 의해 발생하는 유체 충격을 구현하고, LNG 화물창에서 나타나는 응답을 살펴보기 위한 효율적인 방안을 제시하고자 한다. LNG 화물창에 사용되는 실물 보온박스(51)를 수조(40) 안에 설치하고 중량물(20)을 낙하시켜 그 운동량이 수조(40)의 유체에 충격량으로 전달되고, 그 유체가 다시 충격을 보온박스(51)로 전달하도록 하는 것이 본 발명의 핵심이며, 이는 기존의 Wet Drop 방식의 낙하실험 장비에 비해 더욱 실제 스케일의 슬로싱에 유사한 충격을 구현할 수 있다(도 1 참조).

이하, 본 발명에 따른 슬로싱 충격 구현용 낙하실험 장비의 구성요소별 기능 및 작용에 대하여 상세히 설명한다.

중량물 고정 및 낙하장치(10)

중량물 고정 및 낙하장치(10)는 본 발명의 가장 상단부에 위치한 부분으로 중량물(20)을 지탱하고 정교하게 떨어뜨리는 역할을 한다. 보다 구체적으로, 중량물 고정 및 낙하장치(10)는 중량물(20)을 수조(40) 상부의 임의의 위치에 고정시키거나 수조(40) 안으로 낙하시키는 역할을 한다.

중량물 고정 및 낙하장치(10)는 운반수단(11)과 연결수단(12)으로 이루어지는데, 연결수단(12)은 운반수단(11)과 중량물(20)을 연결시키며, 운반수단(11)의 작동에 따라 정지 또는 상하 방향으로 이동하는 작용을 한다. 운반수단(11)은 호이스트, 크레인, 도르래 장치 등과 같이 기계적 작동에 따라 연결수단(12)에 부착된 중량물(20)을 수조(40) 상부의 임의의 위치에 고정(정지)시키거나 상하 방향으로 이동시킬 수 있는 수단이면 모두 가능하다. 그리고 연결수단(12)은 줄이나 밧줄, 끈 등과 같이 운반수단(11)과 중량물(20)을 연결할 수 있는 수단이면 모두 가능하다. 참고로, 도 4의 실시 예에서는 운반수단(11)으로 호이스트를, 연결수단(12)으로 줄을 이용하였다.

한편, 중량물(20)을 곧바로 연결수단(12)에 연결하는 것도 가능하나, 실험의 편의성과 정교함을 높이기 위해 연결수단(12)에 중량물(20)을 부착시키기 위한 부착수단(13)을 별도로 구비하는 것이 바람직하다. 부착수단(13)은 대부분의 경우 연결수단(12)의 끝단에 설치될 수 있는바, 이러한 부착수단(13)은 전자석, 걸쇠 등과 같이 연결수단(12)과 중량물(20) 간의 연결을 매개할 수 있는 수단이면 모두 가능하다. 참고로, 도 4의 실시 예에서는 부착수단(13)으로 전자석을 이용하였다.

도 4의 실시 예에서, 중량물 고정 및 낙하장치(10)는 호이스트의 줄 하단에 전자석이 부착된 구성을 하고 있는데, 호이스트의 작동에 따라 줄이 하방으로 풀리거나 상방으로 감기게 된다. 호이스트의 크기나 용량은 실험목적이나 중량물(20)의 크기 등에 따라 다각적으로 채택할 수 있는바, 도 4의 실시 예에서는 3톤급 호이스트를 이용하였다.

중량물(20)

중량물(20)은 특정 중량을 갖는 구조물로, 중량물 고정 및 낙하장치(10)와 결합하며, 낙하 시 수조(40) 내부의 유체에 충격(압력, 하중, 에너지)을 가하는 역할을 한다.

