[논문]정유운반선 파형격벽에 대한 경량화 프로그램 개발

신상훈; 고대은

doi:10.3744/snak.2009.46.3.279

정유운반선 파형격벽에 대한 경량화 프로그램 개발
Development of the Weight Reduction Program for Corrugated Bulkheads of a Product Oil Carrier 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.46 no.3, 2009년, pp.279 - 289

신상훈 (현대중공업 선박해양연구소) , 고대은 (동의대학교 조선해양공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

For a Product Oil Carrier, longitudinal bulkhead as well as transverse one is corrugated shape in general and intersection part of bulkheads is utilized for a pipe trunk. Since lower and upper stools are to be connected with all of longitudinal and transverse bulkheads, they have a uniform height respectively. The purpose of this study is the development of design system for the minimization of total weight of longitudinal and transverse bulkheads at the initial design stage. In this study, the beam element models for longitudinal and transverse corrugated bulkheads are established and they are applied to the structural analysis. For the practical design, the selection and the position of an additional pipe trunk are considered in this study. In addition the required minimum distance between the bracket installed along the web of corrugation at lower stool and the diaphragm is taken into consideration during optimization process. Evolution strategy(ES) is adopted as an optimization technique.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

정유운반선의 경우 지금까지는 파형격벽의 응력값을 예측하지 못하여 파형 단면의 형상을 조금씩 변경하면서 기존의 실적선 자료를 바탕으로 설계해 왔고, 시간상의 제약으로 구조해석을 통한 응력값을 일일이 확인할 수 없는 실정이었다. 본 연구는 정유운반선 파형격벽의 응력값을 유사하게 예측할 수 있는 보요소 모델을 정립하여 이러한 문제를 해결하였으며, 최적화 기법과 결합하여 파형격벽 최소중량설계를 용이하게 수행할 수 있고, 제작상의 제한조건들을 충분히 고려하여 실제 선박 건조에 유용하도록 하였다.
본 연구는 정유운반선의 모든 파형격벽에 대한 최소중량설계를 위해 횡격벽 및 종격벽을 모사할 수 있는 보요소 모델을 구성하였다. 전체 최적점 탐색에 탁월한 진화전략 기법을 채택하여 70K급 정유운반선에 적용한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
일반적으로 가중치법이나 제한조건식법은 그 구간을 몇 개로 나누느냐에 따라 Pareto 최적해의 개수가 결정되지만, 진화전략기법은 그림에 나타낸바와 같이 가중치법이나 제한조건식법의 결합없이 독립적으로 전구간에 걸쳐 Pareto 최적해를 잘 찾고 있음을 보여준다. 이러한 다개체 탐색법을 파형격벽 최적설계에 적용하여 강재비 절감 효과를 얻고자 하는 것이 본 연구의 목적이다.
횡격벽과 종격벽의 파형 부분의 중량, 즉 한 개의 화물창당 스툴을 제외한 파형격벽의 중량을 목적함수로 설정하였다.

가설 설정

3) 제작상의 제한 : 파형의 두께가 굽힘가공 한계인 25mm보다 같거나 작도록 하였다.

