최적 러그 배치를 위한 골리앗 크레인의 와이어 로프와 선체 블록간의 동적 접촉력 계산 Calculation of the Dynamic Contact Force between a Shipbuilding Block and Wire Ropes of a Goliath Crane for the Optimal Lug Arrangement원문보기
본 연구에서는 선체 블록의 운반 작업 중 발생하는 동적 하중 및 골리앗 크레인의 와이어 로프(wire rope)와 선체 블록간의 동적 접촉력을 고려한 최적 러그 배치 시스템을 설계하고, 다물체계 동역학 커널과 외력 계산 커널을 개발하였다. 다물체계 동역학 커널은 recursive formulation을 이용하여 운동 방정식을 구성하였고, 외력 계산 커널은 비선형 유체 정역학적 힘, 선형 유체 동역학적 힘, 풍력, 계류력을 계산할 수 있다. 개발된 커널의 효용성을 검증하기 위해, 이를 이용하여 와이어 로프와 블록간의 간섭과 이때 작용하는 동적 접촉력을 계산하였고, 마지막으로 계산 결과를 반영하여 러그가 부착된 블록에 대한 구조 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 선체 블록의 운반 작업 중 발생하는 동적 하중 및 골리앗 크레인의 와이어 로프(wire rope)와 선체 블록간의 동적 접촉력을 고려한 최적 러그 배치 시스템을 설계하고, 다물체계 동역학 커널과 외력 계산 커널을 개발하였다. 다물체계 동역학 커널은 recursive formulation을 이용하여 운동 방정식을 구성하였고, 외력 계산 커널은 비선형 유체 정역학적 힘, 선형 유체 동역학적 힘, 풍력, 계류력을 계산할 수 있다. 개발된 커널의 효용성을 검증하기 위해, 이를 이용하여 와이어 로프와 블록간의 간섭과 이때 작용하는 동적 접촉력을 계산하였고, 마지막으로 계산 결과를 반영하여 러그가 부착된 블록에 대한 구조 해석을 수행하였다.
In this study, dynamic load and dynamic contact force between a building block and wire ropes of a goliath crane are calculated during lifting or turn-over of a building block for the design of an optimal lug arrangement system. In addition, a multibody dynamics kernel for implementing the system we...
In this study, dynamic load and dynamic contact force between a building block and wire ropes of a goliath crane are calculated during lifting or turn-over of a building block for the design of an optimal lug arrangement system. In addition, a multibody dynamics kernel for implementing the system were developed. In the multibody dynamics kernel, the equations of motion are constructed using recursive formulation. To evaluate the applicability of the developed kernels, the interferences and dynamic contact force between the building block and wire ropes were calculated and then the hull structural analysis for the block was performed using the calculation result.
In this study, dynamic load and dynamic contact force between a building block and wire ropes of a goliath crane are calculated during lifting or turn-over of a building block for the design of an optimal lug arrangement system. In addition, a multibody dynamics kernel for implementing the system were developed. In the multibody dynamics kernel, the equations of motion are constructed using recursive formulation. To evaluate the applicability of the developed kernels, the interferences and dynamic contact force between the building block and wire ropes were calculated and then the hull structural analysis for the block was performed using the calculation result.
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제안 방법
본 작업은 육상에서 이루어지기 때문에 바람에 의한 힘만을 고려하였다. 개발된 커널들을 이용하여 이 과정에서 발생하는 동적 하중을 계산하였다. 그림 6은 정적 하중과 동적 하중의 계산 결과를 나타낸 것이다.
그러나 이상의 논문들은 블록이나 크레인이 바람이나 유체력 등을 받아 발생하는 움직임에 의한 동적 하중 변화, 그리고 와이어 로프와 블록간의 간섭으로 인하여 발생하는 하중에 대해서는 고려하지 않았다. 따라서 본 연구에서는 동적 접촉력을 고려한 최적 러그 배치 시스템을 설계하고, 배치 시스템의 설계 과정에 따라 와이어 로프와 선체 블록간의 동적 접촉력을 계산하였고, 이를 반영하여 러그가 부착된 부위의 블록의 구조 해석을 수행하였다.
본 논문에서는 다음과 같은 방법을 이용하여 가상 마찰계수 μ를 계산하였다.
본 연구에서는 기존 연구에서 블록의 구조 해석의 입력 값으로서 고려하지 않았던 동적 하중과 와이어 로프와 블록간의 간섭에 의한 동적 접촉력을 자체 개발한 다물체계 동역학 커널을 이용하여 계산하였다. 시뮬레이션에서 계산된 결과를 보면 동적 하중을 고려하지 않았을 때에 비하여 약 20%의 응력이 블록에 더 작용하는 것을 알 수 있다.
