내수압 환경에서의 잠수함 수신 안테나 구조 건전성 평가 및 개선을 위한 형상 설계 연구

키워드

확장요약문

레이돔과 하우징같이 서로 다른 재료로 구성된 조립 구조물은 수압 하에서 부품 간 접촉을 통해 하중이 분담되므로, 개별 부품만으로는 예측하기 어려운 국부적인 응력 집중이 발생할 수 있다. 이러한 구조물의 수압에 대한 구조 건전성은 수압 시험으로도 검증할 수 있으나, 시험은 시제품 제작 이후에야 수행할 수 있어 설계 초기 단계에 적용하기 어렵고, 설계 변경 시마다 반복하기에도 한계가 있다. 이에 따라 설계 단계에서 구조 취약부를 사전에 파악하고 개선 방안을 검토하기 위한 방법으로 유한요소해석 기반의 구조 건전성 평가 기법이 활용되고 있다.

잠수함 수신 안테나의 구성품인 레이돔과 하우징은 원통형 구조물로서 외압을 받으면 원주방향으로 압축되며, 이때 원주방향 응력인 후프응력이 발생한다. 이 때, 레이돔은 하우징을 감싸는 형태로 조립되어 있어 레이돔에 작용한 수압의 일부가 접촉면을 통해 하우징으로 전달되므로, 하우징에서는 접촉에 의한 후프응력이 추가로 발생한다. 따라서 수압을 받는 원통형 구조물의 설계 시에는 부재 간 하중 분담을 고려한 후프응력 검토가 함께 이루어져야 한다.

본 연구에서는 계면 압력을 매개로 서로 다른 재료의 원통이 접촉한 경우의 응력을 구하는 다층 원통 해석식을 레이돔과 하우징에 적용하였다. 이를 바탕으로 목표응력을 만족하기 위해 변경해야 하는 두께, 반경 등의 형상 값을 이론적으로 계산하였다. 이후 유한요소해석을 통해 해석식으로 산정한 형상 변경이 하우징의 후프응력 저감에 미치는 영향을 검증하였다.