KR20220144754A - Frp 선체구조 적층판의 경량화를 위한 유리섬유강화재 최적 함유량 결정방법 - Google Patents

Frp 선체구조 적층판의 경량화를 위한 유리섬유강화재 최적 함유량 결정방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20220144754A
KR20220144754A KR1020220004424A KR20220004424A KR20220144754A KR 20220144754 A KR20220144754 A KR 20220144754A KR 1020220004424 A KR1020220004424 A KR 1020220004424A KR 20220004424 A KR20220004424 A KR 20220004424A KR 20220144754 A KR20220144754 A KR 20220144754A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
laminate
frp
hull structure
glass fiber
fiber reinforcement
Prior art date
Application number
KR1020220004424A
Other languages
English (en)
Inventor
오대균
정숙현
장재원
한지강
Original Assignee
목포해양대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 목포해양대학교 산학협력단 filed Critical 목포해양대학교 산학협력단
Publication of KR20220144754A publication Critical patent/KR20220144754A/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
    • G16C—COMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
    • G16C20/00—Chemoinformatics, i.e. ICT specially adapted for the handling of physicochemical or structural data of chemical particles, elements, compounds or mixtures
    • G16C20/10—Analysis or design of chemical reactions, syntheses or processes
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G06F30/15—Vehicle, aircraft or watercraft design
    • G—PHYSICS
    • G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
    • G16C—COMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
    • G16C20/00—Chemoinformatics, i.e. ICT specially adapted for the handling of physicochemical or structural data of chemical particles, elements, compounds or mixtures
    • G16C20/20—Identification of molecular entities, parts thereof or of chemical compositions
    • G—PHYSICS
    • G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
    • G16C—COMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
    • G16C60/00—Computational materials science, i.e. ICT specially adapted for investigating the physical or chemical properties of materials or phenomena associated with their design, synthesis, processing, characterisation or utilisation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Moulding By Coating Moulds (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)

Abstract

본 발명은 강화재와 수지 등 FRP 원자재를 바꾸지 않고, 유리섬유강화재와 수지의 조합 비율 즉 유리섬유강화재의 함유량 조절을 통하여 국제 선급에서 요구하는 적층판의 요구 두께를 충족하면서 FRP 적층판을 경량화할 수 있는 FRP 선체구조 적층판의 경량화를 위한 유리섬유강화재 최적 함유량 결정방법에 관한 것으로, 선체구조 제작 공법과 공정상의 큰 변화 없이 FRP 선체구조 적층판의 경량화를 구현할 수 있을 뿐 아니라, 생산 관점에서도 기존 신소재 사용 경량화 기술보다 효율적일 뿐 아니라 원자재 비용 관점에서도 매우 경제적인 장점이 있다.