본 연구에서는 앞서 설계한 “동적 접촉력을 고려한 최적 러그 배치 시스템” 중 다물체계 동역학 커널과 외력 계산 커널을 개발하여 블록의 운반 작업 중 발생하는 동적 하중과 동적 접촉력을 계산(③, ④ 과정)하고, 그 결과를 이용하여 러그가 부착된 블록의 구조 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 와이어 로프와 블록간의 동적 접촉력을 고려한 최적 러그 배치를 위하여 그림 2와 같은 시스템을 설계하였다. ① 먼저 러그 배치 전문가(lug arrangement expert)가 러그의 초기 배치(lug arrangement)를 결정한 뒤, ② 3차원 블록 정보(3D block data), 블록의 작업 절차(operation sequence), 그리고 러그의 배치 정보(lug arrangement data)를 첫 번째 phase인 “동적 접촉력을 고려한 최적 러그 배치” 프로그램 내의 “규칙 기반 최적 러그 배치 모델(rule based optimum lug arrangement model)”로 전달한다.
와이어 로프와 강체가 접하게 되면 접하는 부분에 간섭 절 점(contact node)를 추가하고, 이 간섭 절점과 강체간에 구속 조건(joint)을 고려하여 다물체계 동역학(multibody dynamics)를 기반으로 운동 방정식을 구성한다. 운동 방정식을 통해 계산한 와이어 로프와 접촉 절점간의 구속력을 이용해 강체에 작용하는 접촉력을 계산한다.
②~③ 과정은 최적화 과정으로서 다양한 최적화 알고리즘을 적용할 수 있으며, 러그 배치에서 고려해야 할 현장의 요구조건을 수학적으로 모델링하여 제약 조건으로 활용할 수 있다. 위의 ①~ ③ 과정은 추후 구현 예정이며, 본 논문에서는 ③~④ 과정의 모듈이 되는 다물체계 동역학 커널을 이용한 접촉력 계산 모듈을 구현하고 테스트하였다.
데이터처리
먼저, 개발된 다물체계 동역학 커널과 외력 계산 커널을 이용하여 그림 4(c)와 같이 블록 모델을 단순화하여 와이어 로프와 블록간의 동적 접촉력을 계산하였으며, 계산 결과는 그림 5와 같다.
그림 6은 정적 하중과 동적 하중의 계산 결과를 나타낸 것이다. 이 계산 결과를 이용하여 블록의 구조 해석을 진행하였으며, 그림 7과 그림 8은 각 각 정적 하중과 동적 하중이 블록에 작용할 때 블록의 변형과 블록에 작용하는 응력을 비교한 결과를 보여주고 있다.
이론/모형
운동 방정식 (2)를 풀면 다음 단위 시간에서의 각 물체의 위치, 속도, 가속도 및 구속력을 계산할 수 있다. 그러나 본 운동 방정식 만으로는 계산할 수 없는 마찰력이 있기 때문에 Servin 등이 제시한 준 정적(quasi-static) 식을 이용하여 마찰력을 고려한 절점의 모서리 방향 이동을 계산하였다.
성능/효과
구조 해석 결과, 동적 하중 및 동적 접촉력을 고려했을 때의 블록 변형이 정적 하중만 고려했을 때에 비하여 약 12.28% 크게 계산되었음을 알 수 있었다. 또한 블록에 작용하는 응력은 정적 하중만 고려했을 때에 비하여 약 22.
그림 5에서와 같이 접촉력이 규칙적으로 진동을 하고 있으며, 와이어 로프를 매달고 있는 크레인이 움직이면서 발생한 것이다. 동적 접촉력은 최대 205kN까지 계산되었음을 확인하였다.
28% 크게 계산되었음을 알 수 있었다. 또한 블록에 작용하는 응력은 정적 하중만 고려했을 때에 비하여 약 22.75% 크게 계산 되었음을 알 수 있었다.
본 연구에서는 기존 연구에서 블록의 구조 해석의 입력 값으로서 고려하지 않았던 동적 하중과 와이어 로프와 블록간의 간섭에 의한 동적 접촉력을 자체 개발한 다물체계 동역학 커널을 이용하여 계산하였다. 시뮬레이션에서 계산된 결과를 보면 동적 하중을 고려하지 않았을 때에 비하여 약 20%의 응력이 블록에 더 작용하는 것을 알 수 있다. 물론 본 계산 결과는 블록 탑재 당시 조선소의 측정 데이터를 확보할 수 없어 절대적인 값을 비교하지는 못하였으나, 동적 하중을 고 려했을 때 어느 정도 더 큰 하중이 작용하는지 예측하는데 활용될 수 있을 것이라 예상되며, 더 나아가 조선소에서 사 용하는 크레인의 안전 계수를 보다 정확히 결정하는데 도움을 줄 수 있을 것이다.
