공학석사 학위논문

연속운전 정지구간 통과시 구동축의 과도한 비틀림 진동을 분석하고 피로수명을 평가합니다. 본 논문에서는 선박이 연속 운항을 위해 금지 구간을 통과할 때 프로펠러 샤프트의 피로 수명을 계산하여 안전성을 평가하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 프로펠러 샤프트의 동적 거동을 시뮬레이션하였다.

서론

연구배경

이 구간의 시간을 단축하기 위해 일시적으로 취소하는 방법이 제안되었습니다. 선급협회에서도 연속운전 금지구간 통과에 소요되는 시간과 피로수명평가 기준을 개정하려는 움직임을 보이고 있다.

연구동향

연속운항금지구역 통과 시 추진장치의 안전성 확보는 조선업계 입장에서 선주의 신뢰성 측면에서 매우 중요한 문제이다. 이것은 절대적으로 필요합니다.

연구내용

추진축계 비틀림진동 해석모델

실제 선박의 계측데이터

그 결과, 연속운항 금지구간 통과에 사용된 ME-C형 엔진을 탑재한 선박의 정규화 결과에서 뚜렷한 경향이 나타나는 것을 확인하였다. 이는 연속운전 금지구간을 통과하면서 엔진이 동일한 패턴으로 가속한다는 의미이다.

Fig. 2는 선박의 증속 과정을 일반화한 것으로서 시동 후 저속 운항에서부터 공진영역인 연속운항 금지구간을 통과하여 궁극적으로 최대 정격속도(Maximum Continuous Rating, MCR)에 이르는 과정을 나타내고 있다

선박의 추진축계와 집중 질량 모델링

여기서 𝐉는 각 질량점의 질량 관성 모멘트를 임의의 수의 관성 행렬로 나누어 대각 행렬로 표현한 것입니다. 𝐊能는 각 재료점 사이의 비틀림 강성을 행렬 형태로 나타내는 비틀림 강성 행렬로, 감쇠행렬로서 대칭행렬로 표현된다.

Fig. 7 Ship's Shafting System[9]

프로펠러의 저항 및 기타 감쇠요소

마찰 감쇠 계수 n은 모터 속도이고 F는 영향 계수입니다. 기존의 비틀림 진동 해석 방법과 유사하게 모든 감쇠계수를 절대 감쇠, 상대 감쇠, 프로펠러 감쇠의 3가지 범주로 나누어 계산한 결과를 프로펠러 감쇠만을 고려하여 계산한 결과와 비교하였다. 스트레스 정도의 차이. 이는 프로펠러의 감쇠가 다른 감쇠보다 지배적이기 때문인 것 같습니다.

따라서 본 논문에서는 감쇠계수를 계산할 때 질량점에 직접 작용하는 마찰 감쇠와 질량점 사이에 작용하는 히스테리시스 감쇠를 무시하고 프로펠러의 감쇠만을 고려하였다. 또한, 엔진 제조사인 MAN은 Fig.

Fig. 9 Propeller curve recommended by DNV

연속운항 금지구간에서 증속 시 과도 비틀림진동 해석

증속 시 조속기 제어

11을 이용하여 구동축 속도 증가 과정을 시뮬레이션하였고, 실제 측정된 데이터와 비교하여 최적의 제어 게인을 설정하였다. 제어기에서 비례 제어 게인과 적분 제어 게인을 조정하여 속도 증가 시 선박의 거동을 시뮬레이션했습니다. 그림 2는 최적의 제어 이득을 찾아 분석 대상 선박에 적용한 결과를 보여준다.

최적의 제어게인을 찾은 후, 프로펠러 브레이크 토크에 따른 연속운전 금지구간의 통과시간을 비교하였다. 이때 제어기의 제어 이득은 동일하게 유지되었습니다.

