해양구조물 시장의 급성장과 맞물려서 알루미늄 헬리데크 시장도 점점 커지고 있으며, 주요 원천기술은 유럽(네델란드, 덴마크, 노르웨이)국가에서 보유하고 있다. 최근, 알루미늄 헬리데크에 대한 관심이 증가하면서 국내 대형조선사를 중심으로 관련 기술에 대한 자립화 및 제품개발에 노력을 기울이고 있다. 본 연구에서 대상으로 하는 알루미늄 헬리데크의 경우, 헬리콥터의 자유로운 이/착륙을 유도하기 위하여, 플랫폼의 모서리 위치에 주로 설치되어 있다. Figure 1은 대표적인 해양구조물에 설치된 알루미늄 헬리데크와 헬리콥터의 착륙에 대한 예시 자료이다.

Figure 1 
Offshore aluminium helideck

Figure 2에서는 본 논문의 연구대상인 알루미늄 헬리데크를 구성하고 있는 단면구조를 나타내고 있다. 한 개의 헬리데크를 구성하기 위해서는, 수십 개의 단면구조를 조립하여 구성하며, 주요 연결부위는 횡 방향 끼워 맞춤 방법을 이용하며, 하부 빔 구조와는 볼팅 혹은 클램핑 방식을 이용한다. 이는 알루미늄 합금 자체가 용접작업에 의해서 아주 취약하며, 데크 단면의 두께가 상대적으로 얇기 때문이다.

Figure 2 
Aluminium deck profile and dimension

본 연구에서 사용하고 있는 알루미늄 합금 6082-T6에 대한 물성값 정보를 Table 1[11]에서 나타내고 있다.

본 논문에서는 유한요소법(Finite Element Method)을 이용한 탄성 및 비선형 대변형 거동 해석을 통한 알루미늄 헬리데크 단면의 구조 강도 평가를 주로 다루고 있다. 비선형 해석기법으로는 안정적이고 신뢰적인 결과값 도출이 가능한 Arc-length method를 적용하여 해석을 수행하였다. 위 방법은 하중형증분법과 변위형증분법을 동시에 제어하며, 급작스러운 변위 거동이나 하중 거동이 일어날지라도 수치적 해석이 가능하며 해석제약조건에 큰 영향을 받지 않는 방법이다. 그러나, 실험적인 접근에서는 이 방법을 적용할 수가 없으며 오직 수치적 접근에 의해서만 적용할 수가 있다. 본 논문에서 채택한 비선형 좌굴해석 기법인 Arc-length method는 초기 원호의 해석반경을 설정해주면 비선형 좌굴해석 메커니즘으로 잘 알려진 Newton Raphson Method와 조화를 이루어 각 증분 구간별로 사용자가 설정해놓은 반복 수만큼 계산을 수행하여 두 가지의 경로에서 교차하는 점들의 평균점만을 찾아가는 방법이라고 할 수가 있다. Arc-length method에서는 증분 파라미터로서 하중-처짐 곡선의 길이를 증분 시키며 하중제어와 변위 제어를 동시에 사용, 동시 제어를 가능하게 하여 응답이 완만하거나 급작스러운 분기점(Bifurcation point)이 존재하지 않는 경우 가장 적합한 방법이며, 본 연구의 해석에 적용하고 있다.

Figure 3에서는 셀요소를 적용하고, 요소의 크기를 5mm에서 35mm까지 5mm 간격으로 변화시킨 총 7개의 해석모델 일부를 나타내고 있다. 요소는 ANSYS 프로그램[12]에서 제공하고 있는 4 절점 사각형 요소이며, 선형/비선형 및 상태변화 비선형에서도 사용할 수 있으며, 한 개의 절점에는 6개의 자유도를 표현할 수 있다.

Figure 3 
Shell model depend on the mesh size

Figure 4에서는 20 절점 솔리드요소를 적용한 단면의 모델링을 나타내고 있으며, 요소의 크기는 실제 두께를 반영하여 5mm로 고정하였다. 단면에 충격하중이 작용할 경우, 응력집중이 발생하기 쉬운 수직과 수평부재의 교차점에 대하여 실제 압출 실물의 형상을 반영하기 위하여 라운드 형상 모델링을 추가로 고려하여, 일반적인 모델링에 의한 결과와 비교하였다. 또한 Figure 5에서는 해석에 적용된 하중 조건 및 경계조건을 나타내고 있다. 비선형 붕괴 거동을 예측하기 위해서는 최종강도와 그 이후 거동을 명확하게 확인할 수 있는 최대값이 필요하며, 이에 본 연구에서는 500kN을 적용하였다.

