Minimum Weight Design for Web Frames of Cargo Tanks in the LPG Carrier

Generally, the cargo tank of LPG carriers corresponds to an independent tank Type A defined by the International Maritime Organization (IMO). The outside of the tank is insulated by polyurethane foam, and the tank is made of expensive low temperature steel that can withstand temperatures as low as -50℃. The cargo tank is composed of outer shell plates, bulkheads, stiffeners, web frames, and stringers. Among them, the outer shell plates, bulkheads, and stiffeners can be designed without structural analysis by the Classification Rules and are constructed easily through optimal design. On the other hand, optimal design, including numerous structural analysis, is not performed because web frames and stringers should be designed and approved through structural analysis. Only adequate design, which determines the design dimensions through several dozen structural analysis, is performed. In this study, for finite element analysis, eight loading conditions were applied, and the deformation of the entire ship for each loading condition was considered. The minimum weight design was performed for the web frames of cargo tanks in the 82,000 ㎥ LNG carrier through the gradient-based optimization technique, and the weight was reduced by approximately 108 tons per ship.

LPG 운반선 화물창의 웨브 프레임 최소중량설계

일반적으로 LPG 운반선의 화물창은 국제해사기구(IMO)에서 정의한 독립형 탱크 Type A에 해당하며, 탱크의 외부는 폴리우레탄 폼으로 단열하고, 탱크는 영하 50도에서도 견딜 수 있는 값비싼 저온 강으로 제작된다. 따라서, 화물창 재료의 절감은 많은 비용의 절감으로 직결된다. 화물창은 외판, 격벽, 보강재, 웨브 프레임 및 스트링거로 구성된다. 그 중에서 외판, 격벽과 보강재는 구조해석 없이 선급 규정에 의해 설계될 수 있어 용이하게 최적 설계를 통해 설계된다. 하지만, 웨브 프레임과 스트링거는 구조해석을 통해 설계하고 선급승인을 받아야 하므로, 수없이 많은 구조해석을 포함하는 최적 설계는 사실상 수행하지 못하고, 수 십 번의 구조해석을 통해 설계치수를 결정하는 적정설계만을 수행하는 실정이다. 본 연구에서는 유한요소해석을 위해 2번 화물창을 대표 화물창으로 선정하여 8개의 하중조건을 적용하였고, 각 하중조건에 대한 선박 전체의 변형을 고려하였다. 또한, 탐색시간이 효과적인 미분 기반 최적화 기법을 통해 82,000 ㎥ LNG 운반선의 웨브 프레임을 대상으로 최소중량설계를 수행하였다. 본 연구를 통해 총 48개의 설계변수 치수를 결정하였고, 척 당 약 108 톤의 강재를 절감하였다.