Description

FRP 선체구조 적층판의 경량화를 위한 유리섬유강화재 최적 함유량 결정방법{Determination of Optimal Content of Glass Fiber Reinforcement for Lightening Weight of Laminate for FRP Ship Structure}
본 발명은 FRP 선체구조 적층판의 경량화를 위한 유리섬유강화재 최적 함유량 결정방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 선박의 선형(hull)과 구획배치 등을 변화시키지 않고 사용되는 FRP 적층판의 설계 시에 적용된 유리섬유강화재의 비율 즉 기지재인 수지에 함침되어 있는 유리섬유강화재의 함유량(Gc, Glass Content)을 최적화하여 선체구조 적층판을 경량화하는 기술에 관한 것이다.
FRP(Fiber Reinforced Plastics)는 비강도가 좋고 부식에도 강하며 작업성 또한 우수하여 어선, 요트 등 소형선박의 소재로 각광받고 있다.
최근에 소형 선박에서도 에너지 효율을 제고하기 위하여 선체 구조를 경량화하기 위한 연구를 많이 하고 있는데, 기존의 FRP 선체구조의 경량화 방법은 섬유나 수지의 종류를 바꾸어 구조의 강도향상을 통해 경량화를 이루었다.
예를 들면, 탄소섬유직물을 사용한다든지 혹은 유리섬유와 탄소섬유를 섞은 하이브리드 직물을 사용하여 적층판의 강도 향상을 통해 경량화를 이루었다.
하지만 이 방법은 상당한 수준의 원자재 경비의 소요가 따르기 때문에 일반적인 FRP 선박, 예를 들면 어선이나 레저보트 등에 적용하기 어려운 문제점이 있다.
이러한, 문제점을 해결하기 위하여 기존의 FRP에서 원자재를 바꾸지 않고, FRP의 기지재인 수지와 강화재인 유리섬유 조합의 비율 즉, 적층판의 강도를 극대화할 수 있는 유리섬유강화재의 함유량을 추정하여 FRP 적층판 설계를 경량화 할 수 있는 방법을 개발하는 것이 필요하다.
대한민국 등록특허 제10-1013099호(2011.02.14. 공고)
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 개발된 것으로, 강화재와 수지 등 FRP 원자재를 바꾸지 않고, 유리섬유강화재와 수지의 조합 비율 즉 유리섬유강화재의 함유량 조절을 통하여 국제 선급에서 요구하는 적층판의 요구 두께를 충족하면서 FRP 적층판을 경량화할 수 있는 FRP 선체구조 적층판의 경량화를 위한 유리섬유강화재 최적 함유량 결정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 해결하기 위한 본 발명에 따른 FRP 선체구조 적층판의 경량화를 위한 유리섬유강화재 최적 함유량 결정방법은, 선박의 FRP 선체구조 적층판에 함유된 유리섬유강화재와 수지의 밀도를 입력하는 단계; FRP 선체구조 적층판의 유리섬유강화재의 함유량
Figure pat00001
를 입력하는 단계; 상기 FRP 선체구조 적층판의 단일층의 두께
Figure pat00002
를 산출하는 단계; 상기 FRP 선체구조 적층판의 굽힘강도
Figure pat00003
를 산출하는 단계; 상기 FRP 선체구조 적층판의 요구 두께 감소 계수
Figure pat00004
를 산출하는 단계; 상기 선박의 선체 설계 조건으로부터 상기 FRP 선체구조 적층판의 최소 요구 두께
Figure pat00005
를 산출하는 단계; 상기 단일층이 적층된 상기 FRP 선체구조 적층판의 그 두께가 상기 FPR 선체구조 적층판의 최소 요구 두께
Figure pat00006
이상이 되는 최수의 단일층의 개수 n을 선택하는 단계; 상기 단일층의 두께
Figure pat00007
및 선택된 단일층의 개수 n을 곱하여 상기 FRP 선체구조 적층판의 생산 두께
Figure pat00008
를 산출하는 단계; 상기 FRP 선체구조 적층판의 생산 두께
Figure pat00009
를 이용하여 상기 적층판의 무게
Figure pat00010
를 산출하는 단계; 및 상기 적층판의 무게
Figure pat00011
를 최소화하는 최적 유리섬유강화재의 함유량
Figure pat00012
를 도출하는 단계;를 포함하고 있을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 FRP 선체구조 적층판의 경량화를 위한 유리섬유강화재 최적 함유량 결정방법에서 상기 FRP 선체구조 적층판의 요구 두께 감소 계수
Figure pat00013
는 아래의 식과 같이 상기 FRP 선체구조 적층판의 굽힘강도
Figure pat00014
의 함수로 나타나고, 상기 FRP 선체구조 적층판의 굽힘강도
Figure pat00015
는 재료시험 결과 회귀분석을 통하여 아래의 식과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00016
,
Figure pat00017
또한, 본 발명에 따른 FRP 선체구조 적층판의 경량화를 위한 유리섬유강화재 최적 함유량 결정방법에서, 상기 FRP 선체구조 적층판의 생산 두께
Figure pat00018
와 상기 FPR 선체구조 적층판의 최소 요구 두께
Figure pat00019
는 각각 아래의 식으로 산출될 수 있다.
Figure pat00020
Figure pat00021
여기서,
Figure pat00022
는 단일층의 두께,
Figure pat00023
은 단일층의 층수,
Figure pat00024
는 유리섬유강화재의 단위면적당 무게,
Figure pat00025
는 유리섬유강화재의 밀도,
Figure pat00026
은 수지의 밀도
또한, 본 발명에 따른 FRP 선체구조 적층판의 경량화를 위한 유리섬유강화재 최적 함유량 결정방법에서 상기 적층판의 무게
Figure pat00027
는 아래의 식으로 산출될 수 있다.
Figure pat00028
본 발명에 따른 FRP 선체구조 적층판의 경량화를 위한 유리섬유강화재 최적 함유량 결정방법은 FRP 적층판의 원자재, 즉, 유리섬유강화재와 기지재인 수지의 재질을 변경하지 않고 FRP 선체구조 적층판을 경량화시킬 수 있으므로, 선체구조 제작 공법과 공정상의 큰 변화 없이 FRP 선체구조 적층판의 경량화를 구현할 수 있을 뿐 아니라, 생산 관점에서도 기존 신소재 사용 경량화 기술보다 효율적이고 원자재 비용 관점에서도 매우 경제적인 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 FRP 선체구조 적층판의 경량화를 위한 유리섬유강화재 최적 함유량 결정방법은 경량화된 FRP 선체구조 적층판을 도출할 수 있으므로 기존의 FRP 선체구조를 경량 최적화된 선체구조로 설계할 수 있고, 이를 기반으로 경량 최적 설계된 FRP 선체는 수명이 매우 긴 FRP 선박의 특성을 고려하였을 때 연료효율 증대와 선령 동안의 온실가스 감축하는 효과도 있다.
