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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.18 No.5 pp.53-59
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2019.18.5.053

Evaluation on the Structural Integrity and Fatigue Life of a Continuous Ship Unloader for Harbor Use

Jung-Joo Kim*, Jong-Rae Cho*#
*Department of Mechanical Engineering, Korea Maritime and Ocean UNIV.
Corresponding Author : cjr@kmou.ac.kr Tel: +82-51-410-4972, Fax: +82-51-405-4790
08/03/2019 16/03/2019 23/03/2019

Abstract


Continuous ship unloaders (CSUs) are used for the uninterrupted transport of material in processing industries, power plants, and harbors in accordance with the stream rate of the material. This study analyzed the structural integrity and fatigue life of a CSU structure using finite element structural analysis in ANSYS APDL software. The stress varied greatly depending on the luffing angle and the slew angle of the boom conveyor. The structural integrity of the CSU girder was evaluated by applying ASME BPVC Section VIII Division 2. The fatigue cycle at the angle with the greatest stress difference was calculated. The fatigue cycle was calculated by applying the JIS B 8821:2013 fatigue curve. It was confirmed that the fatigue cycle of the CSU satisfies the allowable fatigue of 200,000 cycles.



항만용 연속하역기 거더의 구조 강도와 피로 수명 평가

김 정주*, 조 종래*#
*한국해양대학교 기계공학과

초록


    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    기술발전과 더불어 컴퓨터의 성능향상과 고성능 의 유한요소 해석 프로그램이 개발되어져 구조물의 안정성여부의 판단이 용이해졌다.[1]

    연속하역기(Continuous Ship Unloader)는 대규모적 인 원료를 수입하는 항만에서 석탄이나 철광석 등 대량의 원재료를 육지로 운송하기 위한 항만에 설 치되는 기계장치이다[2]. 연속하역기는 기존의 그래 브 바켓 하역기(grab bucket unloaders)의 대안으로 높은 효율, 적은 노동비용, 에너지 절약, 원활한 작 동, 적은 소음 및 먼지가 특징이다[3].

    연속하역기는 3차원으로 선적 및 양화(unloading) 가 가능하기 때문에 구조가 복잡하다[4]. Fig. 1은 항 만에 설치 되어있는 연속 하역기 이다. 항만용 크 레인 CSU 포탈 거더의 안정성 평가에 관한 연구가 이루어지고 있다[1,2]

    연속하역기는 구조적으로 크게 두 부분으로 나누 어져 있다. 상하운동과 회전운동을 할 수 있는 상 단부분과 병진 운동을 할 수 있는 하단 부분으로 나누어져있다.

    본 연구에서는 연속 하역기의 하단부분인 거더 (Girder) 부분에 대한 안전성 평가를 진행하였다.

    연속하역기는 붐 컨베이어(Boom Conveyor)의 다 양한 각도의 회전(Slewing) 각과 인입 회전(Luffing) 각의 운전에 따른 부하변동이 심하며, 운전 중 거 더 부위에는 인장, 압축 및 모멘트가 복합적으로 발생한다.[2] 상단 부분의 각도의 회전 각도와 수평 이동 각도에 따라 발생하는 힘과 모멘트로 환산하 여 거더의 회전 베어링에 적용 해석 하였다. 연속 하역기는 다양한 운동으로 인하여 거더 부위에 피 로가 발생할 것으로 예상되어 피로수명평가를 수행 하였다.

    2. 유한요소 모델

    상용 프로그램인 ANSYS APDL를 활용하여 구조 해석을 진행하였다. Fig. 2은 ANSYS APDL의 모델 링 기능을 활용하여 모델링한 것이다.

    쉘(Shell) 기능을 활용하여 모델링 하였으며, Fig. 3은 쉘 요소망(Mesh)을 생성한 FE(Finite Element) 모델이다. 환봉(Round Bar)은 빔(Beam) 요소로 구성 하였고 그 이외는 쉘 요소로 구성하였다. 실제 구 조물에는 용접부가 존재한다. 용접부의 경우 정확 한 형상과 물성치를 얻기 힘들다. 그러므로 용접부 는 생략하고 구조물끼리 완전히 접착된 것으로 가 정하고 모델링을 하였다.