한편, 도 4의 실시 예에서는 부착수단(13)으로 전자석을 이용하는데, 그 이유는 자유낙하에 가깝고 정교한 낙하를 구현함에 있어서 전자석의 작동이 매우 유용하게 활용될 수 있기 때문이다. 전자석에 흐르는 전류를 낙하 직전에 차단하여 중량물(20)을 떨어뜨릴 경우 흔들림 없는 정교한 낙하가 가능하다. 도 4에서, 중량물(20)은 중량물 고정 및 낙하장치(10)의 하방에 위치하는데, 전자석의 전류가 On 상태인 경우 중량물(20)은 전자석과 결합하여 중량물 고정 및 낙하장치(10)에 고정되고 전자석의 전류가 Off 상태인 경우 중량물(20)은 전자석과 분리되어 하방의 수조(40)로 낙하하게 된다.

한편, 상술한 바와 같이 도 4의 실시 예에서는 운반수단(11)으로 호이스트를, 연결수단(12)으로 줄을 이용한다. 중량물(20)이 중량물 고정 및 낙하장치(10)에 고정된 상태에서 호이스트의 작동에 따라 줄이 하방으로 풀리거나 상방으로 감기면 이를 통하여 중량물(20)의 낙하 높이를 조절할 수 있다. 즉, 줄이 하방으로 풀리면 그 만큼 중량물(20)의 낙하 높이가 감소하고 줄이 상방으로 감기면 그 만큼 중량물(20)의 낙하 높이가 증가하게 되는 것이다. 그리고 이처럼 중량물(20)의 낙하 높이를 조절함으로써 중량물(20)의 낙하 시 수조(40)의 유체에 가해지는 충격 크기를 조절할 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면 중량물(20)의 낙하 높이를 조절하거나 중량물(20)의 크기를 변경함으로써 실제 스케일에서 슬로싱에 의해 발생하는 유체 충격을 다양하게 구현할 수 있는 것이다. 도 4의 실시 예에서는 중량물(20)의 낙하 높이가 최대 4.3m, 중량물(20)의 중량은 약 2톤이 되도록 하였다.

중량물(20)은 낙하 시 수조(40)에 포함될 수 있는 크기로 제작되며, 중량물(20)의 낙하 시 접수면 형상에 따른 충격효과를 살펴보기 위하여 중량물(20) 단면은 평판형과 쐐기형 등 다양한 형상으로 변경이 가능하도록 설계되는 것이 바람직하다.

낙하 가이드라인(30)

낙하 가이드라인(30)은 중량물(20)과 결합하여 중량물(20)이 수직으로 매끄럽게 낙하할 수 있도록 가이드 하는 역할을 한다.

낙하 가이드라인(30)은 상하 방향으로 설치되는 봉 구조물(도 2) 또는 사각레일(LM가이드)의 형상일 수 있다. 낙하 가이드라인(30)과 중량물(20) 간의 결합방식은 다양할 수 있는바, 한 가지 예를 든다면 낙하 가이드라인(30)은 중량물(20)에 형성된 관통구(21)를 통과하여 설치되는 것이 가능하다. 도 2의 실시 예에서, 중량물(20)은 네 귀퉁이에 관통구(21)가 형성되어 있으며, 총 네 개의 낙하 가이드라인(30)이 각각 중량물(20)의 귀퉁이에 하나씩 설치된다.

중량물(20)은 상하 방향 수직으로 설치된 낙하 가이드라인(30)을 타고 낙하하게 되므로 낙하 과정에서 기울어지거나 경로를 이탈하는 경우가 발생하지 않는다. 만약 중량물(20)이 낙하 과정에서 기울어지거나 경로를 이탈하는 경우가 발생하면 중량물(20)은 수조(40) 내부로 제대로 투입되지 못하고 수조(40)의 가장자리와 충돌하거나 수조(40)의 외부로 벗어나게 될 것이며 그 결과 수조(40) 내 유체에 원하는 충격 에너지를 충분히 가할 수 없게 될 것이다. 하지만 본 발명의 경우 낙하 가이드라인(30)의 작용으로 이러한 문제는 발생하지 않는다.

