[논문]중량물의 동적 거동에 미치는 크레인 붐(boom)의 탄성 영향 분석

박광필; 차주환; 이규열

doi:10.3744/snak.2010.47.3.421

중량물의 동적 거동에 미치는 크레인 붐(boom)의 탄성 영향 분석
Analysis of an Elastic Boom Effect on the Dynamic Response of a Cargo 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.47 no.3, 2010년, pp.421 - 429

박광필 (대우조선해양 선박해양연구소) , 차주환 (서울대학교 공학연구소) , 이규열 (서울대학교 조선해양공학과 및 해양시스템공학연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, in order to analyze the dynamic response of a floating crane when it lifts a heavy cargo, the boom of the floating crane is considered as an elastic beam. The boom is divided into elements based on finite element formulation and the floating frame of reference formulation and nodal coordinates are employed to model the boom as a flexible body. As an extension of the previous study, in order to consider spatial motion in waves, the coupled equations of motions of the 6 degree of freedom (DOF) floating crane and 6 DOF cargo are developed based on the flexible multibody system dynamics. The 3 dimensional deformation of the elastic boom is considered with 18 DOF. The dynamic simulation of the floating crane and the cargo is performed under regular wave conditions with various cargo weights. Finally, the effects of the elastic boom on lifting cargo are discussed by comparing the simulation results between the elastic boom and a rigid boom.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

특히 붐(boom)은 길이가 약 130m 인 구조물로서 대형 블록을 인양하는 경우에는 탄성이 해상 크레인과 블록의 동적 거동에 영향을 미칠 것으로 예상된다. 본 논문에서는 해양파가 외력으로 작용하는 상태에서 붐의 탄성이 고려된 해상 크레인과 블록의 동적 거동을 해석하고, 강체 붐을 사용한 결과와 비교하였다. 붐은 플로팅 레퍼런스 프레임(floating reference frame)과 절점 좌표(nodal coordinate)를 사용하여 탄성체로 모델링하였다.

제안 방법

탄성 붐은 와이어 로프를 통해 해상 크레인과 중량물에 연성되어 있고, 해상 크레인과 탄성 붐에는 구속 조건에 의한 구속력이 작용한다. 또한 구조 감쇠를 고려하기 위해 속도에 비례하는 댐핑 항을 추가하였다.
1 과 같이 back stay 와 연결된 와이어 로프를 추가하여 현실적인 모델을 구성하였으며, 해상크레인과 중량물 각각의 6 자유도 운동을 고려하였다. 또한 붐은 3 개의 요소(element)로 분할하고 공간상의세 방향의 변위를 갖는 탄성체로 모델링 하여, 다른 관련 연구들과 달리 공간상의 동적 거동을 본격적으로 해석하였다. 적용한 외력에 대한 비교는 Park et al.
3 에 표현하였다. 또한 탄성 붐도 각 위치에서 3 차원 변위 u,v,w 를 갖는 것으로 모델링하였다.
본 논문에서는 붐을 유한 요소 정식화에 따라 3차원 빔 요소로 모델링 하였고, 유연 다물체계 동역학을 기반으로 해상 크레인과 중량물의 연성된 운동 방정식을 유도하였다. 또한 해양파를 고려하여 중량물의 동적 거동을 해석하고, 와이어 로프의 장력을 계산하였다. 시뮬레이션 결과를 통해 붐의 탄성을 고려할 경우에 동적 가중치에 대한 현실적인 분석이 가능한 것을 확인하였다.
본 논문에서는 붐을 유한 요소 정식화에 따라 3차원 빔 요소로 모델링 하였고, 유연 다물체계 동역학을 기반으로 해상 크레인과 중량물의 연성된 운동 방정식을 유도하였다. 또한 해양파를 고려하여 중량물의 동적 거동을 해석하고, 와이어 로프의 장력을 계산하였다.
본 논문에서는 해양파가 외력으로 작용하는 상태에서 붐의 탄성이 고려된 해상 크레인과 블록의 동적 거동을 해석하고, 강체 붐을 사용한 결과와 비교하였다. 붐은 플로팅 레퍼런스 프레임(floating reference frame)과 절점 좌표(nodal coordinate)를 사용하여 탄성체로 모델링하였다. 외력으로는 규칙파의 유체정역학 힘, 선형화 된 유체동역학 힘, 와이어 로프의 장력, 계류력 그리고 중력이 고려되었다.
각 물체에 대한 주요 사양을 입력하고, 초기 상태에서 6 자유도 자세를 구한다. 시간을 진행하면서 자세 변화에 따른 외력을 구하고, 구해진 외력에 의해 다음 시간에서의 6 자유도 자세를 구한다. 수치 적분은 4th-order Runge-Kutta 방법을 사용하였으며, 자세한 수치해석의 과정은 Cha et al.
5 m 이고, 붐의 길이는 130m, 각도는 60 도로 시뮬레이션 하였다. 중량물의 길이는 15m, 높이는 30m 이고, 질량은 1,000, 1,300, 1,700, 2,000, 2,300, 2,700, 3,000, 3,300 그리고 3,600ton 으로 변경하였다. 해양파는 파고(wave amplitude) 0.