Fig. 11 1 D.O.F Shafting System

엔진 기진력 정의

이 힘은 커넥팅 로드를 통해 전달되어 크랭크를 회전시키는 토크가 됩니다. 이 토크에 의해 크랭크가 각속도 Ω로 회전한다고 가정하면, 크랭크의 위치는 상사점(t=0)에서 t초 후에 A점이 된다. 엔진 실린더 내부의 가스 폭발 압력에 의한 토크 외에 피스톤, 커넥팅 로드, 크랭크 기구는 작동 시 발생하는 왕복질량과 회전질량에 의해 수직 방향의 관성력을 갖게 됩니다.

29의 토크 사이를 선형 보간법을 이용하여 계산한 후, 크랭크샤프트가 1회전할 때마다 회전속도에 대한 가변 토크 크기를 입력하여 분석을 진행하였으며, 가변 입력 토크는 Fig. 관성 토크도 같은 방식으로 입력되었으며 그림 3에 표시됩니다.

Fig. 19에서 실린더 내에서 폭발행정이 일어나고 그 압력이 지름이 𝐷cm 인 피스톤을 누르면, 피스톤에 작용하는 힘은 식(3.5)와 같이 나타낼 수 있다

과도 비틀림진동 해석

36은 프로펠러 제동토크를 변화시키면서 실험결과와 해석결과를 비교한 것이다. 선박 운항 시 프로펠러축에 작용하는 감쇠는 선박의 크기, 로터리 댐퍼 유무, 시운전 시 해상 상황에 따라 달라지는 부분으로 정확한 예측이 어렵습니다. 따라서 향후 다수의 실제 측정 결과를 제공하여 선박 운항 중 감쇠량을 판단할 필요가 있다.

여기서는 시뮬레이션 결과와 실제 측정 결과의 오차를 줄이기 위해 감쇠비와 제동 토크를 임의로 조정하여 결과를 관찰하였다. 따라서 향후 선박의 선형 형상이나 크기에 따라 감쇠비와 제동 토크를 설정할 수 있는 방법이 개발된다면 보다 정확한 시뮬레이션 결과를 얻을 수 있을 것으로 사료된다.

Fig. 33 ME-C 1 Simulation Result (100% of Damping ratio, Braking Torque2)

추진축계 피로수명 평가

증속 조건 과도 비틀림진동 허용규정

DNVGL에 따른 추진축계 피로수명 평가

누적 사이클 수𝑁𝐶의 경우 선급협회에서 제시하는 선박 종류에 따라 예상 수명 동안 연속 사용이 금지된 구간의 통행 횟수와 이에 상응하는 사이클 수𝑁𝐸를 곱한 것으로 정의됩니다. 한 패스에서 비틀림 응력의 최대값과 같습니다. 각 선박의 예상 수명 동안 계속 운항하여 금지 구역을 통과하는 횟수는 다음과 같이 정의됩니다. 그림을 보면 분석중인 선박의 수명이 무한하다는 것을 알 수 있습니다.

시간영역 피로수명 평가방법의 정확성을 검증하기 위해 기존의 주파수영역 피로평가 규정인 IACS UR M68을 기반으로 피로수명평가를 수행하고 그 결과를 비교하였다. 42, IACS 법칙에 따라 피로수명을 계산하면 비틀림응력의 최대값이 연속사용한계 𝜏1 이하임을 알 수 있어 그림과 같이 무한한 수명을 가짐을 알 수 있다. 시간 영역에서의 피로 수명 평가가 있었습니다.

Fig. 41 S-N curve in DNVGL-CG-0038[28]

결론 및 향후계획

Recently, as interest in the global environment has increased, energy efficiency index regulations have been strengthened in ship design. Such changes in engine type and operating conditions may cause a delay in the restricted speed range (BSR) transit time during ship acceleration. The restricted speed range means the speed range that limits continuous operation for the safety of the propeller shaft.

If the transit time of this section is delayed, excessive fatigue accumulates in the drive shaft and an additional fatigue damage safety rating is required. In this paper, the dynamic behavior of the drive shaft system is simulated in the time domain to predict the torsional vibration that occurs during the passage through a limited speed range.