Recently, the usage of containers in marine transportation is rapidly increasing. The problem of ship stability is important because of its direct influence to the loss of the human-life, ship, and merchandise. However, the assessment for ship stability during container loading/unloading in port is ...
Recently, the usage of containers in marine transportation is rapidly increasing. The problem of ship stability is important because of its direct influence to the loss of the human-life, ship, and merchandise. However, the assessment for ship stability during container loading/unloading in port is dependent on human experience only. On the other hand, the emerging information and communication technologies of shipbuilding industrial environments are rapidly changing. To respond to the situation, a new paradigm has been matured with new concepts such as the concrete method. Especially, all the efforts are shown to be concentrated to realize the concept of Simulation Based Design(SBD) based on three dimensional Computer Aided Design(CAD) model. In this paper, ship model-based simulation methodology for design and operation of ship is suggested, and for the verification of suggested methodology, the system for stability assessment of ship during container loading/unloading was developed using ENVISION, a general-purpose simulation system. The developed system consists of geometric modeling subsystem, basic calculation subsystem, and Computer Aided Engineering(CAE) subsystem. In addition, interface to CAE/CAD /simulation system such as SIKOB and ENVISION is provided.
Recently, the usage of containers in marine transportation is rapidly increasing. The problem of ship stability is important because of its direct influence to the loss of the human-life, ship, and merchandise. However, the assessment for ship stability during container loading/unloading in port is dependent on human experience only. On the other hand, the emerging information and communication technologies of shipbuilding industrial environments are rapidly changing. To respond to the situation, a new paradigm has been matured with new concepts such as the concrete method. Especially, all the efforts are shown to be concentrated to realize the concept of Simulation Based Design(SBD) based on three dimensional Computer Aided Design(CAD) model. In this paper, ship model-based simulation methodology for design and operation of ship is suggested, and for the verification of suggested methodology, the system for stability assessment of ship during container loading/unloading was developed using ENVISION, a general-purpose simulation system. The developed system consists of geometric modeling subsystem, basic calculation subsystem, and Computer Aided Engineering(CAE) subsystem. In addition, interface to CAE/CAD /simulation system such as SIKOB and ENVISION is provided.
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문제 정의
정리하였다. 또한, SBD 기술의 핵심기술인 모델링 및 시뮬레이션(Modeling and Simulation ; M&S)을 이용하여 고속 중소형 컨테이너선의 적·양하 작업에 따른 선박의 안정성 평가와 적·양하 방법과 크레인 수 및 위치결정을 할 수 있도록 개발된 모델 기반의 컨테이너 적·양하 프로토타입 시뮬레이션 시스템의 개발내용을 소개하고자 한다.
본 연구에서는 SBD 개념 및 관련기술을 이용하여 중소형 고속 컨테이너선(300 TEU)의 개발과 관련한 항만에서의 컨테이너 적·양하 시스템 설계 및 안정성 평가를 시도하였다. 이를 위해서 중소형 고속 컨테이너선, 컨테이너선 전용부두, 하역장치 및 컨테이너에 대한 형상모델링을 수행하였다.
이를 위해 본 연구에서는 SBD에 대한 개념과 세부기술들 및 국내외의 기술현황에 대해서 간략하게 소개하였으며, SBD 개념의 실용화를 위해서 해결하여야 할 문제점들을 정리하였다. 또한, SBD 기술의 핵심기술인 모델링 및 시뮬레이션(Modeling and Simulation ; M&S)을 이용하여 고속 중소형 컨테이너선의 적·양하 작업에 따른 선박의 안정성 평가와 적·양하 방법과 크레인 수 및 위치결정을 할 수 있도록 개발된 모델 기반의 컨테이너 적·양하 프로토타입 시뮬레이션 시스템의 개발내용을 소개하고자 한다.
