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메가와트급 부유식 해상풍력발전기용 페어리드 체인 스토퍼의 강도 성능평가를 위한 구조 모형 시험

Structural Model Test for Strength Performance Evaluation of Fairlead Chain Stopper Installed on MW Class Floating Type Offshore Wind Turbine

  • 송창용 (목포대학교 조선해양공학과)
  • Chang-Yong Song (Dept. of Naval Architecture & Ocean Engineering, Mokpo National University)
  • 투고 : 2023.04.24
  • 심사 : 2023.06.02
  • 발행 : 2023.06.30

초록

Recently, the destructive power of typhoons is continuously increasing due to the influence of global warming. In a situation where the installation of floating wind turbines is increasing around the world, concerns about the huge loss and collapse of floating offshore wind turbines due to strong typhoons are deepening. Regarding to the safe operation of the floating offshore wind turbine, the development of a new type of disconnectable mooring system is required. A new fairlead chain stopper considered in this study is devised to more easily attach or detach the floating offshore wind turbine with mooring lines comparing to other disconnectable mooring apparatuses. In order to investigate the structural safety of the initial design of fairlead chain stopper that can be applied to MW-class floating type offshore wind turbine, scale-down structural models were produced using a 3-D printer and structural tests were performed on the models. For the structural tests of the scale-down models, tensile specimens of acrylonitrile butadiene styrene material that was used in the 3-D printing were prepared, and the material properties were evaluated by performing the tensile tests. The finite element analysis of fairlead chain stopper was performed by applying the material properties obtained from the tensile tests and the same load and boundary conditions as in the scale-down model structural tests. Through the finite element analysis, the structural weak parts on the fairlead chain stopper were reviewed. The structural model tests were performed considering the main load conditions of fairlead chain stopper, and the test results were compared to the finite element analysis. Through the results of this study, it was possible to experimentally verify the structural safety of the initial design of fairlead chain stopper. It is also judged that the study results can be usefully used to improve the structural strength of fairlead chain stopper in a detailed design stage.

키워드

1. 서 론

최근 해상풍력발전기 용량의 증가로 부유식 하 부구조의 적용이 가속화되고 있는 한편, 지구온난 화의 영향으로 해마다 태풍의 파괴력이 높아지고 있으며 이에 따른 해양 설치 구조물의 파손 위험 도가 높아지고 있다. 태풍과 같은 극한의 해양환 경하중으로 인한 부유식 해상풍력발전기의 심각한 손상 및 급격한 시스템 붕괴를 방지하기 위한 대 책이 필요하다. 이와 관련하여 피항이 가능할 뿐 만 아니라 해상 설치 및 유지보수 작업에 소요되 는 비용을 저감할 수 있는 새로운 형식의 탈착형 계류시스템 개발이 요구되고 있다. 탈착 계류용 페어리드 체인 스토퍼(Fairlead chain stopper, FCS)는 기존 부유식 탈착형 계류 장치에 비해 좀 더 안전하게 하부구조의 탈부착이 용이하면서 빠 른 시간 내에 부유식 해상풍력발전기의 설치 및 해체가 가능하도록 고안된 계류 부가장치이다. 페 어리드 체인 스토퍼와 같이 새롭게 고안되는 부유 식 해상풍력발전기 계류용 부가장치는 가혹한 해 양환경에서 안전하게 사용될 수 있도록 초기 설계 단계부터 면밀한 구조 안전성의 검토가 필요하다.

해상풍력발전기나 해양플랜트에 설치되는 부가 장치의 구조 안전성 평가와 관련된 연구들이 일부 수행되어 오고 있다. Lee et al.[1]은 해양플랜트 설치공법을 위해 고안된 수동형 갑판지지 프레임 장치의 초기 설계 구조 안전성을 검토하기 위해 유한요소법을 이용하여 구조해석을 수행하고, 구 조설계에 가장 효율적으로 적용할 수 있는 최적설 계 방안을 탐색하였다. Song et al.[2]은 원유운반 선의 원유 선적과 하역 작업에 사용되는 해양 로 딩암 설계와 관련하여 국제규정 설계하중조건을 적용하여 유한요소해석을 기반으로 구조설계 안전 성을 평가하였다. Lee et al.[3]은 드릴쉽이나 부 유식 생산저장하역 설비용 시추장치에 설치되는 라이져의 손상을 예방하기 위해 인장력 응용 엔엘 텐셔너를 개발하였다. Song et al.[4]은 부유식 생 산저장하역 설비용 시추장치용 라이져 보강구조에 대해 전역하중 및 국부하중 조건들을 고려하여 구 조해석을 수행하고, 위상최적화 기법을 이용하여 최적 형상 설계를 수행하였다. Song et al.[5]은 계류상태의 부유식 해상태양광 발전시설의 유체동 역학해석을 통해 동적하중조건을 산출하고 이를 이용하여 태양광 패널 지지구조의 구조해석을 수 행하였다.

