[논문]선박 전선 진동해석 효율성 향상을 위한 프레임워크 개발

조대승; 김진형; 최태묵; 김경수; 최성원; 정태석; 이도경; 석호일

doi:10.5050/ksnve.2011.21.8.761

선박 전선 진동해석 효율성 향상을 위한 프레임워크 개발
Development of a Framework for Improving Efficiency of Ship Vibration Analysis 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.21 no.8, 2011년, pp.761 - 767

조대승 (부산대학교 조선해양공학과) , 김진형 ((주)크리에이텍) , 최태묵 ((주)크리에이텍) , 김경수 (부산대학교 대학원 조선해양공학과) , 최성원 (부산대학교 대학원 조선해양공학과) , 정태석 (STX조선해양 진동소음연구팀) , 이도경 (STX조선해양 진동소음연구팀) , 석호일 (STX조선해양 진동소음연구팀)

Abstract ▼ AI-Helper

Free and forced vibration analysis of the global ship structure using the 3-dimensional finite element(FE) method requires not only the specialized knowledge such as ship structure interacted with fluid, damping and various excitations due to propulsion system but also time-consuming manual tasks in FE modeling, analysis and response evaluation. As a result, the quality of the vibration analysis highly depends on engineer's expertise and experience. In this study, a framework system to improve the efficiency of global ship vibration analysis is introduced. The system promising the utilization of MSC/Patran and MSC/Nastran consists of various modules to support data management, FE modeling of ship structure and loading, input deck generation for free and forced vibration analysis, data extraction and evaluation of analysis results, and databases for FE models of marine diesel engines and vibration criteria. The system may be useful for pursuing standardization of uncertain analysis factors as well as reducing time, cost and human dependency in ship vibration analysis.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구에서는 선박 전선 진동해석 업무의 효율성과 정확도 향상을 통한 저진동‧고품질 선박 설계 능력 향상과 선박 진동 전문 기술 인력의 교육 및 관련 기술의 표준화 등을 도모하여 저진동‧고품질 선박 설계 기술 고도화 달성에 활용하고자 선박 전선 진동해석 업무 지원용 프로그램 GLOVAS(GLObal ship Vibration Analysis support System)를 개발하였다. 또한, 사용 빈도가 높은 선박용 디젤엔진의 동특성을 고려한 10종의 유한요소 모델 데이터베이스를 구축하여 주기관 모델링 업무의 효율화를 도모하였다.
이 연구에서는 저진동‧고품질 선박 설계 기술 고도화 달성에 활용할 수 있는 선박 전선 진동해석 지원용 프로그램인 GLOVAS를 개발하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
이 연구에서는 조선사에서 사용 빈도가 높은 MAN B&W사의 선박용 디젤 엔진 10종에 대해 F.E. 모델 데이터베이스를 구축하였다.

