기존의 동합금보다 가볍고 성능이 우수한 CFRP(Composite fiber reinforced plastic) 소재는 자동차나 항공 산업뿐만 아니라 조선 업계에서도 고강도 경량 구조재로서 주목받고 있다. 특히, CFRP 소재를 적용한 유연 프로펠러는 동합금을 주재료로 사용하는 기존의 선박용 프로펠러를 대체하여 상당한 무게 절감이 가능하며, 이로 인한 연비 저감 및 효율 향상 효과가 있다. 또한, 캐비테이션 유기소음 및 침식 성능 향상, 피로 성능 및 진동감쇠 특성 개선 등의 이점을 갖는 것으로 알려져 있다(Mouritz et al., 2001). 기존 선박용 프로펠러는 모든 작동 조건 하에서 변형을 무시할 수 있는 반면, 복합소재를 적용한 유연 프로펠러의 경우 무거운 하중 조건하에서 상대적으로 큰 변형을 가진다. 이러한 날개의 유연성으로 인해 설계자는 프로펠러의 초기 설계단계에서 다양한 하중 조건에 따른 날개의 변형을 고려해야 하며, 이는 프로펠러 성능이 프로펠러의 형상과 직접적으로 관련되어 있기 때문에 매우 중요하다. 또한, 프로펠러 형상의 변화를 고려하여 날개의 변형 이후에 설계 점에서 원하는 하중을 발생시킬 수 있도록 형상을 역설계할 필요가 있다. 이를 위해서는 주변의 유체역학적 힘뿐만 아니라 유연 날개의 변형에 따른 구조 응답해석이 요구된다. 따라서 유체-구조의 상호작용이 고려된 유탄성 해석 기술과 선체 후류에서 작동하는 선박용 프로펠러의 특수한 조건을 고려하여 설계할 수 있는 기본 기술이 필요하며, 이를 고도화하여 최종적으로 복합소재 유연 프로펠러의 최적 설계를 가능하게 하는 기술이 요구된다. 3차원 복합소재 프로펠러에 대한 초기 수치해석 모델은 Lin(1991)에 의해 제안되었다. 복합소재 프로펠러와 동일한 형상의 기존 금속재 프로펠러의 응력을 계산하여 비교하였으며, 이어 Lin and Lin(1996)은 프로펠러의 유탄성 해석법으로 프로펠러의 비선형 형상을 고려한 3-D FEM/VLM(Finite element method/Vortex lattice method) 방법을 제시하고 정상 상태에서 복합소재 프로펠러가 받는 유탄성 거동을 계산하였다. 그 후 해당 연구팀은 복합소재의 적층 방식에 따른 프로펠러의 거동에 대한 해석을 성공적으로 수행한 바 있다(Lin et al., 2005). Chen et al.(2006)은 강체 및 유연 프로펠러의 설계, 수치해석 및 모형시험을 수행하였으며, 모형시험은 NSWCCD(Naval Surface Warfare Center Carderock Division)의 36인치 터널에서 실시되었다. 모형시험 결과, 유연 프로펠러의 성능이 기존 프로펠러 대비 효율 및 캐비테이션 관점에서 우수함을 보였다. 또한 Young(2008)은 불균일 유동장 내에서 미소 탄성 변형을 갖는 복합소재 프로펠러의 유체-구조 연성해석을 위한 BEM(Boundary element method)-FEM 접근법을 제시하고 이를 통해 발생할 공동 형상과 프로펠러의 성능 및 응력 분포를 예측하였다. 이어 적층 모델을 적용하여 대변형을 갖는 복합소재 프로펠러의 유탄성 해석을 수행하고, 이를 NSWCCD에서 수행한 실험과의 비교를 통해 검증하였다. 그 후 최근까지 이방성 소재의 적용에 따른 굽힘-비틀림 연동 효과와 하중에 따른 자체 변형 효과가 있는 복합소재 프로펠러의 비정상 성능해석 및 최적 설계 기법 개발(Motley et al., 2009; Motley and Young, 2011; Motely et al., 2013)을 수행해오고 있다. Hong et al.(2012)은 복합소재 프로펠러의 구조적 감쇠 효과를 예측하는 수치해석법을 제안하였고, 이어 3차원 FEM-CFD(Computational Fluid Dynamics) 연성 해석 기법을 사용하여 다양한 복합소재 프로펠러의 유탄성 해석을 수행하였다(Hong et al., 2017). Lee et al.(2017)은 BEM-FEM 연성 해석 기법을 이용하여 적층 모델을 고려한 복합소재 프로펠러의 정상 및 비정상 성능해석을 수행하였다.