본 연구에서는 메가와트급 부유식 해상풍력발전 기의 계류 시스템에 적용이 가능하도록 고안된 FCS에 대해 초기 설계 단계에서의 구조 안전성을 검토하기 위해 3차원 프린터를 이용하여 축소 구조 모형을 제작하고 구조시험과 구조해석을 수행하여 강도성능을 평가하였다. FCS의 실제 형상에 대한 축소 구조모형 시험을 수행하기에 앞서 3차원 프린 터 출력물의 소재인 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene) 재료의 인장시편을 제작하고, 인장시험을 통해 재료특성치를 산출하였다. FCS의 구조 취약부를 수치적으로 검토하고 구조시험을 통해 구조 취약부를 검증하기 위해 축소 구조모형과 동일한 형태로 유한요소해석 모델을 생성하고, 인장시험 으로부터 산출된 재료 특성치를 적용하였다. 유한 요소해석에 적용된 하중 및 경계조건은 축소모형 구조시험과 동일한 조건을 적용하였다. 축소모형 구조시험은 FCS의 실제 작동 상태를 고려한 하중 상태를 구현하여 수행하였고, 구조시험 결과는 구 조해석 결과와 비교하여 시험조건 및 결과의 타당 성을 검토하였다. 본 연구를 통해 부유식 해상풍 력발전기용 FCS의 구조 안전성을 초기 설계단계 에서 시험적으로 검증할 수 있는 방법을 제시할 수 있었으며, FCS의 강도성능 평가 결과는 상세설 계 단계에서 구조성능을 향상시키기 위해 유용하 게 활용될 수 있을 것으로 판단되었다.

2. 부유식 해상풍력발전기용 FCS의 설계 특성

부유식 해상풍력발전 플랫폼의 전역거동에 직접 적인 영향을 미치는 위치유지시스템인 계류 시스템 은 전체 풍력발전시스템의 운동안정성과 위치유지 및 안정적인 발전성능 확보를 위한 필수 핵심 구 성품이다. 최근 해상풍력발전기의 설계 한계 유속 을 넘어서는 태풍들이 발생하였고, 향후 기후 변화 로 더 큰 태풍도 예상되기 때문에 해상풍력발전기 의 피항 또는 중대손상 사고로 인한 대규모 유지 보수를 위한 계류 시스템의 탈부착 장치에 대한 고려가 절대적으로 필요하다. 본 연구에서 고려한 부유식 해상풍력발전기의 계류시스템 탈부착장치인 FCS는 Fig. 1에 나타나 있는 수면 기준 상하부가 분리되도록 고안된 계류시스템에서 하부구조물 측 면에 설치되도록 설계되었다. 부유식 해상풍력발전 기의 계류시스템 손상은 일반적으로 하부구조물 연결부에서 발생하기 때문에 분리형식의 계류시스템 을 적용하게 되면 유지보수 과정에서 전체 계류시 스템의 교체가 필요하지 않게 된다. 따라서 유지보 수 기간의 단축과 비용 절감의 효과가 일반적인 계류시스템 대비 높게 나타나게 된다.

Fig. 1에 나타난 것처럼 FCS는 부유식 해상풍

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Fig. 1 FCS on floating type offshore wind turbine

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Fig. 2 Initial design configuration of FCS

력발전기의 설치와 유지보수 과정에서 해양지원선 박의 예인선에 연결되어 하부구조물의 직접적인 파손 방지의 역할을 한다. 또한 FCS는 설치가 완 료된 후에 계류체인과 연결되어 부유식 해상풍력 발전기의 운용 중에 발생되는 계류시스템의 하중 으로 인한 하부구조물의 파손을 최소화할 수 있도 록 고안된다.