도 1. 본 발명에 따른 FRP 선체구조 적층판의 경량화를 위한 최적 유리섬유강화재량 결정 방법의 흐름도.
도 2. 유리섬유강화재 함유량의 변화에 따른 FRP 적층판의 물성치 변화.
도 3. 유리섬유강화재 함유량의 변화에 따른 굽힘 강도 비교.
도 4. 함유량 변화에 따른 두께감소계수 변화.
도 5. 함유량 변화에 따른 무게 변화.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1. 본 발명에 따른 FRP 선체구조 적층판의 경량화를 위한 최적 유리섬유강화재량 결정 방법의 흐름도이다.
상기 도 1을 참조하여 살펴보면, 본 발명의 FRP 선체구조 적층판의 경량화를 위한 유리섬유강화재 최적 함유량 결정방법은, 선박의 FRP 선체구조 적층판에 함유된 유리섬유강화재와 수지의 밀도를 입력하는 단계; FRP 선체구조 적층판의 유리섬유강화재의 함유량
Figure pat00029
를 입력하는 단계; 상기 FRP 선체구조 적층판의 단일층의 두께
Figure pat00030
를 산출하는 단계; 상기 FRP 선체구조 적층판의 굽힘강도
Figure pat00031
를 산출하는 단계; 상기 FRP 선체구조 적층판의 요구 두께 감소 계수
Figure pat00032
를 산출하는 단계; 상기 선박의 선체 설계 조건으로부터 상기 FRP 선체구조 적층판의 최소 요구 두께
Figure pat00033
를 산출하는 단계; 상기 단일층이 적층된 상기 FRP 선체구조 적층판의 그 두께가 상기 FPR 선체구조 적층판의 최소 요구 두께
Figure pat00034
이상이 되는 최수의 단일층의 개수 n을 선택하는 단계; 상기 단일층의 두께
Figure pat00035
및 선택된 단일층의 개수 n을 곱하여 상기 FRP 선체구조 적층판의 생산 두께
Figure pat00036
를 산출하는 단계; 상기 FRP 선체구조 적층판의 생산 두께
Figure pat00037
를 이용하여 상기 적층판의 무게
Figure pat00038
를 산출하는 단계; 및 상기 적층판의 무게
Figure pat00039
를 최소화하는 최적 유리섬유강화재의 함유량
Figure pat00040
를 도출하는 단계;를 포함하고 있고, 상기 각 단계는 컴퓨터 장치에서 이루어질 수도 있다.
선박의 FRP 선체구조 적층판에 함유된 유리섬유강화재와 수지의 밀도를 입력하는 단계는 설계하고자 하는 선박에 사용할 FRP 적층판의 기지재인 수지와 상기 수지에 함침된 유리섬유강화재의 밀도를 입력하는 단계이다.
FRP 선체구조 적층판의 유리섬유강화재의 함유량
Figure pat00041
를 입력하는 단계이다.
선박의 선체를 이루는 FRP 적층판의 두께는 선박의 배수량, 선속, 구획 및 보강재의 배치, 설계하중과 같은 선박설계 조건과 FRP 적층판의 설계 조건에 의해 결정되며, FRP 적층판의 설계 조건은 수지 및 섬유강화재의 종류, 직물의 직조방식, 함유량에 따른 적층판의 기계적 물성 등에 따라 결정할 수 있다.
최근까지 유리섬유강화재와 기지재인 수지의 밀도와 함께 물성 변화 등을 아래의 [표 1]에 나타난 바와 같이 ISO 표준 및 선급에서 제시하는 추정식을 이용해 왔다.
Figure pat00042
상기 [표 1]에 나타난 추정식에서
Figure pat00043
는 굽힘강도를 나타내고,
Figure pat00044
는 인장강도를 나타내며
Figure pat00045
는 적층판의 두께 감소 계수를 나타내는데, 이들은 모두 유리섬유강화재의 함유량
Figure pat00046
의 함수로 추정하고 있음을 알 수 있다.
본 단계에서는 유리섬유강화재의 최적의 함유량
Figure pat00047
를 도출해 내기 위하여 초기값에서 최종값까지 입력하는 단계이며, 각 함유량
Figure pat00048
을 갖는 적층판에 대하여 다음 단계에서 기계적 물성치, 두께 및 무게 등을 도출한다.
다음으로 상기 FRP 선체구조 적층판의 단일층의 두께
Figure pat00049
를 산출하는 단계는 입력된 함유량
Figure pat00050
에서 적층판을 이루는 단일층의 두께
Figure pat00051
를 산출하는 단계이다.
FRP 적층판에서 유리섬유강화재의 함유량
Figure pat00052
는 아래의 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00053
(1)
여기서,
Figure pat00054
는 적층판에 함유된 유리섬유강화재의 질량을 나타내고,
Figure pat00055
은 적층판의 기지재인 수지의 질량을 나타낸다.
최근까지는 적층판의 설계 시에 [표 1]에 나타난 바와 같이 ISO 국제표준과 국제선급에서 유리섬유강화재의 함유량
Figure pat00056
에 대한 함수로 제시하고 있한 적층판의 굽힘강도
Figure pat00057
와 두께 감소 계수
Figure pat00058
추정식을 를 사용해 왔는데, 적층판의 강도가 높아질수록 요구 두께가 감소하는 것을 알 수 있다.
상기 [표 1]의 추정식은 매우 오랜 기간 동안의 통계와 경험에 기반하고 있지만, 높은 안전율을 포함하고 있어, 선체구조용으로 사용되는 FRP 적층판의 경량화를 위하여 적층판 설계를 최적화하기 위해서는 소재의 기계적 물성과 구조 적층판의 두께 감소의 관계에 대한 재정의가 필요하다.
국제규정에서는 선박의 선체구조용 FRP 적층판 소재에서 유리섬유강화재의 함유량
Figure pat00059
가 30% 이상이어야 사용할 수 있도록 규정하고 있고, RINA 규정의 경우 아래 식 (2)에 나타난 바와 같이 함유량
Figure pat00060
가 70% 이상이 되어도 더 이상 두께 감소 계수가 적용되는 것으로 추정하고 있다.
Figure pat00061
(2)
여기서,
Figure pat00062
임.
이처럼, FRF 적층판의 기지재인 수지 및 섬유강화재가 결정되면 각각의 물성 변화와 두께 감소 변화 계수를 고려하여 적층판을 경량화할 수 있는 최적의 섬유강화재 함침율을 산출할 수 있을 것이다.
상기 [표 1]에 나타난 ISO 및 선급 규정에서 물성 추정식이 유리섬유강화재의 함유량
Figure pat00063
