선박 및 해양구조물에 적용을 위한 복합재료의 기계적 체결강도와 손상형상 연구

Abstract

조선 및 해양산업은 국제해사기구의 환경규제에 대응하기 위해 친환경 선박 연구개발에 박차를 가하고 있다. 친환경 선박의 핵심 기술은 친환경 추진기관의 개발이다. 친환경 추진기관의 추진효율 향상을 위해 선박 경량화에 관한 여러 논의가 있는 가운데, 선박에 경량화 복합재료 적용이 검토되고 있다. 경량화 복합재료는 이미 특수선, 해양레저용 선박에 활발히 사용되고 있는데 반해 대형 상선에 적용은 보수적이었다. 하지만, 최근 조선 및 해양산업의 분위기 변화에 따라 대형 상선에 우수한 내구성을 갖춘 섬유강화복합재료 적용이 적극적으로 고려되고 있다. 선박 및 해양구조물 등 대형구조물에 섬유강화복합재료 적용에 있어 중요하게 다루어야 할 문제는 구조물의 연결 방법이다. 금속소재로 이루어진 구조물의 경우 용접을 이용하여 대형화할 수 있지만, 복합재료를 적용한 구조물의 경우 용접을 할 수 없어 다른 연결 방법을 고려해야 한다. 경량화 복합재료와 금속재료를 연결하는 가장 효율적인 연결 방법은 기계적 체결방법이다. 반면, 복합재료 구조물의 기계적 체결부는 응력집중, 균열진전, 변형률의 증가로 인해 구조강도가 저하된다. 기계적 체결을 위해 가공된 원공노치의 불연속 구조로 인한 응력집중이 발생하고, 장시간 운항하는 선박의 경우 염수, 자외선의 해양환경과 저온환경 영향이 기계적 체결 부위에 작용하게 된다. 따라서, 복합재료 기계적 체결부의 강도저하 요소를 고려한 설계 연구와 구조물에 미치는 해양 환경 영향 대한 연구가 필요하다. 본 논문에서는 섬유강화복합재료 기계적 체결구조물의 체결강도 및 손상형상을 실험으로 평가하였다. 정적 체결정적 체결강도와 손상형상 평가를 위해서 스테인리스스틸로 제작된 더블랩 픽스처에 복합재료 시편을 볼트로 체결하여 실험 모델을 구성하였다. 만능재료시험기를 활용하여 구성된 모델의 정적 체결강도 시험을 수행하였다. 실험 후 손상된 복합재료 섬유 및 기지재의 손상은 현미경 관찰을 통해 분석하였다. 선박 및 해양구조물에 적용을 위한 복합재료 기계적 체결부에 미치는 환경 영향 평가를 위해 섬유강화복합재료 시편에 각각 염수환경, 자외선환경과 저온환경을 적용하고, 정적 체결강도와 손상형상에 미치는 환경 영향을 분석하였다. 나아가 유한요소해석과 실험 결과와의 비교 및 분석을 통해 시편의 손상 원인 및 손상형상을 분석하여 복합재료 기계적 체결부의 적절한 예측 모델을 설계하였다.