제안 방법

3) 작업성을 충분히 고려하도록 제한조건을 설정하였다. 최소중량을 주는 설계변수 값이라 하더라도 작업성을 위반하면 도태되도록하여 프로그램의 실용성을 높였다.
Fig. 5에 나타낸 것과 같이, 횡격벽 파형 부분의 파형 깊이( X1 ), 파형판의 너비( X7 ), 파형 사판의 투영길이( X8 )와 종격벽 파형 부분의 파형 깊이( XX1 ), 파형판의 너비( XX7 ), 파형 사판의 투영길이( XX8 )등 총 6개를 설계 변수로 설정하였으며, 이러한 치수들에 따른 각 파형의 두께는 IACS 및 선급규정에 의해 결정하였다. 또한 상하부 스툴의 치수는 설계자가 결정하는 임의의 값을 사용하도록 하였으며, 각각의 변수들은 모두 설계에 적용할 수 있도록 이산화된 값을 사용하였다.
진화전략 기법은 유전자 알고리즘과 같이 다개체 탐색을 수행한다. 다음은 진화전략 기법을 테스트하기 위한 단일목적함수 최적화 문제로서 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 국부최대점(local maximum point)이 24개나 존재하는 난해한 문제를 선택하였다.
5에 나타낸 것과 같이, 횡격벽 파형 부분의 파형 깊이( X1 ), 파형판의 너비( X7 ), 파형 사판의 투영길이( X8 )와 종격벽 파형 부분의 파형 깊이( XX1 ), 파형판의 너비( XX7 ), 파형 사판의 투영길이( XX8 )등 총 6개를 설계 변수로 설정하였으며, 이러한 치수들에 따른 각 파형의 두께는 IACS 및 선급규정에 의해 결정하였다. 또한 상하부 스툴의 치수는 설계자가 결정하는 임의의 값을 사용하도록 하였으며, 각각의 변수들은 모두 설계에 적용할 수 있도록 이산화된 값을 사용하였다.
본 연구에서는 정유운반선의 모든 파형격벽의 최소중량설계를 수행하기 위해 횡격벽 및 종격벽의 구조해석에 보요소 모델을 적용하였고, 실선 설계에 적합하도록 파이프 트렁크(pipe trunk)의 추가 유무 및 설치 위치를 고려하였다. 또한 최적화 과정에 스툴 다이아프램(diaphragm)과 브라켓의 위치를 계산하여 브라켓이 다이아프램을 관통하여 지나가는 것을 방지하고 브라켓과 다이아프램이 일정 간격이상을 유지하는 구조설계를 위한 제약조건을 반영하였다. 최적화 기법은 전역최적화 기법인 진화전략 기법을 적용하였다.
본 연구에서는 정유운반선의 모든 파형격벽의 최소중량설계를 수행하기 위해 횡격벽 및 종격벽의 구조해석에 보요소 모델을 적용하였고, 실선 설계에 적합하도록 파이프 트렁크(pipe trunk)의 추가 유무 및 설치 위치를 고려하였다. 또한 최적화 과정에 스툴 다이아프램(diaphragm)과 브라켓의 위치를 계산하여 브라켓이 다이아프램을 관통하여 지나가는 것을 방지하고 브라켓과 다이아프램이 일정 간격이상을 유지하는 구조설계를 위한 제약조건을 반영하였다.
이 문제를 해결하기 위해 5개의 부모 개체가 10개의 자식 개체를 형성하며, (5+10) plus 전략을 적용하여 수렴성 및 전체최적점 탐색 성능을 조사하였다. 결과를 Fig.
본 연구는 정유운반선의 모든 파형격벽에 대한 최소중량설계를 위해 횡격벽 및 종격벽을 모사할 수 있는 보요소 모델을 구성하였다. 전체 최적점 탐색에 탁월한 진화전략 기법을 채택하여 70K급 정유운반선에 적용한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

이론/모형

이러한 시도는 하나의 목적함수를 계산하는데 걸리는 시간이 비교적 큰 경우에는 매우 효율적일 것으로 보이나, 본 연구에서와 같이 구조해석에 계산속도가 빠른 보요소를 채택할 경우 확률탐색법만으로도 불과 수분(分) 안에 결과를 얻어 낼 수 있어 탐색 소요 시간의 문제에서 자유로울 수 있다. 본 연구에서 사용한 최적화 기법은 확률탐색법 중에 하나인 진화전략 기법이다.
또한 최적화 과정에 스툴 다이아프램(diaphragm)과 브라켓의 위치를 계산하여 브라켓이 다이아프램을 관통하여 지나가는 것을 방지하고 브라켓과 다이아프램이 일정 간격이상을 유지하는 구조설계를 위한 제약조건을 반영하였다. 최적화 기법은 전역최적화 기법인 진화전략 기법을 적용하였다.

