In this study, we propose a prismatic pressure vessel with internal lattice structure capable of storing high pressure and high-volume fluids with high volumetric efficiency. And structural reliability of the proposed pressure tank is determined using the structural reliability method, which is a stochastic analysis method. A prismatic pressure vessel has a rectangular cross section, unlike generally used cylinder or sphere pressure vessels, and have an internal lattice structure that can withstand the load. First, to verify the technical feasibility of the proposed prismatic pressure vessel with internal lattice structure, the prototype tank was designed, fabricated and hydrostatic pressure test according to ASME code. The design was conducted by DBA (design by analysis) method, and the linear elastic and nonlinear inelastic behaviors were investigated based on the materials. Hydrostatic pressure tests measured the amount of deformation in the prototype tank using a strain gauge and compared it with the FEM analysis. Through this experiment, it was confirmed that the prismatic pressure vessel with internal lattice structure can store fluid at high pressure and high volumetric efficiency, and can be technically manufactured. Second, based on the technical feasibility of prototype tanks, the possibility of tank enlargement and the use of fuel tanks in LNG propulsion vessels was analyzed. Through the analysis of ASME, IGC and IGF codes, a prismatic pressure vessel with internal lattice structure was designed according to the novel shape pressure vessel design procedure. A case study was conducted on LNG-fueled tankers. Design feasibility analysis was performed through strength analysis at design pressure and hydrostatic test pressure, and ultimate load, dynamic acceleration analysis, buckling and thermal deformation, and fatigue analysis were also performed. These analyzes confirmed the possibility of large-scale prismatic pressure vessel with internal lattice structure and the storage of high-pressure LNG in LNG-fueled vessels. Lastly, for more reliable design and analysis, we propose a time-dependent structural reliability analysis method that can be used in a prismatic pressure vessel with internal lattice structure. In the past, the design and analysis for pressure vessel were carried out using a deterministic method, and safety was checked using the safety factor, which is the ratio of the allowable stress of the material to the stress of the structure. However, the safety factor did not give information on the effect of each design variable on the safety, and when one variable with uncertainty was used as a representative value, the maximum load was overlooked. As a result, many structural reliability techniques have been used, in which design variables are used as random variables and structures are represented as limit state functions composed of random variables. In this study, the time-dependent method of structural reliability was used as an evaluation technique in the design of a prismatic pressure vessel with internal lattice structure.
본 연구에서는 고압, 대용량의 유체를 부피 효율이 높게 저장 가능한 내부 격자 구조를 가진 각형 압력 탱크 설계를 제안하고 이에 대한 확률론적 해석 방법인 구조 신뢰성 기법을 이용하여 제안된 압력 탱크에 대한 구조신뢰도를 결정한다. 내부 격자를 가진 각형 압력 탱크는 일반적으로 많이 사용하는 실린더 혹은 구의 형상 압력탱크와는 다르게 사각의 단면을 가졌으며, 내부에 있는 판을 이용하여 하중을 견딜 수 있는 구조를 가졌다. 첫번째로는 제안된 내부 격자를 가진 각형 압력 탱크의 기술적 가능성을 검증하고자 ASME 코드에 따라 내부 격자 구조를 가진 각형 압력 탱크의 프로토 타입 탱크를 설계, 제작, 그리고 정수압 실험을 진행하였다. DBA(design by analysis) 방법에 의하여 설계를 진행하였으며, 일반적으로 사용되는 재료를 기반으로 선형 탄성과 비선형 비탄성 거동을 보고자 하였다. 정수압 실험은 스트레인 게이지(strain gauge)를 이용하여 프로토 타입 탱크에서의 변형량을 측정하였으며, 이를 FEM 해석과 비교하였다. 이 실험을 통하여 내부 격자를 가진 각형 압력 탱크가 고압 및 부피 효율 높게 저장 가능하며, 기술적으로 제작 가능한 것을 확인할 수 있었다. 두번째로는 프로토 타입 탱크의 기술적 가능성을 바탕으로 대형화 및 LNG 추진 선박에서의 사용에 대하여 분석을 실시하였다. ASME, IGC 및 IGF 코드 분석을 통하여, 새로운 형상의 압력 탱크 설계 절차에 따라 내부 격자 구조를 가진 각형 압력 탱크를 설계하였다. LNG 추진 유조선에 대하여 사례연구를 진행하였다. 설계 압력 및 정수압 테스트 압력에 대한 강도 분석을 통하여 설계 가능성 분석을 시행하였으며, 추가적으로 극한 하중, 동적 가속도 분석, 좌굴 및 열 변형, 피로 분석을 시행하였다. 이 분석들을 통하여 내부 격자를 가진 각형 압력 탱크의 대형화 가능성과 LNG 추진 선박에서의 고압 LNG 저장이 가능한 것을 확인할 수 있었다. 마지막으로 보다 신뢰성 있는 설계 및 분석을 위하여 내부 격자 구조를 가진 각형 압력 탱크에서 사용 가능한 시간 의존적 구조 신뢰성 해석 기법을 추가하여 제안하였다. 기존에는 확정론적(deterministic)인 방법을 활용하여 설계 및 해석을 진행하였으며, 재료의 허용 응력과 구조물의 응력의 비인 안전 계수를 사용하여 안전성 여부를 확인하였다. 하지만 안전 계수는 각각의 설계 변수들이 안전도에 미치는 영향에 대한 정보를 주지 못하였으며, 불확실성이 있는 변수를 하나의 대표 값으로 사용할 경우 최대 하중 등 간과되는 경우가 발생을 하였다. 이에 따라 설계 변수들을 확률변수로 두고 구조물을 확률변수들로 구성이 된 한계상태방정식(limit state function)으로 표현하는 구조 신뢰성 기법이 많이 사용이 되었다. 이번 연구에서는 구조 신뢰성 기법 중 시간 의존적(time-dependent) 기법을 사용하여 내부 격자 구조를 가진 각형 압력 탱크 설계에 평가기법으로 반영하였다.