선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
가설 설정
- 모바일하버용 크레인에서 사용하는 2 단 트롤리는 스프레더와 트롤리의 상하, 전후, 좌우 운동의 제어를 통해 해상에서 컨테이너를 안전하게 이송하는 기능을 한다. 트롤리의 질량 20 ton 은 붐 끝 단에 달린 와이어에 질량으로 가해지고, 스프레더와 컨테이너의 질량 40 ton 은 같은 절점에 외력으로 가하였다. 따라서 붐 양단에 10 ton 의 질량과 196.
제안 방법
- 기존의 연구에서는 모바일하버용 크레인의 설계방법으로 동적계수를 이용한 정적 응답 최적설계를 수행하였다.(1) 그러나 이 방법으로는 불안정한 해상상황의 동적 응답을 구현하는데 한계가 있으므로, 본 연구에서는 동적 응답 최적설계(2)를 이용해 동적 특성을 보다 사실적으로 구현하여 모바일하버용 크레인을 설계한다.
- 그래서 참조 모델(Reference model)을 정의하고, 설계 대상인 원형 모델(Original model)과 참조모델 간의 상대 변위(Relative displacement)를 통해 구조물의 변형 δ 를 계산한다. 그리고 이를 이용한 등가정하중 산출 방법을 제안한다.
- 때문에 본 연구는 해상환경을 보다 사실적으로 구현하기 위해 동적 응답 최적설계를 적용하였다. 동적 응답 최적설계 수행을 위해 기존에 개발된 등가정하중법을 지지부가 움직이는 구조물에 적용 가능하도록 수정 보완하였다.
- 트롤리의 질량 20 ton 은 붐 끝 단에 달린 와이어에 질량으로 가해지고, 스프레더와 컨테이너의 질량 40 ton 은 같은 절점에 외력으로 가하였다. 따라서 붐 양단에 10 ton 의 질량과 196.2 kN 의 외력이 작용함으로써 2 단 트롤리의 제어효과를 구현하였다.
- 그러나, 기존의 구조설계는 일반적인 크레인의 설계방법을 이용한 정적 응답 최적설계만을 수행하였다. 때문에 본 연구는 해상환경을 보다 사실적으로 구현하기 위해 동적 응답 최적설계를 적용하였다. 동적 응답 최적설계 수행을 위해 기존에 개발된 등가정하중법을 지지부가 움직이는 구조물에 적용 가능하도록 수정 보완하였다.
- 또한, 파도에 의한 모바일하버와 컨테이너선의 상호 운동으로 충돌이 발생할 것을 염려해 붐과 컨테이너 간의 간격을 두었다.
- 모바일하버용 크레인에 대해 3.4 절의 하중조건 하에서 3.5 절의 안전조건을 만족하고, 경량화된 크레인의 설계를 상대 변위 벡터를 이용한 등가정하중법으로 최적화하였다.
- 모바일하버용 크레인은 Fig. 5와 같이 붐(Boom), 붐 링크(Boom link), 상부포스트(Up-post), 하부포스트(Down-post), 후방구조물(Back structu-re), 베이스(Base), 그리고 와어어 로프(Wire rope)인 7가지 부분으로 구분하였다. 크레인의 크기는 파나막스급 컨테이너선의 화물을 상하역 할 수 있도록 정하였다.
- 으로 새로운 해상 컨테이너 운송 수단이다. 본 연구에서는 모바일하버에 설치되는 크레인을 설계한다. 모바일하버용 크레인은 해상 작업환경에서 안정성을 갖고, 이동에 용이하기 위해 가벼워야 한다.
- 설계변수는 총 21 개로 모바일하버용 크레인보 요소의 단면 치수이다. 크레인의 경량화를 위해 목적함수는 크레인 보 요소와 트러스요소의 질량이다.
- 그래서 정확한 등가정하중의 산출을 위해서는 지지부의 운동에 따른 관성력의 영향만을 고려한 변위 벡터를 이용해야만 한다. 이를 구하기 위해서 참조 모델을 통한 상대 변위 벡터를 이용하는 방법을 제안하였다.
- (3,4) 그러나 모바일하버용 크레인과 같이 지지부가 움직이는 문제에서는 변위 벡터를 그대로 이용하면 등가정하중 값이 부정확하게 산출된다. 이를 보완하기 위해 외력에 의한 변형이 일어나지 않는 참조 모델을 정의하고, 설계 대상 구조물과 참조 모델의 상대 변위 응답을 이용해 정확한 값을 산출하는 법을 개발한다. 이를 통해 상대 변위 응답을 이용한 등가정하중법을 제안한다.