제안 방법

(1) 사용빈도가 높은 선박용 디젤 엔진 10종에 대해 엔진 동특성이 적용된 F.E. 모델 데이터베이스를 구축하였다. 구축된 디젤엔진 유한요소 모델은 동형 엔진을 탑재하는 선박의 디젤엔진 모델로 활용될 수 있어 전선 진동해석 업무의 효율성 제고에 기여할 수 있다고 판단한다.
Analysis” 및 “Response Evaluation” 등으로 구성되어 있으며, 각 모듈은 Fig. 3에 보인 바와 같이 대상 선박에 대한 공통 정보 입력 및 프로젝트 관리, 대상선 및 주기관의 3차원 유한요소 모델링에 요구되는 보강재 강성평가, 하중조건별 집중질량 요소 평가, 고유진동 및 강제진동 input deck 생성, 고유진동 및 강제진동 해석결과 후처리, 응답 평가 및 결과 입·출력 등의 선박 진동해석 업무를 순차적으로 지원하는 기능을 수행한다.
개발된 프로그램은 범용 유한요소 프로그램인 MSC/Nastran과 이의 전후처리 프로그램인 MSC/Patran⁽³⁾을 사용하는 것을 전제로 전선 진동해석 업무 단계별 세부 기능을 실행할 수 있는 통합 프레임워크(framework) 양식을 적용하였다. 또한, 프로젝트 전반에 대한 상세정보 입력 모듈, 보강재물성치 평가 및 유한요소 해석 입력자료 자동 생성 모듈, 고유진동해석 input deck 생성과 해석 결과 분석 모듈, 강제진동해석 input deck 생성 모듈및 진동응답 평가 모듈 등으로 구성되어 있다, 아울러, 세부 단계별 입‧출력 자료는 자동 연동되어 효율적 자료 관리와 결과 분석의 편의성을 도모하였다.
이 연구에서는 선박 전선 진동해석 업무의 효율성과 정확도 향상을 통한 저진동‧고품질 선박 설계 능력 향상과 선박 진동 전문 기술 인력의 교육 및 관련 기술의 표준화 등을 도모하여 저진동‧고품질 선박 설계 기술 고도화 달성에 활용하고자 선박 전선 진동해석 업무 지원용 프로그램 GLOVAS(GLObal ship Vibration Analysis support System)를 개발하였다. 또한, 사용 빈도가 높은 선박용 디젤엔진의 동특성을 고려한 10종의 유한요소 모델 데이터베이스를 구축하여 주기관 모델링 업무의 효율화를 도모하였다.
한편, 주기관의 동특성을 고려한 주기관 모델링은 실무적으로 기관 중량과 무게중심이 동일한 유한요소 모델을 생성하고, 기관 하부 경계조건이 고정인 조건에서 MAN B&W사에서 추정한 기관의 H-, X- 및 L-형 모드의 고유진동수와 일치하도록 유한요소의 강성을 조정하는 방법으로 수행하였다. 이때, H-, X- 및 L-형 모드 모두의 고유진동수를 맞추기 곤란한 경우 H-형 모드 고유진동수가 가장 부합하도록 모델을 조정하였다. Table 1에는 주기관 유한요소 모델링 데이터베이스에 반영된 10종의 엔진에 대해 top bracing 지지 유무에 따른 유한요소 모델의 고유진동수를 MAN B&W사 제시 자료와 비교하여 나타내었다.
Modeling” 모듈에서 자동 계산되며, 그 결과는 물성치 평가 결과 파일 및 MSC/Patran 입력용 session 파일 형태로 생성된다. 이때, 보강재의 강성 평가 방법은 판 플랜지의 유효폭을 고려한 보강재 효과 집중 모델링 방법을 적용하였다.
한편, 주기관의 동특성을 고려한 주기관 모델링은 실무적으로 기관 중량과 무게중심이 동일한 유한요소 모델을 생성하고, 기관 하부 경계조건이 고정인 조건에서 MAN B&W사에서 추정한 기관의 H-, X- 및 L-형 모드의 고유진동수와 일치하도록 유한요소의 강성을 조정하는 방법으로 수행하였다.

대상 데이터

bdf” 파일을 이용하여 강제진동 응답 해석용 MSC/Nastran 입력 자료 파일을 생성한다.
한편, 선박 진동해석을 범용 유한요소 해석 프로그램인 MSC/Nastran과 이의 전·후 처리 프로그램인 MSC/Patran을 이용하여 수행할 경우 업무 단계별로 수작업 공정이 다수 요구된다. 이 연구에서는 전선 진동해석의 효율성 향상을 위하여 Fig. 1에 보인 바와 같이 세부 업무 단계 별 전산화 대상 기능을 선정하였다.

이론/모형

강제진동해석은 MSC/Nastran의 모드 중첩법(mode superposition method, Sol 111)으로 수행하며, 입력된 기진력 자료는 기진력 유형과 기진 차수를 고려하여 해석 경우(subcase)를 자동 구분하여 생성한다. 입력 가능한 기진력은 디젤엔진의 불평형력, 불평형모멘트 및 안내력 모멘트, 프로펠러의 표면 전달력과 축전달력, 사용자 정의 기타 기진력이 있다.

성능/효과

을 사용하는 것을 전제로 전선 진동해석 업무 단계별 세부 기능을 실행할 수 있는 통합 프레임워크(framework) 양식을 적용하였다. 또한, 프로젝트 전반에 대한 상세정보 입력 모듈, 보강재물성치 평가 및 유한요소 해석 입력자료 자동 생성 모듈, 고유진동해석 input deck 생성과 해석 결과 분석 모듈, 강제진동해석 input deck 생성 모듈및 진동응답 평가 모듈 등으로 구성되어 있다, 아울러, 세부 단계별 입‧출력 자료는 자동 연동되어 효율적 자료 관리와 결과 분석의 편의성을 도모하였다.