    요소의 크기는 가장 폭이 좁은 철판의 요소가 폭 방향으로 5개 이상 생성될 수 있는 크기로 구성하 였습니다. 길이가 약 10 mm 정도 크기의 요소이다. 10 mm 크기의 요소가 가장 응력해석결과 값의 수 렴성과 해석 시간을 고려했을 때 합리적인 크기로 판단되었다.요소 334,398개 절점 331,735개로 구성 되었다. 하중 조건은 사용 환경에 따라 붐 컨베이 어의 회전 각도와 인입회전 각도에 따라서 거더에 적용되는 하중은 다양하다.

    Fig. 4에 하중을 적용할 위치와 x, y, z의 구속 조 건이 표시 되어있다. 붐 컨베이어에서 발생하는 하 중이 회전 베어링을 통하여 거더에 전달된다. 그래 서 회전 베어링이 설치되는 부분의 중심에 Pilot Node를 생성 하고 하중과 모멘트를 적용하기에 효 율적인 RBE3 기능을 활용하여 각 방향 하중과 각 방향 모멘트를 적용하였다. 구속 조건은 거더 하부 쪽으로는 레일을 따라 이동할 수 있는 지지대 (Supprot) 가 조립된다. 지지대와 조립 되는 부분에 서 거더의 자유물체도에서 x, y, z 방향에서 변위가 없으며 이를 구속 조건으로 적용하였습니다.

    거더는 JIS 규격의 용접구조용강재인 SM490YB 으로 구성되어있다. Table 1은 SM490YB의 물성 수 치와 허용응력 값이다. 허용응력은 인장응력(ST)의 2.4를 나눈 값을 허용응력으로 하였다. 연속하역기 의 거더는 SM490YB 하나의 재료를 용접하여 구성 되어 있다.

    3. 구조 해석

    3.1 하중 조건

    하중 조건은 사하중(Dead Load), 컨베이어 상 재료 하중(Material load on conveyor), 외피(Incrustation), 정상 굴삭 과 횡 방향 저항 (Normal digging and lateral resistances), 컨베이어에 작용하는 힘(Force on the conveyor), 계속적 동적 효과(Permanent dynamic effects), 작용하는 동안의 풍하중(Wind Load during operation) 등이 고려되었다. x, y, z 방향의 하중 (Load)과 모멘트이 각도 별로 계산되었다.

    선박의 높이, 하역물의 종류와 높이 등 하역 환 경에 따라 붐 컨베이어의 회전각 과 입입 회전각이 이어의 회전각과 인입 회전각을 고려하여 하중을 다양하게 발생할 수 있다. 그래서 다양한 붐 컨베 설정하였다. Table 2는 해석에 적용된 붐 컨베이어 각도에 따른 x, y, z 방향의 하중이다. Table 3는 해 석에 적용된 붐 컨베이어 각도에 따른 x, y, z 방 의 모멘트이다. 각도에 따라 하중 케이스(Load Case)로 정의 하였다.

    3.2 구조 해석 결과

    Table 4는 구조해석 결과를 등가 응력(Von Mises Stress)으로 나타낸 것이다. 거더의 구조 건전성 평 가는 ASME BPVC Sec. VII Division 2를 준용하여 평가하였다. 막응력(Principal Membrane Stress, Pm) 과 굽힘응력(Principal Bending Stress, Pb)을 평가를 하였다. 막응력과 굽힘응력의 허용 기준은 1.5S 이 하의 값을 가져야 한다. 1.5S는 306 MPa 이다.