- 이를 보완하기 위해 외력에 의한 변형이 일어나지 않는 참조 모델을 정의하고, 설계 대상 구조물과 참조 모델의 상대 변위 응답을 이용해 정확한 값을 산출하는 법을 개발한다. 이를 통해 상대 변위 응답을 이용한 등가정하중법을 제안한다.
- 제안한 방법을 이용하여, 해상상황에서 안전하고 경량화된 모바일하버용 크레인에 대한 동적응답 최적설계를 수행하였다. 기존에 모바일하버용 크레인의 설계에서 사용한 동적 계수를 이용한 정적 응답 최적설계를 이용했을 때의 결과를 제안한 방법의 결과와 비교하였다.
- 제안한 방법을 이용한 동적 응답 최적설계를 모바일하버용 크레인에 적용해 해상에서 안전한 작업이 가능하고 경량화 된 크레인을 설계한다. 추가로 제안한 방법의 우수성 검증을 위해, 기존에 모바일하버용 크레인 설계에 사용한 동적 계수를 이용한 정적 응답 최적설계(1)를 이용한 결과와, 본 연구에서 제안하는 동적 응답 최적설계를 이용한 결과를 비교한다.
- 5와 같이 붐(Boom), 붐 링크(Boom link), 상부포스트(Up-post), 하부포스트(Down-post), 후방구조물(Back structu-re), 베이스(Base), 그리고 와어어 로프(Wire rope)인 7가지 부분으로 구분하였다. 크레인의 크기는 파나막스급 컨테이너선의 화물을 상하역 할 수 있도록 정하였다. 파나막스급 컨테이너선은 4419 TEU급 컨테이너선을 기준으로 하였다.
- 5°의 크기로 크레인의 지지부가 움직이도록 정하였다. 파도와 같이 주기적인 가진력에 노출된 구조물은 고유진동수와 연관이 있지만, 모바일하버용 크레인이 해양에서 작업하는 실제 거동을 모사하기 위해 고유진동수 대역에서의 구조물의 응답을 분석하기 보다는 기존에 해상구조물에 가한 파도의 대역을 크레인 지지부의 운동으로 사용하였다. 여러 대역의 파도 중에서 정현파의 특성을 갖고, 구조물에 충분한 크기의 외력을 가하는 파도를 선정하기 위해 파도의 주기와 상하동요의 크기는 한국해양연구원 해양시스템안전연구소의 보고서(9)를 참고하였다.
- 파도의 주기 Tp는 8 초이고, 상하동요는 +1.3 m, -1.0 m, 횡동요와 종동요는 각각 ±1.5°의 크기로 크레인의 지지부가 움직이도록 정하였다.
- 1과 같이 해석영역과 설계영역으로 구분 한다. 해석영역에서는 동적 응답 해석의 결과를 이용해 등가정하중을 산출하고, 설계영역에서는 산출된 등가정하중을 이용해 정적 응답 최적설계를 수행한다.
- 여러 대역의 파도 중에서 정현파의 특성을 갖고, 구조물에 충분한 크기의 외력을 가하는 파도를 선정하기 위해 파도의 주기와 상하동요의 크기는 한국해양연구원 해양시스템안전연구소의 보고서(9)를 참고하였다. 횡동요와 종동요의 크기는 기존 모바일하버용 크레인 최적설계(1)에서 적용한 수치를 사용하였다.
대상 데이터
- 와이어 로프는 인장응력이 주로 받으므로 트러스 요소를 사용하였다. 보 요소 단면은 붐, 붐 링크 그리고 후방구조물은 사각 중공축으로 포스트와 베이스는 원형 중공축으로 선정하였다. 보 요소의 재료명은 크레인 제작에서 일반적으로 사용하는 SM490YB 이다.
- 보 요소 단면은 붐, 붐 링크 그리고 후방구조물은 사각 중공축으로 포스트와 베이스는 원형 중공축으로 선정하였다. 보 요소의 재료명은 크레인 제작에서 일반적으로 사용하는 SM490YB 이다. 트러스 요소는 주로 동하중하에서 사용하는 와이어 로프(6)의 물성치를 사용하였다.