후속연구

(3) GLOVAS 프로그램은 각종 해석 인자 변경 시의 선박 진동 재해석의 편의성이 높아 해석 및 계측 결과와의 비교‧검증 작업의 효율성 확보가 가능하여 감쇠, 운항 속도 별 기진력 크기 등 불확실한 선박 진동해석 인자의 규명과 표준화에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대한다.
모델 데이터베이스를 구축하였다. 구축된 디젤엔진 유한요소 모델은 동형 엔진을 탑재하는 선박의 디젤엔진 모델로 활용될 수 있어 전선 진동해석 업무의 효율성 제고에 기여할 수 있다고 판단한다.
Table 1에는 주기관 유한요소 모델링 데이터베이스에 반영된 10종의 엔진에 대해 top bracing 지지 유무에 따른 유한요소 모델의 고유진동수를 MAN B&W사 제시 자료와 비교하여 나타내었다. 이 연구에서 구축된 주기관 유한요소 모델은 선박 별 기관실 프레임(frame) 간격, 기관실 이중저 구조 및 횡격벽까지의 간격 등을 고려한 미세 수정 작업 후 해당 선박에 탑재하여 진동해석에 활용할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	선박 전선 진동해석 업무가 필요로 하는 것은?	선박 전선 진동해석 업무는 구조, 유체, 추진시스템 등에 대한 복합 전문 지식과 물리적 현상 규명이 미흡한 감쇠, 기진력 평가 등에 대한 암묵지(know-how)를 필요로 한다. 한편, 대부분의 기관에서 선박 방진 설계를 위해 수행하는 범용 FEM S/W를 이용한 전선 진동해석은 모델링, 해석 및 결과 분석 등에 수 개월의 시간이 소요되어 진동문제 예측 시 설계 개선 변경안을 반영할 수 있는 적정 공정시간 확보에 어려움이 있으며, 해석자의 능력에 따라 해석 정확도가 달라지고 업무 수행 중 실수 발생 소지도 있다.
	3차원 전선 진동해석 업무의 단계는?	3차원 전선 진동해석 업무는 도면 및 자료 수집, 유한요소 모델링, 고유 및 강제 진동해석, 진동 응답평가 및 보고서 작성 등의 단계로 진행된다. 또한, 일반적으로 선박 진동해석은 복수 이상의 하중 조건에 대한 수행이 요구된다.
	선박 전선 진동해석 지원용 프로그램인 GLOVAS를 개발하여 도출된 결과는?	(1) 사용빈도가 높은 선박용 디젤 엔진 10종에 대해 엔진 동특성이 적용된 F.E. 모델 데이터베이스를 구축하였다. 구축된 디젤엔진 유한요소 모델은 동형 엔진을 탑재하는 선박의 디젤엔진 모델로 활용될 수 있어 전선 진동해석 업무의 효율성 제고에 기여할 수 있다고 판단한다. (2) 이 연구에서 개발한 GLOVAS 프로그램을 활용하면, 진동해석 및 평가에 요구되는 선박 3차원 유한요소 모델링, 고유 및 강제진동해석 입력 자료 생성과 결과 분석, 진동응답 평가 및 보고서 작성 등에 요구되는 기존 수작업의 최소화와 해석자의 잠재적 오류 예방이 가능하여 선박 전선 진동해석 업무의 효율성을 향상할 수 있다. (3) GLOVAS 프로그램은 각종 해석 인자 변경 시의 선박 진동 재해석의 편의성이 높아 해석 및 계측 결과와의 비교 ‧ 검증 작업의 효율성 확보가 가능하여 감쇠, 운항 속도 별 기진력 크기 등 불확실한 선박 진동해석 인자의 규명과 표준화에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

참고문헌 (7)

KR, 1997, Control of Ship Vibration and Noise, Korean Register of Shipping.
Yang, B. S., et al., 2005, Development of NASTRAN-based Optimization Framework for Vibration Optimum Design of Ship Structure, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 15, No. 11, pp. 1223-1231.

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MSC, 2008, Basic/Advaced Dynamic Analysis User's Guide.
Park, J. H., Chung, K. Y. and Lee, S. M., 1996, Empirical Formulae for Hull Girder Natural Frequencies, Proceedings of the SNAK Annual Autumn Meeting, pp. 434-437.
ISO 6954-1984, 1984, Mechanical Vibration and Shock-Guidelines for the Overall Evaluation of Vibration in Merchant Ship.
ISO 6954-2000, 2000, Mechanical Vibration-Guidelines for the Measurement, Reporting and Evaluation of Vibration with Regard to Habitability on Passenger and Merchant Ship.
Bryndum, L. and Jakobsen, S. B., 1987, Vibration Charateristic of Two Stroke Low Speed Diesel Engine, International Marine Propulsion Conference, 9th, pp. 22-49.

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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