Comparisons of Empirical Formula and FEM for Fatigue Damage Analysis of 306K Oil Tanker

Abstract

선박 및 해양구조물은 일반적으로 해상의 파도나 환경에 의해 피로하중을 받게된다. 이러한 환경에서 하중 주기는 연간 백만번 이상 반복 되어진다. 피로 하중은 선박 및 해양 구조물의 균열 및 파괴의 원인이 된다. 또한, 모든 구조물들은 크고 복잡해졌고 고강도 스틸이 수십년동안 광벙위하게 사용되어졌다. 따라서 피로 해석은 설계단계에서 더 중요해졌다. 피로 하중에 의한 선박의 손상을 피하기 위하여 각 선급들은 해양 및 해상 구조물의 피로 검증 규칙을 만들었다. 본 논문에서 피로해석을 위해 CSR을 적용하였다. 본 연구의 목적은 경험적 추정 방법과FEM을 이용한 방법을 306K oil tanker에 적용하여 피로 수명을 추정 하는 것이다. 이 두 방법은 피로 하중 누적이 선형적이라고 가정하였다. 경험적 추정 방법은 구조의 모든 종류의 평균 피로 추정을 위한 좋은 근사치이다. 이방법의 장점은 구조물의 피로수명 추정에 많은 시간을 절약할수 있다. 단점으로는 결과로부터 평균 피로 수명을 추정하는것이다. FEM은 경험적 추정 방법에 비해 정확하게 피로수명을 추정하는 직접 계산 방법이다. 이 두 방법 평가 세부 사항은 다음 장에서 설명하였다. 피로수명을 추정할 때 몇가지 요구 사항들의 주의가 필요하다. 첫째, hot spot 위치에서의 올바른 S-N을 선택해야한다. 두번째, 구조물의 응력 범위를 평가할 때 적절한 방법을 선택해야한다. 세번째, 응력 범위에 적용하는 피로 축적 수식을 연구하여야 한다.

Marine and offshore structures are subjected to fatigue loading primarily due to the action of seawater waves and the sea environment in general. The load cycles in such an environment can be in the order of a million cycles per year. The fatigue failures will cause marine and offshore structures to crack or fracture. In addition, the high strength steel was used in marine and offshore structures widely in decades that cause structures larger and complex than before. Therefore, fatigue analysis is more important even necessary in the design stage. In order to avoid ship damage caused by fatigue failures, each of classifications made some fatigue estimation rules for the marine and offshore structures. The CSR (Common Structural Rules) was consulted in this paper for the fatigue analysis. The objective of this paper is to estimate the fatigue life on 306K oil tanker model using two methods that are empirical estimation method and FEM. These two methods based on the assumption that fatigue failures accumulation is a linear phenomenon. The empirical estimation method is a good approximation for the average fatigue estimation of all kinds of structures. The advantage of this method is able to save the computational time to estimate fatigue life. The disadvantage is that this method only has the average fatigue life as the result. The FEM is a direct calculation to estimate precisely the fatigue life in comparison with empirical estimation method. The details in comparison with the two methods have been illustrated in the other chapters. There have some requirements need to attention when estimate the fatigue life: 1) Determine appropriate S-N curve for hot spot position. 2) Determine the method to estimate the stress ranges of structures. 3) Apply the fatigue cumulative damage formula.