본 연구팀은 복합소재 유연 프로펠러의 유탄성 성능 해석을 위해 VLM을 기반으로 하는 프로펠러 유동해석 프로그램인 KPA4와 프로펠러의 구조해석을 위해 Nho et al.(2004)이 개발한 프로펠러 강도 해석 프로그램인 ProSTEC을 이용하여, 이전 연구를 통해 두 해석 프로그램의 인터페이스를 구축하고 유연 프로펠러의 역설계 기법을 제시한 바 있다(Jang et al., 2012). 이후 불균일 반류장에서 작동하는 유연 프로펠러의 비정상 성능해석을 수행하여 프로펠러의 변형을 예측하고, 진동과 침식을 피하기 위한 동적 거동에 대한 수치 해석을 수행하였다(Kim et al., 2018). 그러나 이전 연구 단계에서는 프로펠러 날개를 등방성 소재에 국한하여 해석을 수행하였기 때문에 복합소재의 특성과 적층에 따른 프로펠러의 동적 거동을 예측하기에는 어려움이 있다. 결과적으로 복합소재 프로펠러의 정확한 동적 거동 해석을 위해서는 직교이방성(Orthotropic) 혹은 보다 일반적인 이방성(Anisotropic) 소재의 적용이 필요하며, 또한 적층된 재료의 특성을 정확하게 반영해야 한다. 이를 위해 기존의 등방성 소재에 국한했던 구조해석 방법을 적층 복합소재의 적용이 가능한 구조해석 방법으로 전환하고, 복합소재 및 적층 방식에 따라 균일 유동장 내에서 작동하는 복합소재 유연 프로펠러의 응력 및 변형량을 예측하고자 하였다.

복합소재 프로펠러의 유체-구조 연성해석을 수행하기 위해 개발된 프로그램인 ProFem의 해석 절차를 Fig. 10에 도식적으로 나타내었다. 본 단계에서는 적층 복합소재 프로펠러의 유체-구조 연성해석 방법의 정립을 목표로 1-way coupling method로 계산을 수행하였다.

새롭게 정립한 수치해석법의 검증을 위하여 이전 연구단계에서 계산된 등방성 시험 모델인 KP534 프로펠러가 동일한 계산 조건인 비정상상태 불균일 유동장 내에서 작동할 때의 응력 및 변형량을 계산하여 비교하였다(Kim et al., 2018). KP534 프로펠러는 프로펠러 날개 수 Z=6, 프로펠러 직경 D=1.0m, 허브비 h/D=0.18으로 등방성 재질(NAB, Nickel-Aluminum-Bronze)로 제작된 KP534의 물성치는 다음 Table 2와 같다.

KP534 프로펠러의 자세한 형상 정보를 아래 Table 3에 나타내었다. 여기서, r은 프로펠러 중심에서 반경 방향 거리, R은 프로펠러 반경, P는 피치, X_G는 레이크, θ_m는 스큐, c는 코드, f₀는 최대 캠버, t₀는 최대 두께를 나타낸다. Fig. 11은 유체해석법에 사용된 이산화된 프로펠러 날개와 후류면을 보여준다. 프로펠러가 각속도 w로 회전하고 이산회된 시간 간격이 ∆t일 때 피치각을 갖는 후류면은 운동학적 및 동적 경계조건을 만족하며 w∆t의 간격으로 날개 끝에서 발생한다. 본 해석에서 프로펠러 날개는 코드 방향으로 21개, 스팬방향으로 25개의 등간격 격자로 이루어져 있으며, 피치각을 갖는 후류면은 스팬방향으로 25개, 회전방향으로 총 122개의 격자로 구성되었다.