제안 방법
고속 중소형 컨테이너선의 선체외판형상은 컨테이너 적·양하 시뮬레이션을 보다 효율적으로 수행하기 위해서 상용 CAD 시스템을 이용하여 3차원 곡면으로 모델링 하였으며, 구획배치 모델링은 정의하고자 하는 구획을 둘러싸고 있는 경계곡면들을 정의하고 그 다음에 경계곡면들로 이루어진 구획을 정의하는 순서로 진행하였다. 경계곡면은 평면 혹은 선체외판과 같은 자유곡면이 사용되어진다[6].
수행할 수 있는 CAE 프로그램으로는 hydrostatic 계산, 각 구획의 용적계산, 중량분포 자동생성, 컨테이너 적·양하에 따른 선박의 안정성 평가 및 선박과 항구사이의 충돌 검사 등이 있다. 또한 임의의 프레임에서 컨테이너의 적재상태를 알 수 있는 '컨테이너 Bay Plan'을 생성하도록 하였다.
이를 위해서 중소형 고속 컨테이너선, 컨테이너선 전용부두, 하역장치 및 컨테이너에 대한 형상모델링을 수행하였다. 또한 컨테이너 적·양하 시 선박의 안정성을 평가할 수 있는 프로그램을 개발/통합하였다.
먼저, 선형/구획/화물 및 하역장치들을 상용 CAD 시스템을 이용하여 모델링하였으며, 선박의 안정성 평가를 위한 요소 프로그램들을 개발하였다. 컨테이너 적.
본 연구에서는 SBD 기술 및 국내외 현황에 대해서 간략하게 살펴보았으며, SBD 기술을 새로운 개념의 선박인 고속 중소형 컨테이너선의 적·양하 시뮬레이션 프로토타입 시스템 개발에 적용하였다.
본 연구에서는 크레인의 수를 1기부터 3기까지 설치위치를 변경하면서 적.양하 작업에 소요되는 시간을 조사하였다.
본 연구에서도 보다 사용자의 편리성 및 시스템의 개발단계별 기능들을 검증하기 위해서그래픽 사용자 인터페이스를 설겨), 적용하였다. 모델 기반 컨테이너 적.
선박 및 컨테이너 적·양하시 안정성을 평가는 선박설계시 이용되어지는 선박기본계산 프로그램을 응용하여 사용하였으며, 하역 장치 의거동상태 평가는 ENVISION시스템에서 제공하는 계산모듈들을 이용하여 구현하였다[7][8].
그림에서와 같이 크레인이 컨테이너를 집는 순간에, 선택한 컨테이너가 없을 경우 선박의 안정성을 검토하게 된다. 안정성검사 결과는 선박의 GM 값을 이용하여 판정하게 되며, 안정성 값이 주어진 기준치를 만족하지 않으면 그 결과를 화면에 가시화하면서 시스템이 종료되도록 하였다.
양하·적. 양하 방법에 대한 결정과 크레인의 수 및 위치 결정에 대해 평가하였다.
모델 기반 컨테이너 적. 양하 시뮬레이션 시스템에 대한 그래픽 사용자 인터페이스는 상용 시뮬레이션 도구인 ENVISION 시스템에서 제공하는 GSL(Graphic Simulation Language), CLI(Command Line Interpreter) 함수들을 이용하여 구현하고자 한다. 각각의 명령어나 시뮬레이션에 필요한 기능들이 메뉴로 정의되며, 최상위 명령어가 최상위 메뉴가 된다.
컨테이너 적. 양하 시뮬레이션 프로토타입 시스템에서 생성/관리되어 지는 입출력 데이터의 가시화 및 제어를 위한 GUI를 개발하였다. 이렇게 개발된 요소 프로그램과 GUI 및 형상 모델들을 시뮬레이션 시스템인 ENVISION에서 제공하는 시뮬레이션 기법들을 통해서 선박의 안정성, 선박의 거동상태, 하역과정의 가시화 및 크레인의 최적 위치들을 평가하여 보았다.
설치위치를 변경하면서 적.양하 작업에 소요되는 시간을 조사하였다.
