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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 Arrangement 원문보기

한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, v.25 no.5, 2012년, pp.375 - 380  

구남국 (서울대학교 조선해양공학과) ,  노명일 (울산대학교 조선해양공학부) ,  차주환 (목포대학교 해양시스템공학과)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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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참고문헌 (8)

  1. 구남국, 차주환, 박광필, 조아라, 이규열 (2010) Recursive Formulation을 이용한 부유식 풍력 발전기 동적 거동 해석, 한국풍력에너지학회 추계 학술발표회. 

  2. 김상일 (2006) 블록 리프팅 시 Hopper Tank부 균열 발생 가능성 검토를 위한 구조 해석, 한국해양공학회지, 20(1), pp.16-19. 

  3. 연정흠, 김신형, 전석희, 강중규, 허주호 (2006) 대형 블록구조물의 리프팅 시 구조 안정성 평가에 관한 연구, MSC Software 2006 Korea Users Conference, 서울. 

  4. 이수범, 신상범, 김정수, 곽병만 (2001) CAD를 이용한 선박블록의 이동 및 반전 시뮬레이터 DS/Block의 개발, 대한기계학회 춘계 학술발표회, pp.164-169. 

  5. 차주환, 박광필, 구남국, 이규열 (2010) 3D Rankine Panel Method를 이용한 전진 속도가 없는 선박의 시간 영역 운동해석, 서울대학교 선박설계자동화 연구실 내부 연구 보고서. 

  6. Lee, K.Y., Cha, J.H., Park, K.P. (2010) Dynamic Response of a Floating Crane in Waves by Considering the Nonlinear Effect of Hydrostatic Force, Ship Technology Research, 57(1), pp.62 -71. 

  7. Park, K.P., Cha, J.H., Lee, K.Y. (2011) Dynamic Factor Analysis for the Heavy Lifting Operation Considering an Elastic Boom Effects, Ocean Engineering, 38(10), pp.1100-1113. 

  8. Servin, M., Lacoursiere, C., Nordfelth, F., Bodin, K. (2011) Hybrid, Multiresolution Wires with Massless Frictional Contacts, IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, 17(7), pp.970-982. 

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