- 보 요소의 재료명은 크레인 제작에서 일반적으로 사용하는 SM490YB 이다. 트러스 요소는 주로 동하중하에서 사용하는 와이어 로프(6)의 물성치를 사용하였다. 재료의 물성치는 Table 1 이다.
- 크레인의 크기는 파나막스급 컨테이너선의 화물을 상하역 할 수 있도록 정하였다. 파나막스급 컨테이너선은 4419 TEU급 컨테이너선을 기준으로 하였다. 컨테이너는 갑판으로부터 6단으로 적재되어 있는 상태이다.
데이터처리
- 제안한 방법을 이용하여, 해상상황에서 안전하고 경량화된 모바일하버용 크레인에 대한 동적응답 최적설계를 수행하였다. 기존에 모바일하버용 크레인의 설계에서 사용한 동적 계수를 이용한 정적 응답 최적설계를 이용했을 때의 결과를 제안한 방법의 결과와 비교하였다. 기존 방법에 비해 제안한 방법의 결과에서 크레인의 무게가 16.
- 제안한 등가정하중법의 우수성을 검증하기 위해 동적 계수를 이용한 정적 응답 최적설계와 비교하였다. 먼저 작업하중에 대한 동적계수는 충격계수 Ci 와 작업계수 Ci 를 사용하였다.
- 제안한 방법을 이용한 동적 응답 최적설계를 모바일하버용 크레인에 적용해 해상에서 안전한 작업이 가능하고 경량화 된 크레인을 설계한다. 추가로 제안한 방법의 우수성 검증을 위해, 기존에 모바일하버용 크레인 설계에 사용한 동적 계수를 이용한 정적 응답 최적설계(1)를 이용한 결과와, 본 연구에서 제안하는 동적 응답 최적설계를 이용한 결과를 비교한다.
이론/모형
- 동적 응답 최적설계법의 한 방법인 등가정하중법을 사용한다.(3,4) 등가정하중법은 동하중을 적절한 정하중으로 변환한 후, 정적 응답 최적화 기법을 사용하여 문제를 해결하는 방법이다.
- 좌굴에 의한 크레인의 파손은 반드시 고려해야 하는 중요한 안전요구사항이다. 따라서 산업안전보건법(7)의 계산식을 이용해 허용좌굴응력을 정하였다.
- 모바일하버용 크레인의 유한요소모델은 Altair Hyperwork 10.0 의 Hypermesh(5)를 이용해 모델링하였다. 와이어 로프는 인장응력이 주로 받으므로 트러스 요소를 사용하였다.
- 동적 응답 최적설계는 동하중이 가해지는 구조물의 응답을 최적화하는 설계 방법이다. 본 연구에서는 동적 응답 최적화 기법 중 등가정하중법을 사용한다. 등가정하중법은 구조물에 동하중이 가해질 때 동하중에 의해 생기는 변위장과 동일한 변위장을 만들 수 있는 등가의 정하중을 이용해 정적 최적설계를 수행하는 방법이다.
- 1(10)을 사용하였다. 상대 변위 벡터 계산 및 상대 변위 벡터와 강성행렬의 곱은 MD Nastran 에 탑재되어 있는 DMAP 알고리즘(11)을 이용하였다. 설계영역에서의 정적 최적화 역시 MD Nastran 2010.
- 상대 변위 벡터 계산 및 상대 변위 벡터와 강성행렬의 곱은 MD Nastran 에 탑재되어 있는 DMAP 알고리즘(11)을 이용하였다. 설계영역에서의 정적 최적화 역시 MD Nastran 2010.1(10)를 사용하였다.
- 파도와 같이 주기적인 가진력에 노출된 구조물은 고유진동수와 연관이 있지만, 모바일하버용 크레인이 해양에서 작업하는 실제 거동을 모사하기 위해 고유진동수 대역에서의 구조물의 응답을 분석하기 보다는 기존에 해상구조물에 가한 파도의 대역을 크레인 지지부의 운동으로 사용하였다. 여러 대역의 파도 중에서 정현파의 특성을 갖고, 구조물에 충분한 크기의 외력을 가하는 파도를 선정하기 위해 파도의 주기와 상하동요의 크기는 한국해양연구원 해양시스템안전연구소의 보고서(9)를 참고하였다. 횡동요와 종동요의 크기는 기존 모바일하버용 크레인 최적설계(1)에서 적용한 수치를 사용하였다.