의 함수로 제시되어 있지만 적층판의 경량화를 위하여 최적화된 추정식은 아니므로, 본 발명자는 이를 해결하기 위하여 적층판 시편에 대한 재료 시험결과를 회귀분석하여 물성 추정식을 도출하고, 이를 기반으로 선체구조 적층판 무게
Figure pat00064
와 두께 감소 계수
Figure pat00065
를 재정의하여 적층판 경량화를 위한 유리섬유강화재의 최적 함유량
Figure pat00066
을 도출하는 방법을 발명하였다.
두께가
Figure pat00067
인 FRF 적층판은 한 장의 섬유직물이 수지에 함침되어 있는 단일 층(single ply)의 두께의 합으로 표현할 수 있는데, 본 단계에서는 상기 단일층의 두께
Figure pat00068
의 두께를 도출하는 단계이다.
단일층의 두께는 아래의 식 (3)과 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00069
(3)
여기서,
Figure pat00070
는 적층판 단일층의 두께,
Figure pat00071
는 유리섬유강화재의 두께,
Figure pat00072
은 기지재인 수지의 두께를 나타내며,
Figure pat00073
,
Figure pat00074
는 각각 유리섬유강화재의 질량 및 밀도를 나타내고,
Figure pat00075
,
Figure pat00076
은 각각 수지의 질량 및 밀도를 나타낸다.
상기 식 (3)에 상기 식 (1)을 적용하여 단일층의 FRF의 두께는 아래의 식 (4)와 같이 정리할 수 있다.
Figure pat00077
(4)
상기 식 (4)은 아래 식 (5)와 같이 정리할 수 있는데, ISO 표준의 유리섬유강화재가 함침된 FRF 구조설계 규정에서 유리섬유와 수지의 밀도를 2.56과 1.20로 제시하고 있어 이를 적용하면, 단위면적당 단일 층의 두께는 아래의 식 (5-a)와 같이 함침율
Figure pat00078
로 정리할 수 있다.
Figure pat00079
(5)
Figure pat00080
(5-a)
여기서,
Figure pat00081
는 단위면적당 유리섬유강화재의 무게를 나타내고, 이에 대하여 정리하면, 아래의 식 (6) 및 식 (6-a)와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00082
(6)
Figure pat00083
(6-a)
한편, 단일 층의 단위면적 FRP의 무게를
Figure pat00084
라고 하면, 유리섬유강화재의 함유량
Figure pat00085
는 아래의 식 (7)과 같이 나타낼 수 있고, 단일층의 무게
Figure pat00086
도 식 (8) 및 식 (8-a)와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00087
(7)
Figure pat00088
(8)
Figure pat00089
(8-a)
단일층의 무게
Figure pat00090
는 위의 식(8)과 같이 정리할 수 있으므로, n개의 단일층으로 구성된 생산되는 적층판의 무게
Figure pat00091
또는
Figure pat00092
는 아래의 식 (9) 및 식 (9-a)와 같이 정리할 수 있다.
Figure pat00093
(9)
Figure pat00094
(9-a)
이때,
Figure pat00095
는
Figure pat00096
로 나타낼 수도 있는 데 생산되는 적층판의 두께로 아래의 식 (10)과 같이 나타낼 수 있을 것이다.
Figure pat00097
(10)
상기 선박의 선체 설계 조건으로부터 상기 FRP 선체구조 적층판의 최소 요구 두께
Figure pat00098
를 산출하는 단계는 경량화 설계를 통하여 생산되는 적층판의 두께
Figure pat00099
가 국제 선급 등에서 요구하는 최소 요구 두께
Figure pat00100
를 충족하도록 하기 위한 단계이다.
국제 선급 등의 선급에서는 FRP 선체구조 선박의 FRP 적층판의 요구 두께
Figure pat00101
를 제시하고 있으므로, 실제 선박 설계 시의 FRP 적층판의 두께
Figure pat00102
는 아래의 식 (11)에 나타난 바와 같이 상기 요구 두께
Figure pat00103
이상으로 하는 것이 바람직하다.
Figure pat00104
(11)
즉, 생산되는 적층판의 두께
Figure pat00105
는 선급에서 요구하는 요구 두께
Figure pat00106
를 충족하는 단일층의 개수 n을 선정하여 도출해 낼 수 있고, 이를 충족하는 최소의 n값을 적용하여 생산되는 적층판의 최소 두께를 도출해 낼 수 있다.
선급에서 요구하는 요구 두께
Figure pat00107
는 생산하려는 FRP 적층판의 두께
Figure pat00108
와 마찬가지로 유리섬유강화재의 함유량
Figure pat00109
의 함수로 나타낼 수 있다.
ISO 표준을 따르고 있는 RINA 규정에서는 구조 적층판 요구 두께
Figure pat00110
를 아래의 식 (12)과 같이 나타내고 있다.
Figure pat00111
(12)
여기서
Figure pat00112
은 선저에 작용하는 설계하중의 종류에 따른 계수이고,
Figure pat00113
는 설계하중을 받는 설계면적의 종횡비를 나타내는 계수이고,
Figure pat00114
는 횡방향 설계 면적을 나타내고,
Figure pat00115
는 설계 압력을 나타내며,
Figure pat00116
는 위의 [표 1]에 나타난 바와 같이 유리섬유강화재의 함유량
Figure pat00117
의 함수로 나타나는 두께 변화 계수이다.
즉,
Figure pat00118
,
Figure pat00119
,
Figure pat00120
와 같은 설계 조건이 결정되면 선저에 작용하는 설계 압력
Figure pat00121
가 결정되고, 최종적으로
Figure pat00122
가 산출되면 FRP 적층판의 요구 두께
Figure pat00123
가 결정된다.
따라서, 선박의 설계조건 변화가 없을 때 함침율
Figure pat00124
의 변화에 따른 두께 감소 계수
Figure pat00125
를 도출해 낼 수 있으며, 요구 두께를 충족시키는 적층판의 최소 무게 또한 도출해 낼 수 있다.
한편, 상기 식 (12)에서
Figure pat00126
,
Figure pat00127
,
Figure pat00128
,
Figure pat00129
는 설계 조건에 따라 상수가 되므로, 이를 식 (13)과 같이 새로운 상수
Figure pat00130
로 정의하면, 할 수 있고, 적층판의 요구 두께
