[논문]하이브리드 구조설계 시스템을 이용한 선박블록 탑재용 러그구조 고찰

함주혁; 김동진

하이브리드 구조설계 시스템을 이용한 선박블록 탑재용 러그구조 고찰
Consideration of the Lifting Lug Structure using the Hybrid Structural Design System 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.23 no.2 = no.87, 2009년, pp.104 - 109

함주혁 (한라대학교 컴퓨터응용설계학과) , 김동진 (한라대학교 컴퓨터응용설계학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In the view of the importance of material reduction due to the jump in oil and steel prices, an optimized structural system for lifting lugs was developed. Such a system is needed hundreds of thousands of times a year. A direct design process was added to this developed optimized system to increase the design efficiency and provide a way of directly inserting a designer's decisions into the design system process. In order to verify the system efficiency and convenience, several new prototype lug shapes were suggested using the developed system. From these research results, it was found that the slope of the main plate of the lug structure has a tendency to move from about 45 degrees to about 60 degrees and the design weight was reduced from an initial value of about 32kgf to about $15{\sim}19kg_f$ after the redesign. Based on these initial research results, an efficient reduction in steel weight was expected considering the enormous consumption of lug structures per year. Additionally, a more detail structural analysis through local strength evaluations will be performed to verify the efficiency of the optimum structural design for a lug structure.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

선박 탑재용 러그 형상은 하중방향, 러그구조 및 부착형태에 따라 크게 3종류 즉, 일반적인 대칭형상인 D형, 비대칭형인 T형 그리고 후판에 주판을 일부 겹쳐 사용하는 형태인 L형으로 구분된다. 그 중에서 본 연구에서는 일차적으로 D형 러그 중 35톤의 선체블록을 최대 안전하중으로 하는 D-35 러그에 기초하여 설계형상을 개발하고자 한다. 이 D-35 러그는 Fig.
따라서 본 연구에서는 일차적으로 많은 복잡성을 보이지 않으나 많이 사용되고 구조개선의 여지가 충분하다고 사료되는 러그구조를 대상으로 보다 최적화된 러그형상을 제시하면서 동시에 강도 점검 및 설계변화와 강도의 적합성을 동시에 한 시스템에서 수행 할 수 있는 하리브리드 구조설계 시스템을 구축하고 시스템의 편리성과 효용성 입증을 위해 본 시스템을 통한 새로운 몇가지 프로토 형상을 제시하였다.
본 연구에서는 철강가격의 폭등에 따라 여태껏 인건비 등을 포함한 비용의 관점에서 고려하던 구조설계가 다시 자재절감의 효과가 선박원가에 미치는 영향이 커짐에 따라 가능한 경량설계를 할 수 있는 관점에서 비교적 보편적으로 설계자의 입장에서 용이하게 사용될 수 있는 하이브리드 구조설계 시스템을 선보여 보다 바람직한 러그형상 개발에 주력하고자 한다.

가설 설정

일차적으로 기존 실적자료를 근간으로 새로운 설계를 위한 입력치수로 가정하여 입력을 시켰다.