한편, 낙하 가이드라인(30)은 중량물(20)이 낙하하는 경우뿐만 아니라 중량물 고정 및 낙하장치(10)로 낙하한 중량물(20)을 다시 끌어올리는 과정에서도 중량물(20)이 본래의 경로를 유지하도록 하는 작용을 한다. 따라서 일단 중량물(20)과 수조(40)의 초기 위치만 세팅이 되면 수차례 실험이 반복되는 경우에도 중량물(20)은 정확히 수조(40) 내부로 낙하하여 투입될 수 있다.

한편, 본 발명의 실시 예에서는 낙하 가이드라인(30)과 더불어 지지 기둥(90)을 설치하여 구조물의 안정성을 확보하였다.

수조(40)

수조(40)는 본 발명의 최하단부(바닥)에 위치한 부분으로 중량물(20)의 낙하 시 중량물(20)을 포함할 수 있는 크기로 제작된다.

수조(40) 내부에는 유체(물)가 일정 수위만큼 차 있으므로, 중량물(20)의 낙하 시 중량물(20)은 유체에 충격을 가하게 된다. 이 때 압력센서를 이용하여 유체에 가해지는 충격 수치를 측정하는 것도 물론 가능하나, 본 발명에 따른 실험의 궁극적인 목적은 LNG 화물창에 사용되는 실물 보온박스(51)가 실제 상황과 동일하게 구현된 슬로싱에 의한 충격을 받았을 때의 상황을 재현하는 것에 있으므로, 수조(40) 바닥에는 보온박스(51)가 유체에 완전히 잠긴 상태가 되도록 놓여지는 것이 더욱 바람직하다. 이 때 수조(40)는 중량물(20)의 낙하 시 유체에 가해지는 충격을 보온박스(51)로 전달하는 역할을 하게 된다.

다시 말하면, LNG 화물창에 사용되는 실물 보온박스(51)를 수조(40) 안에 설치하고 중량물(20)을 낙하시켜 그 운동량이 수조(40)의 유체에 충격량으로 전달되고, 그 유체가 다시 충격을 보온박스(51)로 전달하도록 하여, 실제 스케일에서 슬로싱에 의해 발생하는 유체 충격을 구현해 내는 것이다.

본 발명의 실시 예에서 수조(40)는 유체 충격을 견디기 위해 20T의 두꺼운 철로 제작되었다. 그리고 충격 당시의 보온박스(51) 응답을 관측하기 위해 강화유리를 이용하여 투시창(41)을 만들었다(도 2 참조).

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면 LNG 화물창에 사용되는 실물 보온박스(51)(NO96 타입 등)를 설치하여 슬로싱 하중에 의한 구조응답을 추정할 수 있는데, 이 경우 보온박스(51)가 수조(40) 안에 어떻게 고정되는지에 따라서도 응답특성이 달라질 수 있으므로, 실험 시 보온박스(51)가 실제로 LNG 화물창에 설치된 것과 유사한 조건을 만들어 주는 것이 중요하다.

이를 위하여 본 발명에서는 보온박스(51)를 철제 케이싱(50) 내부에 수납하고 상기 철제 케이싱(50)을 수조(40)에 설치하는 방식을 취하였다(도 3 참조). 철제 케이싱(50)은 개방된 윗면만 0.8T 두께의 알루미늄 박막(53)으로 덮이고 나머지 모든 면들은 일정 강도와 두께를 갖는 철판으로 이루어지므로, 중량물(20)의 낙하 시 유체에 가해지는 충격은 고스란히 보온박스(51) 윗면으로만 전달되며 보온박스(51) 측면이나 바닥으로는 압력이 거의 가해지지 않는다. 이는 실제 LNG 화물창에서 보온박스(51)에 슬로싱 하중이 가해지는 양상을 그대로 반영한 것이다.