본 연구의 고려 대상 FCS의 설계형상과 주요 치수는 Fig. 2에 나타내었다.

Fig. 2에 나타나 있는 것처럼 FCS는 해수면 위 의 계류체인과 연결되어 2,250 Ton의 최대인장력 작용조건에서 구조 안전성이 보장되도록 설계되었다. FCS는 Fairlead wheel, Fairlead arm, Chain stopper, Flag block, Connector, 그리고 Hydraulic system의 6개 주요 부품으로 구성되어 있다. Fairlead wheel은 설치 혹은 해체 중 계류체인의 움직임을 가이드하는 부품이다. Fairlead arm은 계류체인을 움직임을 가이드하고, Chain stopper 의 지지하중을 FCS 구조부에 전달하는 부품이다. Chain stopper는 운용, 설치 혹은 해체 중 발생 하는 체인 하중을 지지하는 부품이다. Flag block 은 FCS를 하부구조물에 연결하기 위한 부품이다. Connector와 Hydraulic system은 Chain stopper 의 작동을 제어하는 부품이다. FCS의 주요 부품들 은 회전작동이 가능하도록 Pin으로 연결되었다.

3. 유한요소해석 기반 강도성능 평가

FCS의 실제 형상에 대한 축소 구조모형 시험을 수행하기에 앞서 구조 취약부를 수치적으로 검토 하고 구조시험을 통해 구조 취약부를 검증하기 위 해 축소 구조모형과 동일 조건으로 유한요소해석 기반의 강도성능 평가가 필요하였다. 유한요소해 석 결과의 정확도를 향상시키기 위해 재료 특성치

는 축소 구조모형 제작에 사용된 3차원 프린터를 동일하게 이용하여 재료 시편을 제작하고 인장시 험을 수행하여 산출하였다. 또한 유한요소해석의 하중 및 경계조건은 구조모형 시험과 동일하게 설 정하였고, 응력결과를 산출하여 모형시험의 구조 취약부 산정 부위를 검토하였다.

3.1 ABS 재료의 인장시험

본 연구에서는 FCS의 축소 구조모형을 3차원 프린팅으로 제작하였기 때문에 유한요소해석의 물 성치는 3차원 프린터 출력물의 소재인 ABS의 재 료특성치를 인장시험으로부터 산출하였다. ABS 재 료의 기계적 성질은 3차원 프린터의 작동조건에 영향을 받을 수 있기 때문에 축소 구조모형 제작 에 사용된 동일한 3차원 프린터를 이용하여 ABS 재질의 인장시험 시편을 제작하고 재료 특성치를 산출하였다. ABS 재질은 적층면의 방향 특성에 영향을 받는 직교이방성(Orthotropic) 성질을 갖기 때문에 적 층방향에 따른 시편 제작과 인장시험이 필요하다 [6-8]. FCS와 같은 3차원 구조의 형상을 고려할 경우, 직교이방성 재질의 인장시편은 시편의 길이, 폭 및 높이 방향에서 각각 제작되어야 한다. 따라 서 ABS 재질의 인장시험 시편은 Fig. 3과 같이 길이, 폭 및 높이 방향 기준으로 각각 출력하여 제작하였다.

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Fig. 3 Tensile test specimen lamination at three directions

인장시험 시편 제작을 위해 사용한 3차원 프린 터는 FFF(Fused filament fabrication) 출력방식이 며, 노즐과 필라멘트의 직경은 0.4mm와 1.75mm 이다. 3차원 프린터의 노즐 온도와 베드 온도는 250℃와 115℃로 각각 설정하였으며, 필라멘트의 내부채움 조건은 100%로 설정하여 인장시험 시편 을 제작하였다. 인장시험 시편은 ASTM D638 표준시험법[9]에 따라 제작하였으며, 인장시험 시편 의 설계 및 제작 형상은 Fig. 4와 같다.