Figure pat00131
는 아래 식 (14)과 같이 보다 더 간략하게 나타낼 수 있다.
Figure pat00132
(13)
Figure pat00133
(14)
상기 요구 두께 감소 계수
Figure pat00134
는 위의 [표 1]에 나타난 바와 같이 적층판의 굽힘강도
Figure pat00135
와 함께 함침율
Figure pat00136
의 변화에 따라 영향을 받는다.
하지만, [표 1]에 나타난 바와 같이 국제 선급 등에서 제시하는
Figure pat00137
의 변화에 따른 적층판의 굽힘강도
Figure pat00138
는 도 2에 도시된 바와 같이 함유량
Figure pat00139
가 증가함에 더 크게 증가하는 것으로 추정하고 있다.
하지만, 선급에서 제시하는 적층판의 굽힘강도
Figure pat00140
는 도 3에 도시된 바와 같이 적층판의 재료 시험을 통하여 도출된 적층판의 굽힘강도와 차이가 있고, 이로 인하여 적층판의 요구 두께
Figure pat00141
에 큰 오차가 발생할 수 있다.
선급에서 제시하는 FRP 적층판의 기계적 물성치는 오랜 기간 사용해 오고 있지만, 그 정확성이 불분명할 뿐 아니라 FRP 적층판의 경량화에 대한 고려가 없다.
본 발명에서는 FRP 적층판의 경량화에 영향을 주는 굽힘강도
Figure pat00142
와 단면감소계수
Figure pat00143
를 보다 정확하게 고려하기 위하여 재료시험 결과를 회귀분석하여 상기 FRP 선체구조 적층판의 굽힘강도
Figure pat00144
를 산출하는 단계;와 상기 FRP 선체구조 적층판의 요구 두께감소계수
Figure pat00145
를 산출하는 단계;를 포함하고 있다.
상기 재료시험 결과를 이용하여 도출한 적층판의 굽힘강도
Figure pat00146
와 요구 두께감소계수
Figure pat00147
의 차이점을 살펴본 결과는 아래와 같다.
FRP 원자재 정보와 재료시험결과를 적용하기 위한 사례 선박은 52피트(15.9m)급 레저선박으로 주요 설계사양은 아래의 [표 2]와 같다. [표 2]에 나타난 MMU-G52는 일반적으로 널리 사용되는 유리섬유 강화재로 제작된 활주형 레저선박이며 이탈리아 선급인 RINA로부터 CE RCD(European Union, 2013) 설계 인증을 받은 선박이다.
Figure pat00148
경량화 대상 선체구조는 선측과 선저판으로 최대 설계하중(111kN/m2)을 받는 선저 설계면적에서의 설계변수를 요약하면 아래 [표 3]과 같으며, FRP 선체 외판 제작에는 유리섬유강화재가 단위면적당 570g인 로빙(Woven Roving, WR)직물과 열경화성 수지 폴리에스터(Polyester)가 사용되었고, 선측과 선저 모두 로빙직물 함침율
Figure pat00149
40%로 제작되었으며, 이에 따른 경량화를 고려하지 않은 생산설계 상의 적층판 두께는 13.86mm, 단위면적당 무게는 19.65kg이 되었다.
Figure pat00150
본 발명자는 이러한 FRP 적층판의 경량화를 위하여 선체 외판 제작에 사용된 로빙직물과 수지로 두께 약 12.23.mm의 시제품을 제작하였으며 고체 비중계(Hydrometer)를 이용하여 적층판 시제품과 수지의 비중을 측정하여 아래의 [표 4]와 같음을 확인하였다.
Figure pat00151
FRP 구조 적층판의 물성 시험은 E-glass 로빙직물의 층수 변화에 따른 적층판의 기계적 물성 변화를 확인하기 위하여 ASTM D5083(ASTM, 2017a)과 ASTM D790(ASTM, 2017b)에 따라 인장과 굽힘시험을 수행하였다.
발명자는 로빙직물 층 수를 4~12까지 변화시키며 사이즈 40mm x 40mm 적층판 시제품 5가지(함유량
Figure pat00152
: 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7)를 아래 [표 5]와 같이 설계하여, 수적층 공법을 통하여 적층판을 제작한 후 시험용 시편으로 만들어서 시험을 수행하였다.
Figure pat00153
상기 재료시험 시편은 재료시험 전에 정확한 함유량을 계산하기 위하여 [표 6]과 같이 크기와 무게를 재측정하여 측정하여 [표 7]에 나타난 바와 같이 각 시편의 실제 함유량
Figure pat00154
를 계산하였다.
Figure pat00155
Figure pat00156
상기 [표 7]에 나타난 바와 같은 각 시편에 대한 반복시험을 통하여 각 시편의 인장강도(Tensile strength)와 굽힘강도(Flexural strength)를 측정하였고, 그 중에서 굽힘강도 시험 결과는 위에서도 살펴본 도 3에 도시된 바와 같이 실제 재료시험을 통하여 측정한 시편의 굽힘강도는 최근까지 사용해온 ISO 표준과 RINA 규정의 추정 결과와 큰 차이가 있음을 알 수 있다.
유리섬유강화재 함유량이 0.3 인근의 저함유량 영역에서는 시험결과가 ISO 표준과 RINA 규정의 추정 결과보다 낮은 굽힘강도를 갖는 것으로 나타지만, 이는 저함유량 적층판 제작에서 나타나는 수지 불균일이 원인인 것으로 판단되고, 함유량 0.5 전후의 고함유량 영역에서는 ISO 표준 및 선급 규정 추정치보다 높은 굽힘강도를 갖는 것을 알 수 있다.
또한 시편 시험 결과를 통해서는 함유량이 0.62 이상인 경우에는 굽힘강도의 증가 추세가 감소하고 함유량이 더 증가하더라도 오히려 굽힘강도가 감소할 수도 있을 것으로 예측되는데, 이는 특정 고함유량 영역 이후에서는 기공(porosity) 혹은 박리(delamination)의 증가에 의한 적층판의 품질 저하로 인하여 강도가 저하될 수 있는 것으로 판단된다. 반면, ISO 표준 및 선급 규정을 따르면 함유량이 증가할수록 굽힘강도가 증가하는 것으로 추정하고 있는 점에서도 시험결과와 큰 차이가 있다.
이처럼, FRP 적층판의 굽힘강도는 도 3에 도시된 바와 같이 ISO 표준과 국제 선급의 규정에서 제시하는 추정치와 큰 차이가 있으므로, FRP 적층판의 경량화를 위해서는 함유량에 따른 실제 굽힘강도를 적용하는 것이 필요하다.
이를 위하여 본 발명의 발명자는 함유량에 따라 변하는 시편의 굽힘강도 시험결과를 회귀분석을 하여 사례 선박에 적용된 E-glass 로빙직물의 함유량 변화에 따른 적층판의 굽힘강도
Figure pat00157
추정식을 아래의 식 (15)와 같이 함침율의 2차 함수 형태의 도출할 수 있고, 상기 시편의 시험결과를 적용하면 아래의 식 (15-a)와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00158