제안 방법

(1) 선박블록 탑재용 러구 구조 설계 과정을 정식화하고 최적설계 시스템을 구축하였다.
(2) 구조 설계 최적화의 원활한 흐름을 위해 최적화 과정에 각 검토 강도별 구조 설계치와 최소 설계치 그리고 안전계수 등을 설계과정에서 제시해 주어 바람직한 설계 방향으로의 최적화 수행을 돕고 구조설계자가 구조설계 감각을 가지고 다향한 단계별 최적구조설계를 단계별로 수행할 수 있게 설계 지원 시스템 윈도를 추가시켜 최적설계를 하이브리드 개념의 구조설계 체제를 제시하였다.
(3) 본 구축 시스템을 사용하여 보다 경쟁력 있는 다양한 구조설계 결과를 제안하였다.
가장 이상적인 형상은 하나일 수도 있으나 러그 하부구조의 치수 및 설계자의 취향 및 생산성문제 등 설계 현장의 다양한 경우를 고려하여 다음과 같은 설계결과를 도출하였다.
구축된 시스템을 통하여 새로운 러그형태를 살펴보았고 보다 바람직한 구조형상을 제시하여보았다.
국내 굴지의 조선소에서 사용되고 있는 35톤 러그(D-35)의 구조설계에 대한 치수의 적합성을 검토하고 다양한 다른 구조 설계를 제시하였다.
따라서, Fig. 3과 같은 강도 및 설계 검토를 위한 설계 판단화면을 최적화 시스템 하단에 추가하여 최적화 과정에 각 검토강도별 구조 설계치와 최소 설계치 그리고 안전계수 등을 설계과정에서 제시해 주어 바람직한 설계 방향으로의 최적화 수행을 돕고 구조설계자가 구조설계 감각을 가지고 다향한 단계별 최적구조설계를 단계별로 수행할 수 있는 하이브리드 설계 형태를 취하였다.
먼저, 대형 조선소에서 주로 사용되는 밥법에 준하여 러그하부가 탑재블록에 완전히 부착된 것으로 가정하여 설계식의 간편성을 추구하였으며 최소허용 러그두께 계산은 덧판(Doubler)두께를 고정한 상태에서 덧판을 포함한 러그구멍 주변의 인장력에 대한 설계 강도 식을 러그두께 X₄의 항으로 정리하여 도출된 식 (3)을 이용하여 계산하였다.
본 러그 논문에서 사용된 강도 및 설계 검토를 위한 설계 판단 화면을 구체적으로 살펴보면 각 검토 강도별 구조 설계치와 최소 설계치 그리고 안전계수는 그 첫 번째로 핀홀 구멍 두께의 인장력에 대한 현재 설계치 응력과 안전계수 그리고 필요최소면적과 설계면적을 제시해주고 있고 두 번째는 러그구멍 주변의 전단력에 대해 받는 응력과 안전계수 그리고 필요최소 전단면적과 설계면적을 제시해준다.
본 자료를 근간으로 시스템 가동 결과 러그 형상의 근간을 무너뜨리는 형상이 제시되어 최소한의 3가지 제약조건을 추가하였다.
상기 설명한 하이브리드 개발 시스템을 이용하여 보다 바람직한 러그 형상 설계를 시도하여 보았으며 그 단계별 개발 내역을 수순에 따라 언급하였다.
상기 언급한 내용을 토대로 D-35 러그의 구조형상설계를 손쉽게 추정 할 수 있는 시스템을 개인용 컴퓨터 윈도우 환경 하에서 비쥬얼 프로그래밍을 이용하여 간단한 입력으로 선박블록 탑재용 D-35 러그의 개선된 치수를 손쉽게 도출할 수 있는 GUI시스템을 구축(함주혁, 2008)하였고, 그 예를 Fig. 2에 제시하였다.

이론/모형

본 연구에서는 GRG(Generalzed reduced gradient) 알고리듬(Lasdon and Waren, 1978)을 사용하였으며 최적화를 위한 정식화의 내용은 다음과 같다.

성능/효과

(5) 또한, 초기 실적치의 중량이 약 32kgf인데 반해 약 15~19kgf의 범위로 설계중량이 경감되어 초기 중량의 약 47%에서 60% 정도로 재설계되었음을 확인 할 수 있다.
일차적으로 기존 실적자료를 근간으로 새로운 설계를 위한 입력치수로 가정하여 입력을 시켰다. 그 결과 8개의 기본 제약조건을 잘 만족시키면서 약 32kgf의 중량을 유지하고 있다. 본 자료를 근간으로 시스템 가동 결과 러그 형상의 근간을 무너뜨리는 형상이 제시되어 최소한의 3가지 제약조건을 추가하였다.
마지막으로 이들 설계 결과에 대해 차후 구조해석을 통한 국부적 설계변경을 통해 바람직한 러그 최종 형상 및 치수가 제시될 것으로 사료되면서 이의 개발에 따른 초기 개발 효과를 제시하였고 개발 시스템의 효용성을 예측하였다.
초기 실적치의 중량이 약 32kgf인데 반해 약 15~19kgf의 범위로 설계중량이 경감되어(참조 Table 4) 초기 중량의 약 47%에서 60% 정도로 재설계되었음을 확인 할 수 있다.