그리고 철제 케이싱(50) 안에서 보온박스(51)가 움직이지 않도록 팽창식 우레탄 폼(52)을 이용하여 보온박스(51)를 고정하고, 철제 케이싱(50)의 윗면을 덮은 알루미늄 박막(53)의 가장자리는 실리콘(54) 방수 처리를 통해 수밀이 되도록 하였다(도 3 참조). 이는 실제 LNG 화물창에서 다수의 보온박스(51)가 연속으로 배치되어 움직이지 않고 고정되도록 설치되며, 화물창의 방수 처리로 인해 보온박스(51)가 유체(LNG)와 직접 접촉하지 않는 점을 그대로 반영한 것이다.

스프링 댐퍼 (60)

스프링 댐퍼(60)는 중량물(20)이 오직 수조(40)에 잠긴 유체에만 충격을 가하도록 하기 위하여 발명된 장치이다(도 2 참조). 스프링 댐퍼(60)는 중량물(20)의 하방에 위치하여, 중량물(20)의 낙하 시 중량물(20)이 수조(40) 내 일정 깊이 이상 진입하지 않도록 차단하는 일종의 스토퍼 역할을 한다. 이에 따라, 낙하한 중량물(20)은 1차적으로 유체에 충격을 가하면서 대부분의 에너지를 유체에 전달한 후, 스프링 댐퍼(60)에 의해 다른 여타 구조물(보온박스(51), 수조(40) 등)에는 직접적인 충격을 가하지 않으면서 완전 정지하게 된다.

안전 방화벽(70)

본 발명의 경우 기본적으로 수조(40) 내 유체는 물을 사용하지만, 경우에 따라서는 부탄가스, 메탄가스 등 LNG와 유사한 유체로 실험을 해야 할 수도 있으며, 이와 같은 경우 폭발의 위험이 염려된다. 이를 대비하여 본 발명에서는 수조(40) 주위에 일정 높이의 안전 방화벽(70)을 설치하였다.

수조 충격 흡수 댐퍼 (80)

수조 충격 흡수 댐퍼(80)는 수조(40)의 외곽(예를 들면, 수조(40)의 바닥 면)에 설치되며, 중량물(20)의 낙하 시 수조(40)에 가해지는 충격을 흡수하는 역할을 한다. 이는 중량물(20)이 수조(40)에 떨어지면서 발생하는 충격에너지가 실험실 전체에 충격을 전달하지 않도록 하기 위함이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 기존의 Wet Drop 방식의 낙하실험 장비에 비해 실제 슬로싱 현상에 가깝게 슬로싱 충격을 구현할 수 있는 장비로, 본 발명을 이용하여 실물 보온박스(51)에 스트레인 게이지를 부착하고 실험을 수행 시, 실제 스케일에서의 보온박스(51)에 작용하는 슬로싱 충격 응답 분석 및 파괴 양상을 고찰할 수 있는 큰 장점이 있다.

기존의 여러 낙하실험 방식들이 주로 하중의 절대적인 크기에 초점을 맞추어 낙하실험을 수행한 것에 비해, 본 발명은 실제 LNG 화물창 내에서 발생 가능하고 강한 충격 압력을 야기할 수 있는 특성을 갖는 충격 하중을 그대로 재현할 수 있는 장비라는 점에서 그 의의가 있다.

도 5 및 도 6에서 본 발명을 통해 계측한 충격압력신호(도 5)와 통상적으로 슬로싱 모형실험에서 나타나는 충격압력신호(도 6)를 비교하였다. 본 발명에서 중량물(20)의 낙하 높이를 변화시켜가며 압력을 계측해 본 결과, 낙하 높이에 따른 충격 작용시간은 큰 변화가 없으며 압력의 절대치만 차이를 보이는 것을 확인하였다. 이는 짧은 시간동안 발생하여 큰 Peak치를 보이는 기존에 알려진 슬로싱 충격압력의 특징에 잘 부합하는 결과라 할 수 있다.