양하 시뮬레이션 프로토타입 시스템에서 생성/관리되어 지는 입출력 데이터의 가시화 및 제어를 위한 GUI를 개발하였다. 이렇게 개발된 요소 프로그램과 GUI 및 형상 모델들을 시뮬레이션 시스템인 ENVISION에서 제공하는 시뮬레이션 기법들을 통해서 선박의 안정성, 선박의 거동상태, 하역과정의 가시화 및 크레인의 최적 위치들을 평가하여 보았다.
이를 위해서 중소형 고속 컨테이너선, 컨테이너선 전용부두, 하역장치 및 컨테이너에 대한 형상모델링을 수행하였다. 또한 컨테이너 적·양하 시 선박의 안정성을 평가할 수 있는 프로그램을 개발/통합하였다.
일반적으로 적·양하 작업방법에 관계없이 컨테이너 1개를 적·양하하는데 소요시간은 대략 2분이 소요되기 때문에 크레인의 이송속도는 1m/sec로 하였다. 크레인의 이송방향은 선박의 길이 방향, 폭 방향 및 깊이방향에 평행하도록 설정하였다.
경계곡면은 평면 혹은 선체외판과 같은 자유곡면이 사용되어진다[6]. 화물모델링은 선박에 적재되어지는 컨테이너에 대한 정보를 모델링하는 것으로 적재되는 컨테이너의 개수는 300 TEU이며 모두 갑판(deck) 상부에 적재되도록 모델링하였다.
이론/모형
- 컨테이너 적·양하 시뮬레이션 도중에 교차기법을 이용하여 항만과 선박의 충돌 검사(collision check)를 수행한다.
본 연구에서는 이러한 안정성 문제를 해결하기 위해, 급격히 발전하고 있는 컴퓨터 및 관련 기술을 바탕으로 선박의 설계, 건조 및 테스트에 걸친 전 과정을 혁신적으로 변화시키기 위해 제안하고 추진하고 있는 엔지니어링 개념인 시뮬레이션 기반 설계(Simulation Based Design ; SBD) 기술을 활용하였다.
및 계산을 수행한다. 시뮬레이션 과정에서 CAE(Computer Aided Engineering) 프로그램 수행에 필요한 데이터를 생성하는 방법은 ENVISION 시스템에서 제공하는 GSL(Graphic Simulation Language)함수를 이용하며, CAE 프로그램 수행은 CLKCommand Line Interpreter) 함수를 이용하게 된다. CAE 프로그램 수행으로 생성되는 결과데이터 파일과 입력데이터 파일은 정해진 디렉토리에 보관되어지도록 하였다.
arm) GZ의 값을 사용한다. 임의의 경사에서의 안정성을 평가하는 방법으로 애트우드의 식(Attwood's Formula)을 이용하였다[10]. 먼저, 안정성(Stability ; S)을 계산하는 식은 (1)과 같다.
성능/효과
이것은 크레인들 간의 충돌에 의한 간섭효과를 배제하였기 때문으로 여겨진다. 또한 본 과제에서 개발하는 선박의 경우에는 크레인들 간의 충돌에 의한 간섭 때문에 크레인을 4기 이상은 사용할 수 없음을 알 수 있었다.
후속연구
할 것이다. 또한, 컨테이너 적·양하 시뮬레이션 프로토타입 시스템에는 바람 및 파도와 같은 외부환경에 대한 영향을 고려하지 않고 있지만 추후 확장되는 시스템에는 이 기능을 반영할 계획이다.
본 연구를 통해서 발생된 문제점 및 아직 개발이 미진한 컨테이너 적·양하 방법 평가 및 적·양하 방법에 따른 크레인의 최적 위치평가 등과 같은 부분들은 향후 계속적으로 보완 할 것이다. 또한, 컨테이너 적·양하 시뮬레이션 프로토타입 시스템에는 바람 및 파도와 같은 외부환경에 대한 영향을 고려하지 않고 있지만 추후 확장되는 시스템에는 이 기능을 반영할 계획이다.
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