[논문]3 차원 고체요소모델을 활용한 해상풍력터빈 하부구조의 위상최적화

김원철; 정태진

doi:10.3795/ksme-a.2014.38.3.309

3 차원 고체요소모델을 활용한 해상풍력터빈 하부구조의 위상최적화
Topology Optimization of Offshore Wind-Power Turbine Substructure Using 3D Solid-Element Model 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.38 no.3, 2014년, pp.309 - 314

김원철 (군산대학교 기계자동차공학부) , 정태진 (군산대학교 기계자동차공학부)

초록
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기계나 토목 구조물의 형상은 일반적으로 전통적인 방법들을 이용하여 얻었다. 예를 들면 전력송전탑이나 해상풍력 하부구조물 이외의 다른 구조물들도 조직적으로 만든다. 한편 컴퓨터 그래픽의 급속한 성장으로 인해, 진화된 구조해석 및 최적설계기법들을 이용하고 있다. 본 논문에서는 해상 풍력 터빈을 위한 자켓 구조물의 구조형상을 위상최적화 기법을 통하여 연구하였다. 이번 연구는 실제작동하중상태로 시뮬레이션을 위하여 다 하중으로 종속시켰으며, 최적화 목적 함수는 주어진 경계조건아래 컴플라이언스로 정의하였다. 최적화는 고유진동수와 체적을 구속함수로 사용하였으며, 1 단계 모델의 결과는 2 단계 구조를 위한 외형을 빠르게 볼 수 있도록 한다. 그 결과로 사각뿔대의 3D 모델은 위상최적화를 통하여 개발하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The structural layout of mechanical and civil structures is commonly obtained using conventional methods. For example, the shape of structures such as electric transmission towers and offshore substructures can be generated systematically. However, with rapid advancements in computer graphic technology, advanced structural analyses and optimum design technologies have been implemented. In this study, the structural shape of a jacket substructure for an offshore wind turbine is investigated using a topology optimization technique. The structure is subjected to multiple loads that are intended to simulate the loading conditions during actual operation. The optimization objective function is defined as one that ensures compliance of the structure under the given boundary conditions. Optimization is carried out with constraints on the natural frequency in addition to the volume constraint. The result of a first step model provides quick insights into the optimum layout for the second step structure. Subsequently, a 3D model in the form of the frustum of a quadrilateral pyramid is developed through topology optimization.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

Table 4 는 2 단계 모델에 FCCD 의 방법으로 실험값을 추출해서 여러 위상최적화 결과를 나타내었다. 2 단계 모델은 1 단계에서 얻은 결과를 비교함과 동시에 실제 개념모델링을 위한 기초자료로 사용하기 위하여 진행하였다. Table 3 과 비교하여 보면 표면만을 다루었기 때문에 구조물의 강성을 높여주는 표면에 부재가 나타남을 알 수 있다.
본 논문에서는 해상풍력 자켓 구조물을 개념설계부문에 대하여 논의하고자 한다. 자켓 구조물은 흔히 역학에서 말하는 트러스 구조의 응용이다.