    해석 결과 모든 Laod Case에서 허용 기준을 넘지 않는 것을 확인 할 수 있다. Load case LC-1에서 가 장 높은 피크 스트레스가 나타났으며, LC-7에서 가 장 낮은 피크 스트레스가 나타났다. 붐 컨베이어의 회전 각도에 따라 높이 방향으로 발생하는 하중이 낮아짐에 따라 거더에서 발생하는 모멘트가 적게 발생하였으며, 회전각도에 따라 발생한 모멘트가 하중으로 인해 발생하는 응력 값을 상쇄하여 LC-7 에서 낮은 응력이 발생하였다.

    Fig. 5는 LC-1의 막 응력과 굽힘 응력의 결과를 나타낸 것이다. Fig. 6는 LC-7의 막 응력과 굽힘 응 력 결과를 나타낸 것이다. 서로 다른 연결부 (Junction part)에 최고 응력 값이 나타났다.

    Table 4에서 피크 스트레스는 인장응력보다 높은 값은 보인다. 일반적으로 정적파손(Static failure)에 서는 국부적인 피크 응력을 평가하지 않는다. 선형 탄성해석에서 수치적으로 국부적인 피크 응력이 인 장 강도를 초과하는 것은 허용된다.

    Fig. 7은 LC-1의 피크를 포함하는 전체 등가 응 력의 분포이다. 보강재에 국부적으로 600 MPa 가장 높은 응력 값을 보였다. Fig. 8은 LC-7의 피크를 포 함하는 전체 등가 응력의 분포이다. 보강재에서 국 부적으로 266 MPa로 높은 값을 보였다.

    연속하역기는 계속적으로 각도를 변경하면서 운 전을 하기 때문에 운전 각도에 따른 피로 수명 평 가가 필요하다.

    4. 피로 수명평가

    국부적으로 높게 발생한 응력에 대하여 피로 수 명 평가를 진행하였다. LC-1 하중에서의 응력이 가장 높은 부분을 Part "a"로 정의 하고 LC-7 하중 에서 가장 높은 응력이 나타난 부위를 Part "b"로 정의 하였다. Fig. 9 Part "a"와 Part "b"를 나타내 었다.

    Fig. 10 (a)는 Part "a"의 LC-1 하중의 응력 분포 이다.

    최고 응력은 600 MPa 이다. Fig.10 (b)는 Part "a"의 LC-7 하중의 응력 분포이다. 최고응력은 171 MPa이다. LC-1과 LC-7의 Part "a" 교번 응력은 167 MPa 이다. Fig. 11 (a)는 Part "b"의 LC-1 하중의 응력 분포이다. 최고 응력은 50.1 MPa 이다. Fig. 11 (b)는 Part "b"의 LC-7 하중의 응력 분포이다. 최 고 응력은 266 MPa 이다. LC-1과 LC-7의 Part "b" 교번 응력은 108 MPa 이다.

    JIS B 8821:2013에 따라 피로수명평가를 하였다. JIS B 8821:2013는 크레인의 철강구조 계산 표준 (Calculation standards for steel structures of cranes)이 다. CSU에 사용된 재료 또한 JIS 규격의 SM4 90YB이다. Fig 12의 (1)은 분류 번호(Classification no.) 321의 형상이다. Fig 12의 (2)는 해석에 사용된 Part "a"의 유한요소 모델이다. Part "b"의 형상은 Part "a"와 동일하다. Part "a" 와 Part "b"의 구조와 용접 방법 등을 고려했을 때 분류 번호 (Classification no.) 321에 해당되는 것으로 판단하였 으며 강도등급(Strength Grade)은 100으로 판단하였 다. Fig. 12은 JIS B8821의 강도 등급에 따른 직접 응력의 피로 강도 곡선이다. Part "a"와 Part "b"의 교번응력을 강도등급 100에 해당되는 피로 강도 곡 선을 적용하였다. 목표 수명은 200,000 Cycles 이다. Fig. 13

    JIS B 8821:2013의 기본 허용 스트레스 범위 값 (Basic allowable stress range)인 200,000 Cycles를 목 표 수명으로 설정하였다.