(15)
Figure pat00159
(15-a)
상기 시험결과 회귀분석을 통하여 도출한 굽힘강도를 추정하는 식 (15)는 ISO 표준 및 국제 선급 규정의 굽힘강도 추정치와 함침율의 2차 함수 형태인 점에서는 유사한 점은 있지만, 2차 계수가 음수 형태로 형성되어 있는 점에서 큰 차이가 있고, 함유량이 0.6 이상이 되는 고함유량 영역에서는 증가 추세가 감소하는 특징까지 반영할 수 있는 점에서도 차이가 있다.
시험결과 회귀분석을 통하여 도출한 굽힘강도
Figure pat00160
의 추정식인 식 (15) 및 식 (15a)를 적용하여 두께감소계수
Figure pat00161
는 위의 [표 1]에 나타난 특징을 반영하여 함유량
Figure pat00162
의 함수로 아래의 식 (16) 및 식 (16-a)와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00163
(16)
Figure pat00164
(16-a)
사례 선박의 경우, 기존의 ISO 표준 또는 국제 선급에 추정치를 이용하면 도 4에서 볼 수 있듯이 기존 두께 감소 함수의 경우 함침율이 0.63 이후부터는 더 이상 요구 두께 감소 계수가 감소하지 않는 경향을 보이고 있다. 본 발명자가 시험결과 회귀분석을 통하여 도출한 식 (16)의 경우도 유사한 경향성을 보이나 함침율 증가에 따른 요구 두께 감소 계수의 값이 더 작아서, 요구 두께의 감소가 더 큰 것을 확인할 수 있는데, 이는 실제 적층판의 굽힘강도가 선급의 추정식 결과보다 큰 것이 반영되었기 때문이다.
다음으로, 상기 선박의 선체 설계 조건으로부터 상기 FRP 선체구조 적층판의 최소 요구두께
Figure pat00165
를 산출하는 단계는 상기 식 (13) 또는 식 (14)에 상기 식 (16)에 나타난 두께감소계수
Figure pat00166
를 반영하여 선급에서 요구하는 적층판의 최소 요구두께
Figure pat00167
를 산출하는 단계이다.
다음으로 상기 단일층이 적층된 상기 FRP 선체구조 적층판의 그 두께가 상기 FPR 선체구조 적층판의 최소 요구 두께
Figure pat00168
이상이 되는 최수의 단일층의 개수 n을 선택하는 단계; 및 상기 단일층의 두께
Figure pat00169
및 선택된 단일층의 개수 n을 곱하여 상기 FRP 선체구조 적층판의 생산 두께
Figure pat00170
를 산출하는 단계;는 상기 설계하고자 하는 선박에 사용되는 FRP 적층판의 최소 요구두께
Figure pat00171
를 충족하는 경량화된 FRP 적층판의 생산 두께
Figure pat00172
를 산출하는 단계이다.
FRP 적층판의 생산 두께
Figure pat00173
는 위의 식 (10), 식 (11)에 나타난 바와 같이 단일층의 두께
Figure pat00174
를 적층한 두께로 나타나며 상기 최소 요구 두께
Figure pat00175
이상이어야 하므로, 아래의 식 (17)과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00176
(17)
실제로 생산되는 FRP 적층판에서는 적용하는 선박의 안전성을 보다 더 향상시키기 위하여 최소 요구 두께
Figure pat00177
에 설계 안전계수(Design Factor of safety)
Figure pat00178
를 추가로 설정하는 것도 가능할 것이다.
이처럼 설계 안전계수
Figure pat00179
를 추가하는 경우에는 상기 식 (17)은 아래의 식 (19)와 같이 나타낼 수 있고, 이에 따라 단일층의 두께에 따라 적층되는 단일층의 수 n을 설정할 수 있다.
Figure pat00180
(18)
식 (17) 또는 식 (18)에 따라 해당 함유량
Figure pat00181
에서 FRP 적층판의 생산 두께
Figure pat00182
를 결정할 수 있다.
상기 FRP 선체구조 적층판의 생산 두께
Figure pat00183
를 이용하여 상기 적층판의 무게
Figure pat00184
를 산출하는 단계는 선급 등에서 요구하는 FRP 적층판의 최소 요구두께
Figure pat00185
를 충족하는 상기 FRP 선체구조 적층판의 최소 생산 두께
Figure pat00186
를 상기 식 (9)에 적용하여 해당 함유량
Figure pat00187
에서 최소 무게를 갖는 FRP 적층판의 무게
Figure pat00188
를 산출하는 단계이다.
상기 적층판의 무게
Figure pat00189
를 최소화하는 최적 유리섬유강화재의 함유량
Figure pat00190
를 도출하는 단계는 유리섬유강화재 함유량
Figure pat00191
를 변화시켜가며 상기 단계들을 반복하여 상기 적층판의 무게
Figure pat00192
를 산출하고, 이 중에서 적층판의 무게
Figure pat00193
가 최소가 되는 유리섬유강화재의 함유량
Figure pat00194
를 FRP 적층판의 무게를 최소화하는 최적 유리섬유강화재의 함유량
Figure pat00195
로 결정하는 단계이다.
적층판의 무게가 최소화되는 유리섬유강화재의 함유량
Figure pat00196
를 얻기 위해서는 도 4에 도시된 두께감소계수
Figure pat00197
를 이용하여 함유량
Figure pat00198
의 변화에 따른 FRP 적층판의 요구두께
Figure pat00199
를 구하고, 이를 충족하는 FRP 적층판의 최소 생산 두께
Figure pat00200
를 산출하고, 이를 단위면적당 적층판의 무게 변화로 변환할 수 있도록 식 (9)에 적용하여 도 5와 같은 결과를 얻을 수 있다.
사례 선박의 경우, 선체 외판의 무게를 최소화할 수 있는 함침율이 0.47로 도출되었으며, 이 때, 적층판의 단위면적당 무게는 12.76kg이다.
이는 기존의 선급의 추정치를 이용한 경우에 함유량이 0.63일 때 적층판의 단위면적당 무게가 17.49kg인 경우보다 약 28% 정도의 무게를 경량화시킬 수 있었고, 유리섬유강화재의 함유량도 현저히 감소시킬 수 있음을 알 수 있다.
이와 같이 함유량
Figure pat00201
의 변화에 따른 FRP 적층판의 무게
Figure pat00202
를 구하여 최소의 무게가 되는 함유량
Figure pat00203
를 도출해 낼 수 있고, 이를 통하여 FRP 선체구조 적층판의 경량화를 위한 유리섬유강화재 최적 함유량을 결정할 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (4)