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Fig. 4 Tensile test specimen of ABS material (unit: mm)

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Fig. 5 Tensile test machine(left) and set-up(right) for ABS material

Table 1. Material properties measured from tensile test

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ABS 재질의 시편은 길이, 폭 및 높이 방향에서 각각 제작하여 인장시험을 수행하였다.    인장시험에 사용된 계측장비는 MTS사의 250kN급 Universal test machine(UTM)이며, 시험상태는 Fig. 5에 나 타내었다.     Fig. 5에 나타나 있는 것처럼 시험편의 연신율 은 접촉식 Extensometer를 이용하였고, 인장시험 의 변형률 속도는 5mm/min으로 설정하였다. 인 장시험의 주요 결과인 최대인장응력, 연신율 및 탄성계수는 Table 1에 정리하였고, 응력-변형률 선도는 Fig. 6에 나타내었다. Table 1과 Fig. 6에 나타난 것처럼 높이 방향 적층(TSH) 조건이 길이 방향 적층(TSL) 조건과 폭 방향 적층(TSW) 조건보다 인장강도가 5% 및 9% 정도 높다. 이러한 특성은 기존의 연구결과[6,8] 와도 일치하기 때문에 인장시험의 결과는 타당한 것으로 판단하였다.

Mechanical property TSL1) TSW2) TSH3) Tensile stress (MPa) 12.96 11.68 13.89 Elongation (%) 2.13 1.80 2.26 Elastic modulus (MPa) 771.35 739.51 813.65

1) TSL: Test specimen for length-wise lamination 2) TSW: Test specimen for width-wise lamination 3) TSH: Test specimen for height-wise lamination

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Fig. 6 Stress-strain curve measured from tensile test

인장시험의 결과로부터 ABS 재질의 기계적 특 성은 이방성인 것을 알 수 있다. 따라서 인장시험 으로부터 산출된 ABS 재료 특성치를 유한요소해 석에 적용하기 위해서 직교이방 재료상수를 산정 해야 한다. 직교이방 재료상수를 결정하기 위한 직교이방성 재료모델은 다음의 식으로 정의될 수 있다[10].

\(\sigma = E \epsilon\)

\(\)

\(G _ { x y } = \frac { E _ { x } } { 2 ( 1 + \nu _ { x y } ) }\)

\(G _ { x z } = \frac { E _ { x } } { 2 ( 1 + \nu _ { x z } ) }\)

\(G _ { y z } = \frac { E _ { y } } { 2 ( 1 + \nu _ { y z } ) }\)

여기서 는 인장응력  는 인장변형률,  는 탄성 계수, 는 축 변형에 대한 축 변형의 비율인 Poisson 비, 그리고 는 축과 축에 직각인 평면에 대한 전단계수이다. Table 1과 식 (2)로부 터 산정된 Poisson 비와 전단계수의 직교이방 재 료상수는 Table 2에 정리하여 나타내었다.

Table 2. Orthotropic material constants for  and .

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3.2 유한요소해석

FCS의 구조 취약부를 수치적으로 검토하고, 또 한 축소모형의 구조시험을 통해 구조 취약부를 검 증하기 위해 축소 구조모형과 동일한 형태로 유한 요소해석 모델을 생성하였다. 축소 구조모형의 크 기는 UTM 상에 장착 가능한 상태를 고려하여 1/12로 설정하였다. FCS의 유한요소해석 모델은 Fig. 7에 나타내었다.

Fig. 7에 나타난 것처럼 FCS의 유한요소해석 모델은 941,268개의 요소와 214,505개의 절점으 로 구성되었고, 각각의 부재는 4절점 사면체 요소 로 모델링하였으며, 부재의 연결부는 Rigid link로 모델링하였다. 유한요소해석 모델에 적용된 재료 물성치는 인장시험으로부터 산출된 직교 이방성 재료 특성치를 적용하였다. 유한요소해석에 적용 된 하중 조건은 FCS의 실제 작동상태를 고려하여 계류체인이 Fairlead wheel에 연결되어 인장하중 을 받게 되는 작동조건(Operation condition)과 계류체인이 Chain stopper에 고박되는 계류조건 (Anchoring condition)을 각각 적용하였다. 축소 모형 구조시험은 변위제어를 통해 인장하중 상태 를 구현하기 때문에 구조해석 모델에서도 동일하 게 강제변위를 하중조건으로 적용하였다. 강제변 위량은 Fairlead wheel과 Chain stopper 상에 인 장 방향으로 5.0mm를 선형적으로 증분하여 적용 할 수 있도록 하중제어곡선을 사용하였다. 하중조 건에 적용된 하중제어곡선은 Fig. 8에 나타내었다. Fig. 8과 같은 선형 증분 형태의 하중제어곡선을 적용하면 정적 선형하중 제어 시험상태를 모사할 수 있을 뿐만 아니라 수치적 수렴 안정성도 높일 수 있다.