Figure 4 
Solid model depend on the edge modeling shape

Figure 5 
Loading and boundary condition

이 하중은 균일하게 한 개의 데크 면적에 전체하중으로 분포시켰다. 이러한 이유는 해석에서 고려한 헬리콥터 (Sikorsky –S92)의 이/착륙 시 타이어의 접지 면적이 가로/세로가 약 250mm이기 때문이다. 경계조건은 데크 단면의 폭 방향 및 길이 방향은 연속거동조건을 고려하기 위하여, 대칭 조건을 적용하였으며 바닥 면은 볼트 및 클램프로 고정되어 있으며, 3자유도 변위(x, y, z)를 고정하였다.

알루미늄 헬리데크를 구성하는 압출 재는 원자재를 원하는 형상으로 생산하기 위하여, 압출용 금형을 활용하고 있다. 이 과정에서 압출 재의 생산공차가 발생하며, 연구에서 개발하고자 하는 단면에는 수직방향 웨브에서 최대 0.5mm를 Figure 6과 같이 고려하였다.

Figure 6 
Extrusion tolerance and shape

압출에 의한 공차의 크기 및 형상은 압출 업체로부터 제공받은 정보이며, 헬리데크 팬케이크 상면에 압축하중이 주요하기 때문에, 생산공차를 포함한 해석모델을 적용하여 시리즈해석을 수행하였다.

헬리데크를 설계하기 위해서는 헬리콥터의 사양을 결정해야 하며, 본 연구에서는 해양플랫폼에서 가장 빈번하게 사용하는 기종인 Sikorsky S-92를 선택하였다. 아래의 데이터는 이 기종에 대한 주요 제원 및 일반배치도를 Table 2와 Figure 7에 나타내고 있다. 해석에 사용된 유한요소해석프로그램은 ANSYS V.18로서 구조해석 라이선스는 Structural Solver을 이용하였다. 주로 선형 및 비선형해석에 사용되며, 다양한 구조 강도 해석 시 활용되고 있다. 유한 셀 요소는 shell 181을 적용하였으며, 얇은 두께부터 적당히 두꺼운 판으로 구성된 구조 강도 해석에 적합하다. X, Y, Z 변위와 회전을 각 노드에서 제어할 수 있는 전통적인 4노드를 갖는 요소이다. 요소에서 사용되는 형상함수는 대변형 및 실제 응력 측정을 기반으로 하고 있으며, 요소 기구학은 멤브레인 변형을 허용하고 있다. 3차원 솔리드 요소는 186을 적용하였고, 20개의 노드를 갖고 있다. 각 노드에는 변위 X, Y 그리고 Z 변위를 표현하며, 소성, 초탄성, 대변형 해석에 적합하다.

Figure 7 
Sikorsky S-92 helicopter

수치계산에 사용된 해석모델의 메쉬 크기에 따른 유한요소의 개수를 Table 3에서 나타내고 있다. 솔리드요소를 사용한 경우, Round shape를 구현하기 위하여, 요소의 크기를 5mm, 10mm 조건으로만 검토가 되었다.

지정된 헬리콥터의 이/착륙에 의한 패치 하중 전달 시 알루미늄 헬리데크에서의 좌굴을 포함한 붕괴 거동 해석 결과를 하중과 변위 관계로 Figure 8에 나타내고 있다. 요소의 크기는 가장 작은 5mm를 모델링에 반영하였다. 선형 고유치 좌굴해석을 통하여 구해진 하중 값을 점선으로 표기하였으며, 비선형 좌굴 및 최종강도 결과는 증분/수렴 해석을 통하여 도출하였다. 초기항복은 112.58kN이 작용하는 시점에 상판과 수직부재가 만나는 경계에서 발생하며, 하중 크기 증가에 따라서 길이 방향으로 유사한 분포 특징을 나타낸다. 초기항복이 발생한 시점에서 곧바로 헬리데크 단면의 최종강도가 결정되며, 최종강도 이후 면내 강성 감소가 크게 나타난다. 이러한 특징은 일반적인 탄소강과 달리 알루미늄의 경우 연신율이 크기 때문이다.

Figure 8 
A comparison of the force and displacement using shell model with 5mm elements under impact load

Figure 9에서는 고유치 좌굴해석을 통한 좌굴 변형 모드를 Figure 9 (a)에서 나타내며, 최종강도 상태에서 항복 응력 분포를 Figure 9 (b)에 정리하였다. 패치 하중에 따른 압축 하중을 주로 담당하는 수직부재에서 좌굴이 발생하는 경향이며, 최종강도에서의 항복 응력은 데크 상면에 넓게 분포되고 있다.