대상 데이터

1 과 같은 최대 3,600 ton 의 블록을 리프팅할 수 있는 "대우"호이다. 주요 제원은 길이 110m, 폭 46m, 깊이는 7.5 m 이고, 붐의 길이는 130m, 각도는 60 도로 시뮬레이션 하였다. 중량물의 길이는 15m, 높이는 30m 이고, 질량은 1,000, 1,300, 1,700, 2,000, 2,300, 2,700, 3,000, 3,300 그리고 3,600ton 으로 변경하였다.
중량물의 길이는 15m, 높이는 30m 이고, 질량은 1,000, 1,300, 1,700, 2,000, 2,300, 2,700, 3,000, 3,300 그리고 3,600ton 으로 변경하였다. 해양파는 파고(wave amplitude) 0.5m, 파장(wave length) 156m, 방향은 45 도 선미사파(stern quartering sea)로 고려하였다.

이론/모형

따라서 탄성 붐 각 요소의 형상 행렬은 굽힘과, 인장/압축, torsion 에 의한 변위를 나타내는 근사 함수로 구성되며, 자세한 식은 Shabana (2005)를 참조한다. 3.4 절과 같이 유도된 3 차원 빔 요소에 대한 강성 행렬은 Przemieniecki (1968)를 참조한다.
해양파에 유체정역학 힘은 매 단위 시간마다 해상 크레인의 자세를 고려한 침수 용적을 적분하여 계산한다. 유체동역학적 힘은 상용 시스템에서 계산한 주파수 영역의 유체동역학 계수를 Cummins equation 을 이용하여 시간 영역으로 계산한다. 이렇게 계산된 유체력은 해상 크레인의 질량 중심에 힘과 모멘트로 작용한다.
# 는 # 의 교대 행렬(skew-symmetric matrix)을 나타낸다. 자세한 유도 과정은 Shabana (2005)를 참조한다.

성능/효과

시뮬레이션 결과, 탄성 붐의 경우 강체 붐에 비해 중량물의 동적 거동이 크게 나타나지만, 중량물의 질량이 증가할수록 감소하는 경향을 확인할 수 있었다. 이것은 리프팅 현장에서 무거운 블록을 리프팅 할 때 오히려 흔들림이 적게 나타나는 현상에 부합한다.
또한 해양파를 고려하여 중량물의 동적 거동을 해석하고, 와이어 로프의 장력을 계산하였다. 시뮬레이션 결과를 통해 붐의 탄성을 고려할 경우에 동적 가중치에 대한 현실적인 분석이 가능한 것을 확인하였다. 동적 가중치의 경우 조선 생산성과도 연관이 있으므로, 공법의 안정성 분석에 탄성 붐을 고려하여 그 결과를 평가하는 것이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 논문에서 무엇을 위해 3차원 빔 요소로 모델링하였는가?	본 논문에서는 붐을 유한 요소 정식화에 따라 3차원 빔 요소로 모델링 하였고, 유연 다물체계 동역학을 기반으로 해상 크레인과 중량물의 연성된 운동 방정식을 유도하였다. 또한 해양파를 고려하여 중량물의 동적 거동을 해석하고, 와이어 로프의 장력을 계산하였다.
	유한 요소 정식화 방법에 따라 요소를 분할한 이유는?	탄성체의 변위를 보다 정확히 계산하기 위해서 유한 요소 정식화 방법에 따라 요소를 분할한다. 관성좌표계에서 정의된 탄성체 i 의 요소 j 상의한 점에 대한 위치 벡터는 식 (3)과 같다.
	탄성 붐 각 요소의 형상 행렬이 굽힘과, 인장/압축, torsion에 의한 변위를 나타내는 근사 함수로 구성되는 이유는 무엇인가?	중량물을 인양한 상태에서 해상 크레인이 해양 유체력에 의해 6 자유도 운동을 하기 때문에, 일정한 각도로 해상 크레인에 고정되어 있는 붐은 와이어 로프에 의한 압축 외에도 굽힘 거동을 나타낼 것으로 예상된다. 따라서 탄성 붐 각 요소의 형상 행렬은 굽힘과, 인장/압축, torsion 에 의한 변위를 나타내는 근사 함수로 구성되며, 자세한 식은 Shabana (2005)를 참조한다.