Fig. 12와 13은 구조 해석 모듈로 ProSTEC을 사용한 결과와 OOFEM을 적용하여 새롭게 계산한 결과를 비교하였다. 여기서 ProSTEC은 이전 연구 단계에서 등방성 소재에 대한 구조해석을 위해 사용한 구조 해석 모듈이다(Jang et al., 2012; Kim et al., 2018). 해당 계산 조건은 프로펠러의 운항 조건이 회전수 585rpm, 전진비 J=0.8인 경우 특정 비정상 반류 조건하에서 수행된 계산으로, 등가 응력과 변형량이 최대값을 갖는 회전 각도 6°의 결과를 비교하였다. 흡입면에 작용하는 등가 응력과 변형량의 분포를 살펴본 결과, 두 해석 방법을 사용한 계산 결과가 잘 일치함을 확인할 수 있다. 기존 등방성 소재에 대해 정립한 수치해석법에서는 프로펠러의 두께 방향으로 하나의 요소를 사용하여 계산하였기 때문에, 적층 모델링을 포함하는 수정된 수치해석법에서는 적층 판의 각도 및 개수에 대한 검증이 요구된다. Fig. 14는 적층각이 대칭형일 경우에 기준이 되는 중심선(Mid-surface)과 적층각 θ의 기준선 및 방향을 나타내었다. 중심선은 각 반경별 날개 단면의 앞날과 뒷날을 잇는 캠버선(Camber line)으로 정의할 수 있으며, 적층각의 기준선은 날개 단면의 중점을 반경 방향으로 이은 선으로 이때, 적층각은 반시계 방향을 양(+)의 값으로 한다.

적층 판의 개수에 따른 프로펠러의 응력 및 변형량의 차이를 살펴보기 위하여 시험 모델인 KP534 프로펠러가 J=0.6인(n=585.5) 조건으로 균일 유동장 내에서 작동할 때, 해석을 위해 사용된 직교이방성 CFRP 복합소재(Hexcel IM7-8552)의 물성치는 다음과 Table 4와 같다(Camanho and Lambert, 2006).

이때 복합소재 프로펠러의 두께 방향 요소의 개수, 즉 적층판의 개수를 1~4개까지 증가시키며 프로펠러에 작용하는 등가응력 분포(Fig. 15)와 변형량(Fig. 16)을 살펴보았다.

여기서, 적층 판은 각각 5개의 층으로 이루어져 있으며, 적층 각도는 90°로 일정하다. 계산 결과 적층 판의 개수가 1개인 경우를 제외하고 그 결과 값이 크게 다르지 않음을 확인하였다. 또한, 물성치 변화에 따른 프로펠러의 응력 및 변형량의 차이를 살펴보기 위하여 KP534 프로펠러가 동일한 계산 조건에서 앞선 등방성 소재(NAB)와 직교이방성 CFRP 복합소재(Hexcel IM7-8552, no. of Ply=4, no. of Layer=5, θ=90°)로 이루어진 경우 그 해석 결과를 비교하였다. Fig. 17은 각각 등방성과 직교이방성 소재의 프로펠러 날개의 흡입면과 압력면에 작용하는 등가응력(von Mises stress)의 분포를 나타내며, Fig. 18은 두 가지 프로펠러 끝단의 변형 전(회색)과 변형 후(붉은색)의 형상을 비교한 결과이다. 등가 응력 분포는 크게 차이를 보이지 않고 있지만, 물성치의 변화만으로도 복합소재 프로펠러의 변형량이 크게 차이를 보임을 확인할 수 있다. 또한, 앞서 언급하였듯이 0°, 90°, +45°, -45°의 조합으로 적층을 할 경우, Fig. 19와 Fig. 20에서 나타난 등가응력과 변형량 분포를 통해 확인할 수 있듯이, 복합소재 프로펠러의 거동이 등방성 소재와 유사함을 알 수 있다.

본 연구에서는 등방성 소재를 갖는 유연 프로펠러 성능 해석에 국한하여 개발되었던 유체-구조 연성해석 프로그램을 적층 복합소재를 갖는 유연 프로펠러의 성능이 가능하도록 기존의 구조해석 방법으로 전환하였다. 수치해석법의 검증을 위하여 단순지지 적층판의 해석해와 수치해석 결과를 비교하였고, 특정 프로펠러에 대한 수치해석을 수행하여 복합소재의 물성치 및 적층 방식이 균일 유동장 내에서 작동하는 복합소재 유연 프로펠러의 응력 및 변형량에 미치는 영향을 평가하였다. 앞선 계산 결과들로 미루어보아, 복합소재는 적층 기법에 따라 등방성 소재와 동일한 구조 강도를 가지면서도 무게가 현저히 절감된 프로펠러의 설계를 가능하게 한다. 또한, 구조 강도를 유지 하면서도 특정 운항 조건에서 프로펠러의 효율이 높아지는 방향으로 변형을 발생시키는 최적 적층 설계 기법과 실질적인 제작을 위한 가공 기법들의 연구가 병행된다면, 복합소재 프로펠러는 차세대 선박용 프로펠러로서 충분히 연구할 가치가 있다고 판단된다.