Design Criteria of Collision & Grounding in Small FRP LNG Fueled Ship using FSI Analysis Technique

Abstract

As IMO has been in place to regulate and strengthen the emission of SOx, NOx, CO2 and EEDI in recent years, interest in LNG fueled ship is on the rise. Since the standards for small LNG fueled ship based on IGF Code can be applied to the ships weighing more than 500 tons, its regulations of small LNG fueled ship are necessary to be established for the design criteria of the collision and ground accidents. In this study, realistic and exact full-scale small FRP LNG fueled ship collision and grounding simulations were carried out to make sure of reasonable design criteria of collision and grounding for the LNG tank location in small FRP LNG fueled ship, verifying fracture criterion of FRP plate compared with weight drop impact test results and its fracture simulations, and using highly advanced Modeling & Simulation (M&S) system with Fluid-Structure Interaction (FSI) analysis technique considering several interface effects of ship in the sea water. Fracture failure response analysis technique and fracture criterion of FRP plate was verified using laminated shell theory and MAT_ENHANCED_ COMPOSITE_DAMAGE composite material of LS-DYNA code with composite single plate, not by composite solid one due to huge computational time in full-scale ship simulations. It could be confirmed that fracture failure response behaviors were relatively well realized to the weight drop impact test ones. Full-scale small FRP LNG fueled ship and water surface cleaner were modeled exactly by investigating its hull form, general arrangement and stability calculation, by calculating its structural members according to FRP structural criterion, and by comparing its hydrostatic characteristics using floating simulation and hydrostatic characteristic program calculation with stability calculation. Full-scale ship models were accurately floated and steady sailing ship propulsion force was also adopted for the reasonable full-scale ship collision and grounding simulations. It could be confirmed that the collision behaviors between two ships and the grounding ones against a rock were well realized in the sea water by buoyancy, unlike those in the air. There occurred a large amount of fracture damage on the hull and stiffeners in the side of fuel tank room in the case of attack angle 70°, and in the side-bottom of fuel tank room in both cases of a rock position along the centerline and 1.0m off the centerline of the hull. However, there was no direct impact damage to the fuel tank in both collision and grounding accidents. A gap between the colliding ship bow and fuel tank in the case of collision and that between the rock and fuel tank in the case of grounding were 0.29m and 0.27m, respectively. From the full-scale ship collision and grounding simulations, Standards of Gas Fueled Ship for Collision and Grounding based on the IGF code applicable to ships weighing more than 500 tons was suggested for small FRP LNG Gas Fueled Ship for Collision and Grounding. Even though this suggestion of standards is not suitable to every small Gas Fueled Ship in the world, it could be thought to be the cornerstone, and more diverse full-scale ship simulations will be necessary for the more generalized standards with diverse size and type of small gas fueled ship and fuel tank.|최근 국제해사기구 (IMO)가 황산화물, 질소산화물, 이산화탄소 및 선박제조 연비지수 (EEDI) 등의 확산을 규제하고 강화함에 따라 LNG 연료추진선의 관심이 증가하고 있다. IGF 코드에 기준을 둔 소형 LNG 연료추진선의 규정은 500톤 이상의 선박에 적용할 수 있으므로 소형 LNG 연료추진선의 충돌 및 좌초에 규정을 확립할 필요가 있다. 본 연구에서는 소형 FRP LNG 연료추진선의 충돌 및 좌초에 대한 LNG 탱크 위치의 적합한 설계기준을 정립하기 위하여 FRP 판의 파단 시뮬레이션 결과를 중량물 낙하실험 결과와의 비교를 통하여 FRP 판의 파단기준을 정립하고, 해수에서의 여러 가지 간섭효과 등을 고려하여 유체-구조 연성 (Fluid- Structure Interaction, FSI) 해석기법을 적용한 고도 정밀 Modeling & Simulation (M&S) 시스템을 적용하여 현실적이고 정확한 실선 충돌 및 좌초 시뮬레이션을 수행하였다. FRP 판의 파손 응답해석 기법과 파단기준은 실선 시뮬레이션 수행 시 입체 요소의 사용으로 인한 막대한 계산 시간의 문제로 인하여 LS-DYNA 코드의 적층 판 이론과 MAT_ENHANCED_COMPOSITE_DAMAGE 복합재 물성치 모델을 사용하여 검증하였으며, 중량물 낙하실험 결과와의 검증을 통하여 파단 응답 거동을 대체로 잘 구현할 수 있었다. 소형 FRP LNG 연료추진선과 방제선은 선도, 일반배치도 및 복원성 계산서를 통하여 전반적인 선형과 구조배치를 파악하였고, FRP 구조 기준에 따라 구조부재를 계산하고, 부양 시뮬레이션과 유체정역학적 특성치 프로그램 계산을 수행하여 유체정역학적 특성치를 복원성 계산서의 결과와 비교를 통하여 전선 모델링을 정확히 구현하였다. 그 이외에 합리적인 실선 충돌 및 좌초 시뮬레이션을 수행하기 위하여 실선 모델들을 정확히 부양시켰고 정상적인 추진력을 적용시켰으며, 해수에서의 두 선박의 충돌 및 암초와의 좌초로 인한 거동이 공기 중에서와는 달리 부력에 의해 실제와 같이 잘 구현되었을 확인할 수 있었다. 충돌각도 70°로 충돌하는 경우에는 연료탱크실의 선측의 선각과 보강재에, 암초가 선체의 중심선과 중심선에서 1.0m 벗어난 위치에서 좌초하는 경우 모두에서 선측-바닥의 선각과 보강재에 다소 큰 파단손상이 발생하였지만 연료탱크에는 직접적인 충격손상은 발생하지 않았다. 충돌 시 충돌선 선수부와 좌초 시 암초와 연료탱크와의 간격이 각각 0.29m와 0.27m로 발생한 실선 충돌 및 좌초 시뮬레이션 결과를 바탕으로 500톤 이상의 선박에 적용되는 IGF 코드에 기초한 가스 연료추진선의 충돌 및 좌초에 대한 규정을 소형 FRP LNG 연료추진선에 대하여 제안하였다. 본 연구에서 제안한 규정은 전세계의 모든 소형 가스추진선에 적용하기에는 다소 부족하지만 하나의 초석이 될 것으로 사료된다. 앞으로 다양한 크기와 형상의 가스추진선과 연료탱크에 대한 실선 시뮬레이션을 통하여 보다 객관적인 규정을 제안하는 것이 필요할 것이다.