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Fig. 7 Finite element analysis model of FCS

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Fig. 8 Load control curve

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Fig. 9 Stress contour results

경계조건은 축소모형 구조시험에서 Flag block 상면과 Fairlead arm 하면을 고정했기 때문에 구 조해석 모델에서도 동일하게 해당 부분 절점의 자 유도를 완전 구속조건으로 설정하였다. 구조해석 은 범용 유한요소해석 소프트웨어인 ABAQUS/ Implicit[11]를 사용하여 수행하였다. 작동조건과 계류조건의 구조해석 결과는 von-Mises 응력을 이용하여 Fig. 9에 나타내었다.

Fig. 9에 나타난 것처럼 하중으로 적용된 최대 강제변위 상태에서 작동조건과 계류조건 모두 재 료의 최대인장응력 상태인 13.89MPa에 도달하는 것으로 나타났다. 이와 같이 재료의 최대인장응력 상태까지 하중이 적용되면 각각의 하중조건 별로 구조 취약부를 명확하게 판단할 수 있다. 작동조 건에서는 Flag block과 Fairlead wheel의 연결부 구조가 취약한 것으로 나타났고, 계류조건에서는 Fairlead arm과 Chain stopper의 연결부 구조가 취약한 것으로 나타났다.

4. 축소모형 구조시험 기반 강도성능 평가

유한요소해석을 통해 파악된 FCS의 구조 취약 부를 검증하기 위해 축소모형의 구조시험을 수행 하였다. 축소모형은 ABS 재질의 인장시험 시편 제작을 위해 사용된 3차원 프린터를 동일하게 이 용하여 제작하였다. 또한 3차원 프린터의 노즐 온 도, 베드 온도 및 필라멘트의 내부채움 조건도 인 장시험 시편 제작 조건과 동일하게 설정하였다. FCS의 축소모형 형상은 Fig. 10에 나타내었다.

Fig. 10과 같이 제작된 FCS의 축소모형을

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Fig. 10 3-d printing scale model of FCS

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Fig. 11 Operation(left) and anchoring(right) conditions for structural model test

UTM에 고정하기 위해 Flag block의 상면과 Fairlead arm의 하면에 별도의 지그를 설치하였 다. FCS 축소모형의 구조시험상태는 작동조건과 계류조건 별로 Fig. 11에 나타내었다.

Fig. 11에 나타난 것처럼 작동조건과 계류조건 에 대한 하중조건은 실제 FCS의 운용조건과 동일 하게 모사하기 위해 Fairlead wheel과 Chain stopper에 와이어를 연결하여 로드셀에 고정하여 구현하였다. 시험장비는 MTS사의 250kN급 UTM 이며, Flag block의 상면 방향으로 변형률 속도를 5mm/min으로 설정하여 구조 파단이 발생할 때까 지 시험을 수행하였다. 시험이 종료된 후에 FCS 축소모형의 파단부의 형상과 하중-변위 이력 선도 의 결과는 Fig. 12과 Fig. 13에 각각 나타내었다.

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Fig. 12 Structural models test results for operation (left) and anchoring(right) conditions

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Fig. 13 Comparison of force-displacement results for operation and anchoring conditions

Fig. 12에 나타난 것처럼 작동조건에서는 Flag block과 Fairlead wheel의 연결부 구조와 연결핀 이 파손되는 것으로 나타났고, 계류조건에서는 Fairlead arm과 Chain stopper의 연결부와 연결 핀이 파손되는 것으로 나타났다. 축소모형 구조시