후속연구

(7) 본 초기 구조설계연구 결과에 대한 상세한 구조해석을 통한 국부적 강도분석을 통한 설계확인 작업과 국부적 보완을 통해 결과의 효용성을 입증할 계획이다.
본 시스템을 활용하면 초기단계에서의 경쟁력 있는 러그형상설계나 파라메트릭 연구에 좋은 지침이 도출 될 수 있을 것으로 사료된다.
실제 유한요소법에 의한 구조해석은 국부적인 응력집중 등 국부적 엄밀 계산을 위해 필수적이나 본 내용에서는 고려치않고 추가적인 연구 결과를 통해 제시 보완 예정이며 본 내용에서는 생략한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	일반적 구조합리화 연구에서 나타난 한계점은?	일반적 구조합리화 연구(김외현과 김정제, 1998)는 일반 설계자들이 최적화 이론에 대한 이해부족과 적용경험의 부족으로 개발시스템을 이용한 바람직한 개선된 구조결과를 제시하기 힘들고 최적화의 기법상의 난점과 이해부족에 따른 적용성의 한계가 많이 들어나고 있다. 따라서 본 연구에서는 일차적으로 많은 복잡성을 보이지 않으나 많이 사용되고 구조개선의 여지가 충분하다고 사료되는 러그구조를 대상으로 보다 최적화된 러그형상을 제시하면서 동시에 강도 점검 및 설계변화와 강도의 적합성을 동시에 한 시스템에서 수행 할 수 있는 하리브리드 구조설계 시스템을 구축하고 시스템의 편리성과 효용성 입증을 위해 본 시스템을 통한 새로운 몇가지 프로토 형상을 제시하였다.
	선박 탑재용 러그 형상은 어떻게 구분되는가?	선박 탑재용 러그 형상은 하중방향, 러그구조 및 부착형태에 따라 크게 3종류 즉, 일반적인 대칭형상인 D형, 비대칭형인 T형 그리고 후판에 주판을 일부 겹쳐 사용하는 형태인 L형으로 구분된다. 그 중에서 본 연구에서는 일차적으로 D형 러그 중 35톤의 선체블록을 최대 안전하중으로 하는 D-35 러그에 기초하여 설계형상을 개발하고자 한다.
	D-35 러그의 구조설계 형상 연구를 위하여 사용한 하이브리드 구조설계 시스템은 기존의 최적설계단계와 어떠한 차이가 있는 시스템인가?	앞 절에서 언급된 탑재용 러그의 구조설계 형상 연구를 위하여 사용한 하이브리드 구조설계 시스템은 기존의 최적설계단계(함주혁, 1997; 2001)와는 달리 강도검토단계가 맞물려져 설계자가 직접 구조최적화와 구조설계 변경을 순서에 구애받지 않고 복합/독립 혹은 상호 보완적으로 운영될 수 있게 최적화모듈과 강도 및 설계검토 모듈이 연계 운영되는 시스템이다. 본 절에서는 이 하이브리드 시스템 구축의 개요를 소개한다.

참고문헌 (5)

함주혁 (2001). "탑재용 러그 구조의 설계 시스템 개발", 대한조선학회논문집, 제38권, 제1호, pp 86-98

원문보기 상세보기
김외현, 김정제 (1998). "합리적인 선박구조설계를 위한 선체종 강도의 신뢰성해석", 한국해양공학회지, 제12권, 제4호, pp 8-15

상세보기
함주혁 (1997). "선박블록 탑재용 러그구조의 설계합리화를 위한 연구", 한국해양공학회지, 제11권, 제4호, pp 249-262

원문보기 상세보기
함주혁 (2008). "고속 경구조선 알루미늄 판부재의 구조강도 고찰", 한국해양공학회지, 제22권, 제2호, pp 91-98

원문보기 상세보기
Lasdon, L.S. and Waren, A.D. (1978). Generalized Reduced Gradient Software for Linearly and Nonlinearly Constrained Problems. in : Greenberg, H.J. (Ed.) Design and Implementation of Optimization Software., Sijthoff and Noordhoff, Holland, pp 335-362

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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