<본 발명을 이용한 실험 예>

1차 실험

조선소에서 실제로 사용하는 NO96 실물 보온박스(51)(Reinforced Type)를 이용하여 충격 실험을 수행하였다. 보온박스(51)를 수조(40) 안에 고정시킨 후 4.3m에서 중량물(20)을 낙하시켜 파손 여부를 확인하였다. 실험 결과, 도 7에서 보는 바와 같이 보온박스(51)의 양 옆면(보온박스(51) 내부 격벽으로 보강되지 않는 방향 면)에 좌굴 파괴 현상이 일어났다. 파괴 상황으로 보아 보온박스(51) 윗면이 압력을 받으면서 보온박스(51) 옆면이 길이 방향으로 굽힘 응력을 받으면서 밀려나와 상판과 고정시키는 스테이플러 고정 단에서 Plywood 판의 단층면이 손상, 분리된 것으로 보인다.

2차 실험

보다 종합적인 분석을 위하여, 실물 보온박스(51)에 스트레인 게이지를 부착하여 변형률을 계측하였다. 스트레인 게이지는 방수가 가능하도록 보온박스(51)에 접착제로 부착 후, 방수 실리콘(54)을 도포하였다. 대상체인 보온박스(51)의 변형률을 변형시키지 않도록 하기 위하여, 시편 등을 이용하지 않고 스트레인 게이지를 직접 부착하였다. 스트레인 게이지의 부착 위치는 도 8에서 보는 바와 같다. 이 때, 보온박스(51)의 내부 보강재의 방향을 고려하여 변형이 많이 일어나는 면에 더 많은 스트레인 게이지를 부착하였다. 실험 시 온도에 의한 스트레인 게이지 변형률 변화를 최소화하고자, 방수 상태의 철제 케이싱(50)이 물에 잠긴 후 충분한 시간을 두어 스트레인 게이지가 부착된 보온박스(51)가 놓인 철제 케이싱(50) 내부의 온도와 수온이 같아지도록 하였다.

1차 실험의 목표가 보온박스(51)의 손상이 발생하는 충격 조건과 충격 압력을 파악하기 위함이었다면, 2차 실험의 목표는 보온박스(51)에 스트레인 게이지를 부착하여 충격 압력 작용 순간의 보온박스(51)의 구조적인 변형과 응답 특성을 파악하는 것이다. 2차 실험 결과는 도 9 및 도 10에 나타나 있다. 도 9에서 센서가 없는 곳의 값은 선형 보간한 값이다.

2차 실험 결과, 보온박스(51)의 구조물 중앙부에서 길이 방향 변형이 매우 크게 일어났으며, 실제 파괴가 발생하였다. 높이 방향의 변형은 Tension과 Compression이 번갈아 가며 진동으로 나타났으나, 길이 방향의 변형은 충격압력 하중이 작용되는 0.04sec 이내에는 Compression이 일어났고, 충격 하중이 거의 사라진 이후에는 Tension 변형이 생겼다. 한편, 보온박스(51)의 상판에도 각 보강재 사이로 Bending이 많이 발생하였다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 중량물 고정 및 낙하장치 11 : 운반수단
12 : 연결수단 13 : 부착수단
20 : 중량물 21 : 관통구
30 : 낙하 가이드라인 40 : 수조
41 : 투시창 50 : 철제 케이싱
51 : 보온박스 52 : 우레탄 폼
53 : 알루미늄 박막 54 : 실리콘
60 : 스프링 댐퍼 70 : 안전 방화벽
80 : 수조 충격 흡수 댐퍼 90 : 지지 기둥