후속연구
물론 본 계산 결과는 블록 탑재 당시 조선소의 측정 데이터를 확보할 수 없어 절대적인 값을 비교하지는 못하였으나, 동적 하중을 고 려했을 때 어느 정도 더 큰 하중이 작용하는지 예측하는데 활용될 수 있을 것이라 예상되며, 더 나아가 조선소에서 사 용하는 크레인의 안전 계수를 보다 정확히 결정하는데 도움을 줄 수 있을 것이다. 또한 시뮬레이션에서 대상으로 한 블록의 무게는 약 900ton으로서 최근 대형화되고 있는 3,000ton 급의 블록을 운반할 경우에는 접촉력과 블록의 동적 하중을 고려하는 것이 더욱 중요할 것으로 예상된다. 이에 따라 향 후 본 연구에서 계산한 결과를 조선소의 실제 데이터와 비교하여 결과를 검증할 것이며, 본 연구에서 개발한 커널을 기반으로 3장에서 설명한 “최적 러그 배치 시스템”을 개발할 예 정이다.
시뮬레이션에서 계산된 결과를 보면 동적 하중을 고려하지 않았을 때에 비하여 약 20%의 응력이 블록에 더 작용하는 것을 알 수 있다. 물론 본 계산 결과는 블록 탑재 당시 조선소의 측정 데이터를 확보할 수 없어 절대적인 값을 비교하지는 못하였으나, 동적 하중을 고 려했을 때 어느 정도 더 큰 하중이 작용하는지 예측하는데 활용될 수 있을 것이라 예상되며, 더 나아가 조선소에서 사 용하는 크레인의 안전 계수를 보다 정확히 결정하는데 도움을 줄 수 있을 것이다. 또한 시뮬레이션에서 대상으로 한 블록의 무게는 약 900ton으로서 최근 대형화되고 있는 3,000ton 급의 블록을 운반할 경우에는 접촉력과 블록의 동적 하중을 고려하는 것이 더욱 중요할 것으로 예상된다.
이에 따라 향 후 본 연구에서 계산한 결과를 조선소의 실제 데이터와 비교하여 결과를 검증할 것이며, 본 연구에서 개발한 커널을 기반으로 3장에서 설명한 “최적 러그 배치 시스템”을 개발할 예 정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
규칙 기반 최적 러그 배치 모델은 무엇을 계산하는가?
“규칙 기반 최적 러그 배치 모델”은 모델 내에 정의되어 있는 규칙 즉, 제약 조건(constraint)를 만족하면서 목적 함수 (objective function)를 최소화하는 러그 배치를 계산한다. ③ 이때, 최적 모델에서 정의된 제약 조건과 목적 함수 값은 다물체계 동역학 커널(multibody dynamics kernel)과 외력 계산 커널(external force calculation kernel)에서 계산되며, ④ 다시 “규칙 기반 최적 러그 배치 모델”로 전달한다.
외력 계산 커널은 무엇을 계산할 수 있는가?
본 연구에서는 선체 블록의 운반 작업 중 발생하는 동적 하중 및 골리앗 크레인의 와이어 로프(wire rope)와 선체 블록간의 동적 접촉력을 고려한 최적 러그 배치 시스템을 설계하고, 다물체계 동역학 커널과 외력 계산 커널을 개발하였다. 다물체계 동역학 커널은 recursive formulation을 이용하여 운동 방정식을 구성하였고, 외력 계산 커널은 비선형 유체 정역학적 힘, 선형 유체 동역학적 힘, 풍력, 계류력을 계산할 수 있다. 개발된 커널의 효용성을 검증하기 위해, 이를 이용하여 와이어 로프와 블록간의 간섭과 이때 작용하는 동적 접촉력을 계산하였고, 마지막으로 계산 결과를 반영하여 러그가 부착된 블록에 대한 구조 해석을 수행하였다.
대형 유조선과 같은 대형 선박을 건조할때는 어떠한 공법을 사용하는가?
대형 유조선의 경우 그림 1(a)에서와 같이 길이는 약 320m, 폭은 약 60m, 높이는 약 30m이다. 이러한 대형 선 박을 건조할 때에는 선박을 여러 개의 작은 블록으로 나누어 블록을 먼저 제작한 후, 그림 1(b)에서와 같이 대형 크레인을 이용하여 블록을 들어 올리거나(lifting) 뒤집어(turnover) 도크 내에 블록을 쌓아(탑재, erection) 건조하는 공 법을 사용한다. 이때, 블록에 와이어 로프(wire rope)를 연결하기 위해 사용하는 그림 1(d)와 같은 러그(lug)라는 구 조물을 블록에 용접하여 부착한다.
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