험에서 나타난 FCS의 구조 취약부는 구조해석의 결과와 일치하였다. Fig. 13에 나타난 것처럼 작 동조건에서 최대하중과 최대변위는 1.76kN과 15.40mm로 측정되었으며, 계류조건에서 최대하중 과 최대변위는 1.15kN과 33.45mm로 측정되었다. 구조해석에서 적용된 5.0mm의 강제변위 조건과 비교하면, 5.0mm 근방까지의 하중-변위 이력 선 도의 결과는 선형적 특성을 나타내기 때문에 유산 한 결과가 산출된 것으로 판단할 수 있다. 실제 FCS는 등방성 재질인 강재로 제작되기 때문에 이 방성 재질인 ABS로 제작된 축소모형 구조시험의 결과와 다소 차이가 있을 수 있다. 그러나 재료시 험을 통해 산출된 ABS의 방향별 기계적 특성치는 큰 차이를 보이지 않았으며, Fig. 13에 나타난 하 중-변위 이력 선도에서도 알 수 있듯이 구조파손 의 발생 전까지 선형적 이력 특성을 보이기 때문 에, 본 연구에서 수행한 축소모형 기반의 구조성 능 검토 결과는 유의한 것으로 판단하였다. 추후 실제 크기의 강재로 제작된 FCS의 구조시험을 수 행하여 본 연구의 결과를 좀 더 심층적으로 검토 해 볼 필요가 있다고 사료된다.

계류조건 최대하중은 작동조건 대비 35% 감소 된 반면, 최대변위는 117% 증가한 것으로 나타났 다. Fig. 13의 하중-변위 이력 선도에도 나타났듯 이 변형에너지의 흡수 측면에서 계류조건 상태가 작동조건보다 유리한 것으로 나타났다. 고정부인 Flag block의 상면으로부터 하중이 적용되는 위치 가 계류조건에서 더 길고, 하중전달 경로 상에 연 결 부재의 구성도 다르기 때문에 변형에너지 특성 이 다르게 나타나는 것으로 판단할 수 있다. 이와 같은 FCS의 구조강도 특성에 대한 검토 결과는 구조설계 개선이나 최적화와 연계되어 활용될 수 있는 중요한 구조성능 평가 정보이다. 축소모형 구조시험은 FCS의 실제 작동 상태를 고려한 하중 상태를 구현하여 수행되었기 때문에, 시험방법과 결과는 FCS의 상세설계 단계에서 구조성능을 향 상시키기 위해 유용하게 활용될 수 있을 뿐만 아 니라 FCS의 실증시험에도 적용될 수 있다.

5. 결 론

본 논문은 메가와트급 부유식 해상풍력발전기의 계류 시스템에 적용될 수 있도록 개발된 FCS에 대해 초기 설계 단계에서의 구조 안전성을 검토하 기 위해 3차원 프린터로 제작된 축소 모형의 구 조시험과 구조해석을 수행하여 강도성능을 평가하 였다. FCS의 초기 설계 형상에 대한 축소 모형의 구조시험을 수행하기 전에 3차원 프린터 출력물의 소재인 ABS 재료의 인장시편을 제작하였고, 인장 시험을 통해 재료특성치를 산출하였다. ABS 재질 은 적층면의 방향적 특성에 영향을 받는 직교이방 성 성질을 갖기 때문에 적층방향에 따라 길이, 폭 및 높이 방향에서 각각 시편을 제작하였고, ASTM D638 표준시험법에 따라 인장시험을 수행하여 재 료의 기계적 물성치를 측정하였다. FCS의 구조 취 약부를 수치적으로 검토하고 구조시험을 통해 구 조 취약부를 검증하기 위해 축소 구조모형과 동일 한 형태로 유한요소해석 모델을 생성하였고, 인장 시험으로부터 산출된 직교 이방성 재료 특성치를 해석모델에 적용하였다. 유한요소해석에 적용된 하중조건은 FCS의 실제 작동상태를 고려하여 계 류체인이 Fairlead wheel에 연결되어 인장하중을 받게 되는 작동조건과 계류체인이 Chain stopper 에 고박되는 계류조건을 각각 적용하였다. 하중조 건 별로 구조 취약부를 명확하게 판단하기 위해 재료의 최대인장응력 상태까지 하중을 적용하였 다. 구조해석 결과를 통해 작동조건에서는 Flag block과 Fairlead wheel의 연결부 구조가 취약한 것으로 파악되었고, 계류조건에서는 Fairlead arm 과 Chain stopper의 연결부 구조가 취약한 것으 로 검토되었다. 유한요소해석을 통해 파악된 FCS 의 구조 취약부를 검증하기 위해 동일한 조건으로 축소모형의 구조시험을 수행하였다. 축소모형은 ABS 재질의 인장시험 시편 제작을 위해 사용된 3 차원 프린팅 조건과 동일하게 설정하여 제작하였 다. 축소모형 구조시험에서 나타난 FCS의 구조 취 약부는 구조해석의 결과와 일치하는 것으로 나타 났다. 하중-변위 이력 측정 결과로부터 변형에너 지의 흡수 측면에서 계류조건 상태가 작동조건보 다 유리한 것으로 검토 되었다. 본 연구를 통해 메가와트급 부유식 해상풍력발전기용 FCS의 구조 안전성을 초기 설계단계에서 시험적으로 검증할 수 있는 방법을 제시할 수 있었으며, FCS의 강도 성능 평가 결과는 상세설계 단계에서 구조성능을 향상시키기 위해 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단되었다.