Claims

중량물(20)을 수조(40) 상부의 임의의 위치에 고정시키거나 상기 수조(40) 안으로 낙하시키는 중량물 고정 및 낙하장치(10);
상기 중량물 고정 및 낙하장치(10)와 결합하며, 낙하 시 상기 수조(40) 내부의 유체에 충격을 가하는 중량물(20);
상기 중량물(20)과 결합하며, 상기 중량물(20)이 수직으로 매끄럽게 낙하할 수 있도록 가이드 하는 낙하 가이드라인(30); 및
상기 중량물(20)의 하방에 위치하며, 상기 중량물(20)을 포함할 수 있는 크기로 제작되고 내부에 유체를 포함하며, 보온박스(51)를 포함하되, 상기 중량물(20)의 낙하 시 유체에 가해지는 충격을 상기 보온박스(51)로 전달하는 수조(40);
를 포함하는, 슬로싱 충격 구현용 낙하실험 장비.
청구항 1에 있어서,
상기 중량물 고정 및 낙하장치(10)는,
운반수단(11); 및
상기 운반수단(11)과 상기 중량물(20)을 연결시키며, 상기 운반수단(11)의 작동에 따라 정지 또는 상하 방향으로 이동하는 연결수단(12);
을 포함하는, 슬로싱 충격 구현용 낙하실험 장비.
청구항 2에 있어서,
상기 연결수단(12)에 상기 중량물(20)을 부착시키는 부착수단(13);
을 포함하는, 슬로싱 충격 구현용 낙하실험 장비.
청구항 2에 있어서,
상기 운반수단(11)은 호이스트, 크레인, 도르래 장치 중 어느 하나 이상이 택일되는 것을 특징으로 하는, 슬로싱 충격 구현용 낙하실험 장비.
청구항 3에 있어서,
상기 부착수단(13)은 전자석, 걸쇠 중 어느 하나 이상이 택일되는 것을 특징으로 하는, 슬로싱 충격 구현용 낙하실험 장비.
청구항 5에 있어서,
상기 중량물(20)은 상기 전자석의 전류가 On 상태인 경우 상기 전자석과 결합하여 상기 중량물 고정 및 낙하장치(10)에 고정되고 상기 전자석의 전류가 Off 상태인 경우 상기 전자석과 분리되어 상기 수조(40)로 낙하하는 것을 특징으로 하는, 슬로싱 충격 구현용 낙하실험 장비.
청구항 1에 있어서,
상기 낙하 가이드라인(30)은 상하 방향으로 설치되는 봉 구조물 또는 사각레일(LM가이드) 형상인 것을 특징으로 하는, 슬로싱 충격 구현용 낙하실험 장비.
청구항 7에 있어서,
상기 낙하 가이드라인(30)은 상기 중량물(20)에 형성된 관통구(21)를 통과하여 설치되는 것을 특징으로 하는, 슬로싱 충격 구현용 낙하실험 장비.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 중량물(20)의 하방에 위치하며, 상기 중량물(20)의 낙하 시 상기 중량물(20)이 상기 수조(40) 내 일정 깊이 이상 진입하지 않도록 차단하는 스프링 댐퍼(60);
를 포함하는, 슬로싱 충격 구현용 낙하실험 장비.
청구항 1에 있어서,
상기 수조(40)는 강화유리로 제작된 투시창(41)을 구비하는 것을 특징으로 하는, 슬로싱 충격 구현용 낙하실험 장비.
청구항 1에 있어서,
상기 보온박스(51)는 철제 케이싱(50) 내부에 수납되는바, 상기 철제 케이싱(50)은 상기 보온박스(51)가 움직이지 않도록 팽창식 우레탄 폼(52)을 이용하여 상기 보온박스(51)를 고정하며 알루미늄 박막(53)으로 상면을 덮고 실리콘(54) 방수 처리를 통해 수밀이 되도록 한 것을 특징으로 하는, 슬로싱 충격 구현용 낙하실험 장비.
청구항 1에 있어서,
상기 수조(40) 주위에 설치되는 안전 방화벽(70);
을 포함하는, 슬로싱 충격 구현용 낙하실험 장비.
청구항 1에 있어서,
상기 수조(40)의 외곽에 설치되며, 상기 중량물(20)의 낙하 시 상기 수조(40)에 가해지는 충격을 흡수하는 수조 충격 흡수 댐퍼(80);
를 포함하는, 슬로싱 충격 구현용 낙하실험 장비.