성능/효과

1) 최적화 결과를 보면 DNV 선급 요구사항에 따라 설계한 실적선에 비해 약 3% 정도의 중량 절감 효과를 보이지만, LR 선급 요구사항에 따라 설계한 실적선에 비하면 약 7% 정도의 큰 절감 효과를 보여준다. LR 선급 요구사항에 따라 설계한 실적선과 비교하면 척당 67 ton의 중량 절감을 예상할 수 있으며, 설계 공수를 줄이는데도 크게 기여할 것으로 사료된다.
1) 파형 사판의 경사각 제한: 살물선의 디프탱크 격벽의 경우 ABS선급 규정은 60도보다 작을 경우 횡방향의 강도 계산을 요구하고 있어 60도 이상을 유지하도록 하였다.
2) 3차원 유한요소해석 결과와 비교해 보면 대부분 약 6% 이내의 오차를 보인다. 해석의 정도를 높인다면 더 정확한 최적화 결과를 얻을 수 있으나, 오차가 크지 않고 어느 정도의 안전 계수를 도입한다는 측면에서 긍정적이라 할 수 있으며, 본 연구에 적용된 2차원 해석이 실 구조물의 거동을 잘 나타낸다고 할 수 있다.
4) 구조해석에 의한 제한 : 파형 중앙부의 압축 응력값이 임계 좌굴 응력값보다 작아야 하며, 파형 최하단부의 응력값은 각 선급의 허용 응력을 만족시키도록 제한하였다.
5) 작업성을 고려한 제한 : 정유운반선에서는 파형의 웨브 (파형 사판)를 따라서 하부 스툴에 브라켓이 설치된다. 이때 브라켓과 다이아프램 사이에 간섭이 일어나지 않아야 하며, 제작이 가능하도록 최소거리 이상 떨어지도록 하였다.
1) 최적화 결과를 보면 DNV 선급 요구사항에 따라 설계한 실적선에 비해 약 3% 정도의 중량 절감 효과를 보이지만, LR 선급 요구사항에 따라 설계한 실적선에 비하면 약 7% 정도의 큰 절감 효과를 보여준다. LR 선급 요구사항에 따라 설계한 실적선과 비교하면 척당 67 ton의 중량 절감을 예상할 수 있으며, 설계 공수를 줄이는데도 크게 기여할 것으로 사료된다.
특히, 종격벽의 경우는 중앙부나 선저부 모두 5% 이내의 오차를 보여 본 해석방법이 실제 거동을 잘 나타낸다고 볼 수 있다. 보 해석으로 구한 응력이 크므로 좀 더 정확한 구조해석 결과를 얻을 수 있다면 더 큰 절감 효과를 얻을 수 있겠으나, 해석의 오차를 안전여유로 간주하였다.
Lee and Kim(1996)은 직접탐색법과 확률탐색법의 결합인 Hooke and Jeeves 방법과 유전자 알고리즘(genetic algorithm)의 복합형 탐색법을 제시하여 탐색시간을 줄이는 연구를 수행하였고, Na(2005)는 직접탐색법과 확률탐색법의 장점만을 결합한 Pareto 최적점 기반 다목적함수 최적화기법을 개발한 바 있다. 이러한 시도는 하나의 목적함수를 계산하는데 걸리는 시간이 비교적 큰 경우에는 매우 효율적일 것으로 보이나, 본 연구에서와 같이 구조해석에 계산속도가 빠른 보요소를 채택할 경우 확률탐색법만으로도 불과 수분(分) 안에 결과를 얻어 낼 수 있어 탐색 소요 시간의 문제에서 자유로울 수 있다. 본 연구에서 사용한 최적화 기법은 확률탐색법 중에 하나인 진화전략 기법이다.
3) 작업성을 충분히 고려하도록 제한조건을 설정하였다. 최소중량을 주는 설계변수 값이라 하더라도 작업성을 위반하면 도태되도록하여 프로그램의 실용성을 높였다.
최적화 결과는 DNV 선급 요구사항에 따라 설계한 실적선에 비해 약 3%정도의 중량 절감 효과를 보이지만, LR 선급 요구사항에 따라 설계한 실적선에 비해서는 약 7%정도의 큰 절감 효과를 보여준다. 작업성을 고려한 결과이므로 그 효과가 의미 있다고 할 수 있다.
2) 3차원 유한요소해석 결과와 비교해 보면 대부분 약 6% 이내의 오차를 보인다. 해석의 정도를 높인다면 더 정확한 최적화 결과를 얻을 수 있으나, 오차가 크지 않고 어느 정도의 안전 계수를 도입한다는 측면에서 긍정적이라 할 수 있으며, 본 연구에 적용된 2차원 해석이 실 구조물의 거동을 잘 나타낸다고 할 수 있다.