후 기

본 연구는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지 기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 과 제(No. 20213000000030; No. 20223030020240) 와 해양수산부의 재원으로 한국해양수산과학기술진 흥원의 지원을 받아 수행한 연구 과제(친환경 선박 용 전기추진 시스템 시험평가 및 무탄소연료 선박 적용성 실증 기술개발, No. 1525013494/PMS5390) 의 결과입니다.

참고문헌

  1. D. J. Lee, C. Y. Song, and K. Lee, "Surrogate model based approximate optimization of passive type deck support frame for offshore plant float-over installation," Journal of Ocean Engineering and Technology, vol. 35, no. 2, pp. 131-140, (2021). https://doi.org/10.26748/KSOE.2021.002
  2. C. Y. Song, H. Y. Choi, and S. H. Shim, "Structural safety evaluation of marine loading arm using finite element analysis," Journal of Ocean Engineering and Technology, vol. 27, no. 1, pp. 43-50, (2013). https://doi.org/10.5574/KSOE.2013.27.1.043
  3. K. Y. Lee, H. S. Choi, E. J. Lee, and T. S. Yoon, "Future vision through NL tensioner technology development and domestic equipment fabrication," Journal of Ocean Engineering and Technology, vol. 25, no. 2, pp. 127-133, (2011). https://doi.org/10.5574/KSOE.2011.25.2.127
  4. C. Y. Song, J. Choung, and C. S. Shim, "An application of topology optimization for strength design of FPSO riser support structure," Journal of Ocean Engineering and Technology, vol. 24, no. 1, pp. 153-160, (2010).
  5. J. Song, J. Kim, W. C. Chung, and S. Kim, "Analysis method of the supporting he supporting steel frames for offshore floating solar panels based on hydrodynamics," Journal of Korean Society of Steel Construction, vol. 33, no. 5, pp. 23-27, (2021).
  6. V. Vega, J. Clements, T. Lam, A. Abad, B. Fritz, N. Ula, and O.S. Es-Said, "The effect of layer orientation on the mechanical properties and microstructure of a polymer," Journal of Materials Engineering and Performance, vol. 20, no. 6, pp. 978-988, (2011). https://doi.org/10.1007/s11665-010-9740-z
  7. C. Park, M. H. Kim, S. M. Hong, J. S. Go, and B. S. Shin, "A study on the comparison mechanical properties of 3D printing prototypes with laminating direction", Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, vol. 24, no. 3, pp. 334-341, (2015). https://doi.org/10.7735/ksmte.2015.24.3.334
  8. J. Yoon, "Study of the mechanical properties and orthotropy of ABS materials fabricated by FDM printing", Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, vol. 17, no. 5, pp. 143-148, (2018). https://doi.org/10.14775/ksmpe.2018.17.5.143
  9. ASTM, ASTM D638-14: Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics, (2022).
  10. H. Eslami, L. Hooman, J. Bhagya, and W. Daniele, "Nonlinear three-dimensional anisotropic material model for failure analysis of timber," Engineering Failure Analysis, vol. 130, no. 105764, pp. 1-21, (2021). https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2021.105764
  11. Simulia, Abaqus User Manual, Simulia, (2022).