- 풍하중은 산업안전보건법(7)과 Crane and Derricks(8)의 풍하중 계산식을 다음과 같이 조합하였다.
- bLB 와 bUB 는 각 설계변수의 하한조건과 상한조건이다. 해석영역에서 설계 대상 모델과 참조 모델의 동적 응답 해석은 MD Nastran 2010.1(10)을 사용하였다. 상대 변위 벡터 계산 및 상대 변위 벡터와 강성행렬의 곱은 MD Nastran 에 탑재되어 있는 DMAP 알고리즘(11)을 이용하였다.
성능/효과
- (1) 모바일하버에서 사용하는 크레인과 같이 선박에 설치된 대형 구조물은 파도에 의한 지지부 운동으로 관성력의 영향을 크게 받는다. 이런 해상상황에서 모바일하버용 크레인이 여러 안전조건을 모두 만족하는 지에 대한 정확한 검증이 필요하다.
- 6 은 동적 응답 최적설계 결과이다. 5 번의 순환과정을 수행했으며 목적함수는 410.2 ton 에서 309.6 ton 으로 24.5% 가량 감소하였다. 그리고 초기에 위반했던 제한 조건을 모두 만족하였다.
- 결과적으로 모바일하버용 크레인의 설계에서 동적 계수를 이용한 정적 응답 최적설계는 동적 효과를 완전히 구현하지 못하였다. 반면, 제안한 등가정하중법을 이용한 동적 응답 최적설계는 정적 응답 최적설계보다 목적함수인 질량 최소화를 성공적으로 수행하고, 모든 제한조건을 만족하는 최적해를 찾는다.
- 반면, 제안한 등가정하중법을 이용한 동적 응답 최적설계는 정적 응답 최적설계보다 목적함수인 질량 최소화를 성공적으로 수행하고, 모든 제한조건을 만족하는 최적해를 찾는다. 그래서 제안한 동적 응답 최적설계방법인 상대 변위를 이용한 등가정하중법은 동적계수를 이용한 정적 응답 최적설계보다 동적 효과를 충분히 고려하는 설계방법임이 검증된다.
- 8% 위반하였다. 그러므로 제안한 방법은 기존 방법보다 우수한 해를 찾았다고 볼 수 있다.
- 기존에 모바일하버용 크레인의 설계에서 사용한 동적 계수를 이용한 정적 응답 최적설계를 이용했을 때의 결과를 제안한 방법의 결과와 비교하였다. 기존 방법에 비해 제안한 방법의 결과에서 크레인의 무게가 16.3 ton 적었다. 그리고 기존 방법을 이용한 최적해를 동적 응답 해석에 적용하였을 경우 붐 처짐각 제한조건을 168.
- 결과적으로 모바일하버용 크레인의 설계에서 동적 계수를 이용한 정적 응답 최적설계는 동적 효과를 완전히 구현하지 못하였다. 반면, 제안한 등가정하중법을 이용한 동적 응답 최적설계는 정적 응답 최적설계보다 목적함수인 질량 최소화를 성공적으로 수행하고, 모든 제한조건을 만족하는 최적해를 찾는다. 그래서 제안한 동적 응답 최적설계방법인 상대 변위를 이용한 등가정하중법은 동적계수를 이용한 정적 응답 최적설계보다 동적 효과를 충분히 고려하는 설계방법임이 검증된다.
- 3 ton 크다. 정적 응답 최적설계를 통한 결과 값은 제한 조건 위반이 없이 수렴하였지만, 수렴한 설계변수 값을 이용해 동적 응답 해석을 수행해 본 결과 붐 처짐각 제한조건을 168.8% 위반하였다.
- 7 은 정적 응답 최적설계의 결과이다. 최적해는 목적함수인 질량이 325.8 ton 으로 초기값에 비해 20.6% 감소하고, 제한조건을 만족하였다.
후속연구
- 때문에 동적 응답 해석을 위한 계산량이 굉장히 많은 문제에 제안 방법을 적용하면 연산에 대한 부담이 크다. 향후, 참조 모델의 새로운 정의 방법으로 계산량을 줄이는 방법, 혹은 한 번의 동적 응답 해석으로 원형 모델과 참조 모델의 상대 변위를 구하는 방법 등의 연구가 진행된다면 제안한 방법의 부족한 점을 보완할 수 있을 거라 사료된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.