참고문헌 (12)

Al-Sweiti, Y. and S？ ffker, D., 2007, "CargoPendulation Suppression of Ship Cranes withElastic Booms," Mathematical and ComputerModeling of Dynamical Systems, Vol. 13, No. 6,pp. 503-529.

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Cha, J. H., Ham, S. H., Kwon, J. H., Roh, M. I.,Lee, K. Y., and Park, K. P., 2008, "Simulation ofDynamic Response of a Heavy Cargo Suspendedby Parallel Connected Floating Cranes,"Proceeding of the Society of Naval Architectureof Korea Fall Conference , pp.921-930.
Cha, J. H., Park, K. P., and Lee, K. Y., 2010,"Numerical Analysis for Nonlinear Static andDynamic Response of a Floating Crane withElastic Boom," Transactions of the KoreanSociety of Mechanical Engineers A, Vol. 34, No.4, pp. 501-509.

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Cha, J. H., and Roh, M. I., 2010, "CombinedDiscrete Event and Discrete Time SimulationFramework and Its Application to the BlockErection Process in Shipbuilding," Advances InEngineering Software, Vol. 41, No. 4, pp. 656-665.

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Cha, J. H., Roh, M. I., Cho, D. Y., and Lee, K.Y., 2009, "Block Erection Simulation Using theIntegrated System of Combined Discrete Eventand Discrete Time Simulation Kernel," Journalof the Society of Naval Architects of Korea, Vol.46, No. 3, pp. 303-312.

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Cha, J. H., Roh, M. I., and Lee, K. Y., 2010,"Integrated Simulation Framework for theProcess Planning of Ships and OffshoreStructures," Robotics and Computer-IntegratedManufacturing Journal, Vol. 26, No. 5, pp. 430-453.

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Ku, N. K., Cha, J. H., Kwon, J. H., and Lee, K.Y., 2009, "Suppression of Load Pendulationusing Tagline Control System for FloatingCrane," Journal of the Society of Naval Architectsof Korea, Vol. 46, No. 5, pp. 527-535.

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Park, K.P., Cha, J.H., and Lee, K.Y., 2009,"Analysis of an Elastic Boom Effect on theDynamic Response of a Cargo," Proceeding ofthe Society of Naval Architecture of Korea FallConference, pp. 1131-1140.
Park, K.P., Cha, J.H., and Lee, K.Y., 2010"Analysis of Dynamic Response of a FloatingCrane and a Cargo with Elastic Booms Basedon Flexible Multibody System Dynamics,"Journal of the Society of Naval Architects ofKorea, Vol. 47, No. 1, pp. 47-57.

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Przemieniecki, J.S., 1968, Theory of MatrixStructural Analysis, McGraw-Hill Book Company,New York.
Ren, H., Wang, X., Hu, Y., and Li, C., 2008,"Dynamic Response Analysis of a MooredCrane-Ship with a Flexible Boom," Journal ofZhejiang University Science A, Vol. 9, No. 1, pp.29-31.
Shabana, A.A., 2005, Dynamics of multibodysystems, Third edition, Cambridge UniversityPress, Cambridge.

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