  1. 선박의 FRP 선체구조 적층판에 함유된 유리섬유강화재와 수지의 밀도를 입력하는 단계;
    FRP 선체구조 적층판의 유리섬유강화재의 함유량
    Figure pat00204
    를 입력하는 단계;
    상기 FRP 선체구조 적층판의 단일층의 두께
    Figure pat00205
    를 산출하는 단계;
    상기 FRP 선체구조 적층판의 굽힘강도
    Figure pat00206
    를 산출하는 단계;
    상기 FRP 선체구조 적층판의 요구 두께 감소 계수
    Figure pat00207
    를 산출하는 단계;
    상기 선박의 선체 설계 조건으로부터 상기 FRP 선체구조 적층판의 최소 요구 두께
    Figure pat00208
    를 산출하는 단계;
    상기 단일층이 적층된 상기 FRP 선체구조 적층판의 그 두께가 상기 FPR 선체구조 적층판의 최소 요구 두께
    Figure pat00209
    이상이 되는 최수의 단일층의 개수 n을 선택하는 단계;
    상기 단일층의 두께
    Figure pat00210
    및 선택된 단일층의 개수 n을 곱하여 상기 FRP 선체구조 적층판의 생산 두께
    Figure pat00211
    를 산출하는 단계;
    상기 FRP 선체구조 적층판의 생산 두께
    Figure pat00212
    를 이용하여 상기 적층판의 무게
    Figure pat00213
    를 산출하는 단계; 및
    상기 적층판의 무게
    Figure pat00214
    를 최소화하는 최적 유리섬유강화재의 함유량
    Figure pat00215
    를 도출하는 단계;를 포함하는 FRP 선체구조 적층판의 경량화를 위한 유리섬유강화재 최적 함유량 결정방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 FRP 선체구조 적층판의 요구 두께 감소 계수
    Figure pat00216
    는 아래의 식과 같이 상기 FRP 선체구조 적층판의 굽힘강도
    Figure pat00217
    의 함수로 나타나고,
    상기 FRP 선체구조 적층판의 굽힘강도
    Figure pat00218
    는 재료시험 결과 회귀분석을 통하여 아래의 식과 같이 나타나는 것을 특징으로 FRP 선체구조 적층판의 경량화를 위한 유리섬유강화재 최적 함유량 결정방법.
    Figure pat00219
    ,
    Figure pat00220