제안 방법

가장 먼저 1 단계 FE 모델을 가지고 위상최적화를 시작한다. 1 단계 위상최적화 결과를 일차적으로 정의하고, 2 단계 FE 모델을 이용하여 최종적으로 하부 구조물의 위상최적화를 마친다. 이 최적화 결과를 활용하여 두 모델의 상관성을 분석하고 재설계를 하면서 유한요소해석을 한다.
Table 3 은 1 단계 모델에 FCCD 의 실험값에 따라 여러 최적화 결과를 나타내었다. 고체요소를 사용하여 기본적으로 위상최적화 설계영역을 고찰하였다. 각각의 결과를 보면 하중이 인가된 부분만 점으로 나타나고 구조물의 다리에 해당하는 부분만 재료가 필요한 것으로 볼 수 있다.
수치해석에 사용할 재료는 강으로 하였다. 또한 상용소프트웨어인 OptiStruct 11 을 사용하여 위상최적화 결과를 얻었다. 식 (2)를 프로그램에 대입하여, 수치해석을 진행하였다.
설계하중의 산정은 식 (1)을 참조하였으며, 고체요소 표면에 일반적인 아래의 하중을 각각 인가하였다. 본 논문에서는 임계적인 하중은 고려하지 않았으며, 다 하중의 영향에 따른 위상 최적화를 고려하였다.
(b)는 2단계 모델로서 1 단계의 결과를 바탕으로 그의 외형에 따라 3 차원 고체모델을 만들었다. 속이 빈사각 뿔대를 사용하여 FE 모델링을 한 후 다시 한번 위상최적화를 수행한다. 그리고 (a)와 (b)의 결과를 통하여 위상최적화를 활용한 개념설계에 대하여 논의한다.
Table 2 는 재료 물성 기본 상수이며, 이 표의 값을 사용하여 모델에 적용하였다. 수치해석에 사용된 부재 크기 제어는 각 모델에서 일정하게 분할된 육각형 요소의 크기를 변화시켜 위상의 변화를 관찰하였다. 이 방법은 제한된 범위 내에서 요소의 크기를 입력하여야 하므로 실험계획법 중 FCCD 의 방법⁽⁸⁾을 이용하여 각각의 요소크기를 산정하였다.
3, 4 는 1, 2 단계 위상최적화의 이력곡선을 나타내었다. 위상최적화를 통해서 얻은 레이아웃의 바탕으로 재설계를 실시하였으며, 유한요소해석을 통하여 최적화 전, 후의 결과양상을 다시 비교하였다. Fig.
1 단계 위상최적화 결과를 일차적으로 정의하고, 2 단계 FE 모델을 이용하여 최종적으로 하부 구조물의 위상최적화를 마친다. 이 최적화 결과를 활용하여 두 모델의 상관성을 분석하고 재설계를 하면서 유한요소해석을 한다.
이러한 트러스 구조도 적절하게 배치되어야 적은 소재로 최대의 활용도를 높일 수 있다. 이에 따라 3차원 고체모델로 위상최적화를 수행하여 외형의 개념을 얻은 다음, 3 차원의 속이 빈 모델을 활용하여 다시 한번 위상최적화를 통한 자켓 구조물의 전체적인 외형을 파악해 볼 것이다. 이에 따라 환경하중을 받는 비슷한 구조물에 대해서 유사한 방법으로 개념설계에 많은 도움이 될 것으로 판단된다.
지금까지 살펴본 환경하중을 사용하여 극한 상태로 취하여 외부하중조건으로 대입하였다. 유한 요소해석을 실시한 다음, 최적화를 진행할 것이다.

대상 데이터

대상 해석 모델은 하부구조물의 외형을 본 따서 3 차원 고체 모델링을 진행한다. 모델링 순서는 두 단계로 진행한다.

이론/모형

수치해석에 사용된 부재 크기 제어는 각 모델에서 일정하게 분할된 육각형 요소의 크기를 변화시켜 위상의 변화를 관찰하였다. 이 방법은 제한된 범위 내에서 요소의 크기를 입력하여야 하므로 실험계획법 중 FCCD 의 방법⁽⁸⁾을 이용하여 각각의 요소크기를 산정하였다.
일반적인 환경상황에서는 파력 하중의 영향이 적지만 강풍이나 태풍, 해일이 일어날 때, 파력 하중은 구조물에 파동 충격 하중을 주어 파손의 위험이 있기 때문에 많은 연구가 필요한 부분이다. 해류의 운동방정식 중 하나로서 스토크스 5차이론 ⁽³⁾ 을 사용하여 집중하중으로 인가하였다.

성능/효과

(1) 1 단계 모델을 활용하여 고체요소에서의 주어진 하중에 대한 위상최적화 결과를 얻었으며, 속이 빈 형태를 얻을 수 있었다.
(2) 2 단계 모델은 1 단계 위상최적화 결과를 바탕으로 하여 모델에 대한 재해석과 동시에 표면에 점으로 나타났던 부분에 대해서 상세적인 위상최적화 결과를 얻을 수 있었다.
(4) 본 연구를 통하여 해상풍력터빈의 자켓 형태인 하부구조의 개념설계 결과를 얻었으며, 다리는 기존과 동일하며, 브레이싱 부분은 X 자 형태의 위상최적화 결과를 얻었다. 이를 통하여 후행 연구에 도움이 되기를 바란다.
1 차 고유진동수는 같은 조건이라 하더라도 각 연결부의 정확한 묘사 등에 따라 오차가 발생을 하였다. 재해석 결과를 통하여 위상최적화가 실제 설계모델에 부합하는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 지금의 연구는 환경하중을 집중하중으로 변경하여 구조물에 인가하였다.

