강의 소성경화 방정식 개발과 내빙 선박에의 적용
세계는 지구온난화에 의한 기후변화로 인해 얼음으로 덮여있던 북극해가 부분적으로 녹으면서 북극해항로가 열리기 시작하였다. 6년 이상 된 두꺼운 얼음들이 줄어들고 1년 정도 얇게 얼었다가 녹는 얼음지대가 많아졌다. 그 결과 부분적으로 바닷길 이용이 가능해지고, 두꺼운 얼음은 얇아져 쇄빙선을 이용한 항해도 가능하게 됐다.
그러나 북극항로의 운항에는 선박과 선박간의 충돌, 빙산과의 충돌, 빙하중에 의한 손상의 누적, 저온에 의한 강재의 취성화로 인한 재료의 파단 등의 많은 위험요소가 따른다.
극지역에서 선박운항은 일반해역보다 짧은 가시거리로 인해 운항 선박 간 혹은 빙산과의 충돌사고 발생 가능성이 높다. 그에 따라 빙해역에서 유류의 유출은 대단히 큰 환경문제를 야기하기 때문에 극지역 저온환경에서의 빙해선박의 충돌사고에 대한 안전성 평가기술의 필요성이 크다. 구조물의 소성변형과 파단을 정확히 예측하기 위해서는 구조물의 기하학적인 형상과 아울러 재료적 거동 특성이 정확히 반영되어야 함에도 불구하고 현재까지의 국내외 연구는 주로 구조 배치에 많은 관심을 가진 것이 사실이며 현재 사용되는 선박구조물용 강재의 소성 및 파단 특성에 대한 기초적인 연구조차 거의 수행되지 않은 것이 사실이다. 구조물의 정적 해석과는 달리 구조물이 충격하중을 받을 때, 항복응력, 소성경화 그리고 구조물의 파단 변형률은 변형률 속도에 민감하다. 그러므로 충격 하중을 받는 구조물의 해석 시 변형률 속도를 고려해야 한다. 본 연구에서는 일반적으로 사용되는 변형률 속도 구성 방정식을 소개하고, 소성경화에 관하여 소개한다.
또한, 빙해역 운항선박의 외판에 사용되는 DH 및 EH 강재에 대한 저온 인장 실험을 통하여 북극해항로 환경조건(-30°C ~ -50°C) 에서의 재료의 기계적 물성치를 확보하기 위한 저온 소성구성 방정식을 제안하였다. 또한 인장실험으로 얻을 수 있는 강재의 물성치를 정리하고 회귀 분석하여 Lidwik 소성경화 구성방정식의 기본데이터, 즉 소성변형률 경화지수 및 강도계수를 추정할 수 있는 식을 제안한다. 이로써 저온 소성구성 방정식에서 요구하던 상온 인장실험을 수행하지 않고 상온에서의 항복응력만으로 북극해항로 환경조건에서의 재료의 기계적 물성치를 확보할 수 있게 되었다. 민덕기(2011)가 수행한 저온 인장실험 데이터와 비교하여 식을 검증하였고, 그것을 바탕으로 신동완(2010)이 수행한 실험의 수치해석을 통하여 식의 유효성을 검증하였다.
민덕기(2011)는 Kujala(1991)와 Hanninen(2003)이 조사한 발틱해역 운항선박 손상사례를 비선형 수치해석으로 실선에서의 중앙부 판 손상을 재현해 보았다. 손상을 유발한 하중을 추정하고 다른 연구자들의 결과와 비교하여 Ranki의 식(1986)과 Hayword의 식(2001)이 많은 오차가 있다는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구에서는 Ranki(1986)와 Hayword(2001)가 제안한 식의 개선방향을 제시하기 위하여 상용프로그램을 이용한 수치해석을 통하여 그 경향을 나타내었다.
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