Figure 9 
Deformed shape and yield distribution of shell model with 5mm elements under impact load

Figure 10에서는 요소 크기를 35mm를 적용한 셀 모델링에 의한 붕괴 거동을 하중과 변위로 나타내고 있다. 요소 크기가 증가함에 따라서, 탄성 좌굴응력과 최종강도는 증가하였으며, 초기항복 하중은 감소하였다. 만약 초기항복 하중이 설계 인자였다면, 요소의 크기에 변화에 따라서 결과는 민감하게 나타남을 확인할 수 있다. 요소 크기 5mm에 비해서 최종강도 상태에서의 헬리데크 상면에서의 항복 응력 분포는 다른 경향을 Figure 11에서 나타내고 있다. 상면과 교차하는 수직부재 영역에서 국부적인 항복이 발생하고, 상단면 전체적으로 항복 응력이 분포하지는 않는다.

Figure 10 
A comparison of the force and displacement using shell model with 35mm elements under impact load

Figure 11 
Yielding distribution of shell model with 35mm elements under impact load

Figure 12에서는 셀 요소를 적용한 유한요소모델에서의 하중을 세로축에 표현하고, 요소의 크기 변화를 가로축에 표기한 결과를 초기항복 하중과 최종강도 하중으로 구분하여 비교하고 있다. 초기항복 하중은 요소의 크기가 작을수록 높게 평가하며, 요소의 크기가 25mm 이상의 조건에서 일정한 최대하중으로 근접하고 있다. 최종하중 분포의 경우, 요소의 크기가 커질수록 점진적으로 증가하는 경향을 나타낸다. 이는 일반적인 유한요소 모델링을 이용한 선형 구조 강도 해석 시 요소의 조밀도에 따른 강도분포 결과와는 다르다. 본 논문에서는 해당 모델의 안정적인 비선형 최종강도 시점의 하중을 예측하기 위한 요소 크기를 25mm 결정하였다. 이러한 특징은 현재의 구조모델의 크기 및 형상과 밀접한 관련이 있으며, 위 조건들이 변경될 때는 요소 크기 변화에 따른 변화를 확인한 후, 시리즈해석을 수행해야 한다. 구조엔지니어링 분야의 종사자들은 이러한 사항이 강제규제사항이 아니기 때문에, 적당한 요소 크기를 임의 선택하는 경우가 많다.

Figure 12 
A comparison of the average stress and element size according to yielding and ultimate strength

데크유닛의 상세한 형상 구현에 따른 붕괴 거동을 예측하기 위하여, 3차원 솔리드 요소를 적용하고, 데크 상면과 수직부재가 만나는 곳의 상세 모델링을 적용하면서, 라운드 형상 반영 유/무에 따른 하중과 변위 결과를 Figure 13 (a)와 Figure 13 (b)에 나타내고 있다.

Figure 13 
A comparison of the force and displacement using solid elements according to the modeling under impact load

선형 고유치 좌굴해석을 통하여 구해진 임계 좌굴하중 값은 초기항복 하중과 최종강도 하중 값보다 크게 도출되고 있다. 이는 압출 시 발생할 수 있는 공차 0.5mm에 대한 영향 및 재료의 비선형 거동을 고려하지 않았기 때문이다. 초기항복 하중은 라운드 형상을 반영한 경우가 약 12% 높게 평가하며, 최종강도 하중은 13% 높았다. 이러한 원인은 가장 응력집중이 크게 발생하는 곳에서 모서리 형상에 따라서 응력집중 가속화율이 다르게 나타나기 때문이다. 압출에 의한 헬리데크 단면의 경우 코너부의 응력집중 완화를 위하여 모서리부에는 일정 곡률을 필수적으로 설계 시 반영하고 있으며, 구조 강도 검토 시에도 이러한 영향을 반영해야만 실제의 구조 거동을 정확하게 예측할 수 있다. 연결부에 대한 피로강도 예측 시에는 실제의 형상을 구현해야 하며, 일반적으로 두께만큼의 크기로 요소 분할을 해야 한다.

모델링 요소의 차이에 의한 선형좌굴하중, 초기항복하중 그리고 최종강도 하중에 대한 비교 결과를 Figure 14에 나타내고 있다. 쉘 요소에 비해, 솔리드 요소의 결과값이 전체적으로 9%에서 13% 큰 하중 값을 나타내며, 이러한 주요 원인은 최대응력 위치를 쉘에서는 중립축에서 솔리드요소는 두께방향으로 추출하였기 때문이다.

Figure 14 
A comparative results of the shell and solid element with mesh size of 5mm under impact load