후속연구

실제 존재하는 해석 대상에는 주요 환경하중이 분포하중으로 인가 됨으로써 현재의 해석과 최적화 과정에서 오차가 발생 수 있다. 그러므로 차후 연구는 오차를 줄일 수 있고, 더욱이 하중 부여 방법과 함께 분포하중으로 다시 인가하여 레이아웃을 재검토해 보아야 할 것이다. 또한 본 연구에서는 정수압을 포함하여 하중으로 인가를 하였지만, 정수압이 제거되고 수면에 잠긴 부분이 해류하중만 작용한다면 어떻게 위상최적화가 진행될 지 후행연구를 해야 한다.
그러므로 차후 연구는 오차를 줄일 수 있고, 더욱이 하중 부여 방법과 함께 분포하중으로 다시 인가하여 레이아웃을 재검토해 보아야 할 것이다. 또한 본 연구에서는 정수압을 포함하여 하중으로 인가를 하였지만, 정수압이 제거되고 수면에 잠긴 부분이 해류하중만 작용한다면 어떻게 위상최적화가 진행될 지 후행연구를 해야 한다.
(4) 본 연구를 통하여 해상풍력터빈의 자켓 형태인 하부구조의 개념설계 결과를 얻었으며, 다리는 기존과 동일하며, 브레이싱 부분은 X 자 형태의 위상최적화 결과를 얻었다. 이를 통하여 후행 연구에 도움이 되기를 바란다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자켓의 역할은 무엇인가	자켓은 4~8 개의 원통형 상부구조의 자체 무게와 바람, 파도, 조류 등 수평방향 외력에 저항하는 역할을 한다. 이 구조물은 주로 수심 100~150m 내외의 해역에 많이 설치되었지만 기술의 발달로 최고 수심 300m 의 깊은 바다에도 설치되는 등 대형화 되고 있다.
	풍력발전기은 무엇으로 구성되어 있는가	해상구조물에서 풍력발전기의 구성은 블레이드, 나셀, 나셀을 지지할 타워, 그리고 타워의 지지부로서 하부구조물인 자켓이 있다. 또한 육상과 달리 설치 장소가 해양의 특성을 가지고 있기 때문에 공기역학과 더불어 파랑하중을 생각해야 한다.
	자켓 구조물은 어디에 설치되는가	자켓은 4~8 개의 원통형 상부구조의 자체 무게와 바람, 파도, 조류 등 수평방향 외력에 저항하는 역할을 한다. 이 구조물은 주로 수심 100~150m 내외의 해역에 많이 설치되었지만 기술의 발달로 최고 수심 300m 의 깊은 바다에도 설치되는 등 대형화 되고 있다.(1)

참고문헌 (8)

Choi, K. S., 2010, "Introduction of Offshore-Plant," Munundang, Seoul, pp. 26, 30.
Germanischer Lloyd, 2010, IV. Rules and Guidelines Industrial Services - 1. Guideline for the Certification of Wind Turbines, 2010 edition.
Kim, k. D., Choi, D. H., Sim, J. S. and Kim, K. C., 2011, "Development and Design of Offshore Wind Turbine Support Structures," KSCE Magazine, Vol.59, No.5, pp.28-37.
Kim, W. C., Henry, P., Ahn, I. G. and Chung, T. J., 2012, "Design of Telescopic Boom for Aerial Lifts Using Topology, Shape, and Size Optimization," KSME CAE Spring Conference, pp.285-286.
Bruns, T. E., 2007, "Topology Optimization by Penalty(TOP) Method," Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Vol. 196, pp.4430-4443.

상세보기
Saitou, K., Izui, K., Nishiwaki, S. and Papalambros, P., 2005, "A Survey of Structural Optimization in Mechanical Product Development," Journal of Computing and Information Science in Engineering, Vol. 5, pp.214-226.

상세보기
Altair Engineering, 2010, Optistruct Training Manual.
PIDOTECH Inc, 2012, PIAnO 3.5 Tutorial Manual.

저자의 다른 논문 :

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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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