    Table 7은 교번응력을 피로 강도 곡선에 적용하 여수명을 구한 결과이다. Part "a"의 수명은 429,418 Cycles 이다. Part "b"의 수명은 1,587,664 Cycles 이 다. Part "a"와 Part "b" 모두 목표 수명을 만족하는 것을 확인 하였다.

    4. 결 론

    연속하역기에 대한 각도 별로 구조해석을 진행하 였다. 해석결과 응력이 가장 높은 Operation-1 하중 을 적용한 해석 결과 가장 높은 응력이 보강재에서 600 MPa로 나타났다. 해석결과 응력이 가장 낮은 Operation-2 하중을 적용한 해석 결과 가장은 높은 응력이 보강재에서 266 MPa로 나타났다. 해석결과 피로수명평가가 필요하였다.

    피로수명평가가 필요한 피크응력을 제외하고 막 응력과 굽힘응력을 평가하였다. 그 결과 기준 응력 인 1.5S에 만족함을 확인하였다.

    LC-1 하중과 LC-7 하중의 해석결과를 이용하여 피로 평가를 하였다.

    JIS B 8821:2013의 피로 강도 곡선을 적용하여 피로수명을 평가하였다. 그 결과 Part "a"에서 약 430,000 Cycles, Part "b"에서 약 1,600,000 Cycles의 수명이 평가 되었다. 목표 피로 수명인 200,000 Cycles을 만족하였다.

    Figure

    KSMPE-18-5-53_F1.gif
    Continuos ship unloader[5]
    KSMPE-18-5-53_F2.gif
    Modeling for girder of CSU
    KSMPE-18-5-53_F3.gif
    FE Modeling for girder of CSU
    KSMPE-18-5-53_F4.gif
    Position of pilot node
    KSMPE-18-5-53_F5.gif
    Distribution of membrane stress plus bending stress for LC-1 (Von Mises Stress)
    KSMPE-18-5-53_F6.gif
    Distribution of membrane stress plus bending stress for LC-7 (Von Mises Stress)
    KSMPE-18-5-53_F7.gif
    Distribution of stress for LC-1 (Von Mises Stress)
    KSMPE-18-5-53_F8.gif
    Distribution of stress for LV-7 (Von Mises Stress)
    KSMPE-18-5-53_F9.gif
    Position of part "a" and part "b"
    KSMPE-18-5-53_F10.gif
    Distribution of stress for part "a"
    KSMPE-18-5-53_F11.gif
    Distribution of stress for part "b"
    KSMPE-18-5-53_F12.gif
    Classification for fatigue strength grade of welded joint
    KSMPE-18-5-53_F13.gif
    Fatigue strength curves for direct stress ranges[6]

    Table

    Material properties of SM490YB
    Applied force load according boom angle
    Applied moment according boom angle
    Result of Structural Analysis (Von Mises stress)
    Summary of cycle

    Reference

    1. Nam, G. B., Ku, H. K., Wang, Y. Q., Hahm, C. H., Song, J. I., "Structure Analysis for Portal Girder of 2000ton CSU using Finite Element Method", Proceedings of the KSMPE Conference, 159-160, 2010.
    2. Kim, J. W., Nam, G. B., Byeon, J. M., Ku, H. K., Song, J. I., "Stability Analysis on Continuous Ship Unloader Crane for Harbor", Proceedings of the KSMPE Conference, 68-69, 2011.
    3. Kobayashi, T., The Mitsubishi Continuous Ship Unloader, Bulk Solids Handling, pp.529, 1985.
    4. Ferretti, C., Bruzzone, L., Proc. of The International Workshop on Harbour, Maritime & Industrial Logistics Modelling and Simulation, Merkuriev & Mosca Eds., pp. 278-283, 1999.
    5. Doosan Heavy Industries & Construction, Material Handling Equipment, Doosan Heavy Industries & Construction, pp. 14
    6. Japanese Industrial Standard, JIS B 8821:2013 Calculation standards for steel structures of cranes, Japanese Industrial Standard, pp. 22-32, 2013.