내부 위상 형상에 따른 3D 프린트 복합재 방향타의 구조 성능 평가

Abstract

최근 온실가스 배출량에 대한 규제가 높아지면서 IMO는 온실가스 배출량을 2050년까지 순 배출량 ‘0’을 목표로 하며 온실가스 규제를 강화하고 있다. 또한 조선/해양 분야에서는 추진 효율 향상, 구조 경량화와 같이 운항비 절감이 중요하다. 현재 이와 관련하여 구조 경량화와 고강성을 만족하기 위하여 3D 프린트 복합재료를 이용한 위상 최적화에 대한 연구가 수행되고 있다. 본 연구에서는 3D 프린트 복합재료를 활용하여 선박 구조물인 방향타의 내부에 3가지 위상 형상(육각형, 사각형, 삼각형)을 적용하였다. 방향타에 위상 형상을 적용하였을 때 적합한 형상을 알아보기 위해 구조해석을 수행했다. 선속 8 knots의 조건에서 타 각 0°에서 30°까지 10° 간격으로 CFD 해석을 수행하였으며, CFD 해석 결과를 바탕으로 하중조건을 설정하였다. 방향타 내부 위상 형상을 고려한 구조 해석 결과 삼각형, 사각형, 육각형 위상 형상 순으로 우수한 성능을 갖는 것을 확인하였다. 사각형 위상 형상을 가지는 방향타가 삼각형 위상 형상을 가지는 방향타 대비 78.5%의 무게를 가지며 경량화 측면을 고려하였을 때 사각형 위상 형상이 우수하다고 판단된다.

Recently, regulations on greenhouse gas emissions have been strengthened, and the International Maritime Organization (IMO) has been strengthening greenhouse gas regulations with a goal of net 'zero' emissions by 2050. In addition, in the shipbuilding/offshore sector, it is important to reduce operating costs, such as improving propulsion efficiency and lightening structures. In this regard, research is currently being conducted on topology optimization using 3D printed composite materials to satisfy structural lightness and high rigidity. In this study, three topology shapes (hexagonal, square, and triangular) were applied to the interior of a rudder, a ship structure, using 3D printed composite materials. Structural analysis was performed to determine the appropriate shape for the rudder. CFD analysis was performed at 10° intervals from 0° to 30° for each rudder angle under the condition of 8 knots, and the load conditions were set based on the CFD analysis results. As a result of the structural analysis considering the internal topology shape of the rudder, it was confirmed that the triangular, square, and hexagonal topology shapes have excellent performance. The rudder with a square topology shape weighs 78.5% of the rudder with a triangular shape, and the square topology shape is considered to superior in terms of weight reduction.