후속연구

LR 선급 요구사항에 따라 설계한 실적선에 비해서는 척당 67 ton이라는 큰 강재비 절감 효과를 얻을 수 있으며, 이 프로그램을 스테인레스강이나 클래드강과 같은 고가의 강재로 구성된 화학제품 운반선에 적용한다면 상당한 비용 절감 효과를 얻을 수 있을 것이라 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	파형격벽이 보강격벽과 비교하여 갖는 장점은?	파형격벽은 보강격벽(stiffened bulkhead)에 비해 유지(maintenance)가 용이하고, 화물의 선적및 하역에 유리하며, 열하중에 의한 팽창 및 수축에도 자유로운 장점이 있어 선박의 격벽으로 많이 사용되고 있다. 이러한 파형격벽의 중량을 최소화하기 위한 연구도 많이 수행되어 왔으며, 원자재 값이 급등하고 있는 최근에는 그 중요성이 더 부각되고 있다.
	확률탐색법의 단점은?	미분법(gradient method)과 직접탐색법(direct search method) 같은 최적화 기법은 전체최소점 탐색에 취약하여 직접탐색법에서 진화한 확률탐색법(stochastic search method)의 적용이 늘어나는 추세이다. 물론 확률탐색법이 장점만 존재하는 것이 아니라 과다한 탐색 소요시간이라는 단점도 존재하여, 이러한 문제를 해결하기 위한 연구도 진행되고 있다. Lee and Kim(1996)은 직접탐색법과 확률탐색법의 결합인 Hooke and Jeeves 방법과 유전자 알고리즘(genetic algorithm)의 복합형 탐색법을 제시하여 탐색시간을 줄이는 연구를 수행하였고, Na(2005)는 직접탐색법과 확률탐색법의 장점만을 결합한 Pareto 최적점 기반 다목적함수 최적화기법을 개발한 바 있다.
	진화전략 기법은 어떻게 구분되는가?	진화전략 기법은 Rechenberg(1973)에 의해 처음 도입되었고, 후에 Schwefel(1981)에 의해 더욱 발전, 체계화되었다. 적자 생존과 자연 도태의 원리를 기초로 한 유전자 알고리즘과 유사하며, 크게 (μ+λ) 형태인 플러스(plus) 전략과 (μ,λ) 형태인 코마(comma) 전략으로 구분된다.

참고문헌 (9)

Jang, C.D. and Na. S.S., 1992, 'On the Development of the Generalized Slope Deflection Method for the Analysis and Design of Ship Structures,' Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 29, No. 4, pp. 202-213
Lee, D.K. and Kim, S.Y., 1996, 'Techno -economic optimization of an LNG carrier with multi-criteria in the preliminary design stage. Journal of Ship Production,' Vol. 12, No. 3, pp. 141-152

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Na, S.S., 2005, 'Development of a Multi -objective function Method Based on Pareto Optimal Point,' Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 42, No. 2, pp. 175-182

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Rechenberg, I., 1973, Evolutionsstrategie: Optimierung Technischer Systeme nach Prinzipien der Biologischen Evolution, Frommann-Holzboog Verlag, Stuttgart
Schwefel, H.P., 1981, Numerical Optimization of Computer Models, Wiley, Chichester
Shin, S.H. and Nam, S.K., 2003a, 'A Study on Optimum Structural Design of the Corrugated Bulkhead Considering Stools,' Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 40, No. 4, pp. 53-58

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Shin, S.H. and Nam, S.K., 2003b, 'Minimum Weight Design for Watertight and Deep Tank Corrugated Bulkhead,' Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 40, No. 6, pp. 12-19

원문보기 상세보기
Yim, S.J., Kim, G.H. and Yang, Y.S., 1987, 'Optimum Structural Design of a Corrugated Bulkhead by Using Flexible Tolerance Method,' Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 24, No. 4, pp. 45-52
Yum, J.S., 1990, Minimum Weight Design of Corrugated Bulkheads Using the Generalized Slope Deflection Method, M.S Thesis, Seoul National University

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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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