  3. 제 1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 FRP 선체구조 적층판의 생산 두께
    Figure pat00221
    와 상기 FPR 선체구조 적층판의 최소 요구 두께
    Figure pat00222
    는 각각 아래의 식으로 산출되는 것을 특징으로 하는 FRP 선체구조 적층판의 경량화를 위한 유리섬유강화재 최적 함유량 결정방법.
    Figure pat00223

    Figure pat00224

    여기서,
    Figure pat00225
    는 단일층의 두께,
    Figure pat00226
    은 단일층의 층수,
    Figure pat00227
    는 유리섬유강화재의 단위면적당 무게,
    Figure pat00228
    는 유리섬유강화재의 밀도,
    Figure pat00229
    은 수지의 밀도
  4. 제 1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 적층판의 무게
    Figure pat00230
    는 아래의 식으로 산출되는 것을 특징으로 하는 FRP 선체구조 적층판의 경량화를 위한 유리섬유강화재 최적 함유량 결정방법.
    Figure pat00231
KR1020220004424A 2021-04-20 2022-01-12 Frp 선체구조 적층판의 경량화를 위한 유리섬유강화재 최적 함유량 결정방법 KR20220144754A (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20210051432 2021-04-20
KR1020210051432 2021-04-20

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20220144754A true KR20220144754A (ko) 2022-10-27

Family

ID=83810454

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220004424A KR20220144754A (ko) 2021-04-20 2022-01-12 Frp 선체구조 적층판의 경량화를 위한 유리섬유강화재 최적 함유량 결정방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20220144754A (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101013099B1 (ko) 2008-02-13 2011-02-14 (주)대성마린텍 섬유강화 복합소재로 만들어진 해치커버를 구비한 화물선

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101013099B1 (ko) 2008-02-13 2011-02-14 (주)대성마린텍 섬유강화 복합소재로 만들어진 해치커버를 구비한 화물선

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Mayer Design with reinforced plastics: a guide for engineers and designers
CN108357630B (zh) 船用碳纤维复合材料大侧斜螺旋桨叶及其设计方法
KR20220144754A (ko) Frp 선체구조 적층판의 경량화를 위한 유리섬유강화재 최적 함유량 결정방법
Souppez Structural design of high performance composite sailing yachts under the new BS EN ISO 12215-5
CN110321613A (zh) 一种复合材料耐压壳体的铺层优化设计方法
Oh et al. Effects of fabric combinations on the quality of glass fiber reinforced polymer hull structures
CN104691041B (zh) 碳纤维板材及碳纤维板材的制备工艺
Song et al. Lightweight structure design for composite yacht with optimum fiber mass content
CN109543335B (zh) 一种耐外压碳纤维复合材料筒体结构设计方法
KR101676923B1 (ko) 탄소섬유강화복합소재 다층쉘 선체 구조재 개발을 위한 최적 탄소섬유량 결정 방법 및 시스템
Han et al. Environmental implications of a sandwich structure of a glass fiber-reinforced polymer ship
Greene Design guide for marine applications of composites
Galanis Hull construction with composite materials for ships over 100 m in length
Koelbel Comments on the structural design of high speed craft
Vallbo Material selection considerations for polymer composite structures in naval ship applications
Krzyzak et al. Evaluation of the reliability of composite materials used in aviation
Tsouvalis et al. Buckling strength parametric study of composite laminated plates with delaminations
Lim et al. Sizing Optimization of CFRP Lower Control Arm Considering Strength and Stiffness Conditions
Ponte et al. Structural analysis of a ‘Foiling Moth’sailing dinghy hydrofoil
RU2308378C2 (ru) Работающий на изгиб композитный материал и способ его изготовления
GB2048174A (en) Assembling boat hulls
KR102117781B1 (ko) 복합소재가 적용된 보강부재를 통해 선체부를 보강하는 보강방법 및 이를 이용해 제작된 다인승 보트
Smith A Feasibility Analysis of Natural Composite Alternatives in High Performance Sailing Vessels
Ness et al. Advanced composites for high performance marine craft
Osma et al. Strength And Performance Of A Composite Gilson Mast For Steel Deck Fishing Vessels

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal