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문제 정의
- 각각의 요소기술은 완성 단계에 도달하였지만 요소기술을 통합한 통합운용에 대한 연구는 아직까지 미진하다. 따라서 본 연구에서는 심해저 통합 채광 시스템 중 해양 유연 라이저의 안정적인 운용에 대해 고찰하고자 한다.
가설 설정
- 1) 유연관과 버퍼 스위벨 조인트 사이의 장력(상부 끝단 장력)은 작아야 한다.
제안 방법
- 3과 같다. 본 연구는 유연관과 부력재에 관한 연구이므로 명확한 분석과 효율적인 해석 속도를 위해 버퍼와 채광 로봇은 고정조인트를 사용하여 구속하였다. 버퍼와 채광 로봇의 운용 거리는 선박해양플랜트연구소에서 차후 실험을 위해 계획한 폭 50 m, 높이 50 m로 하였다.
- 본 연구에서는 부력재의 위치, 부력 등에 대한 유연관의 형상 및 형상에 따른 유연관의 상부 끝단 장력의 영향을 시뮬레이션 기반으로 수행하였으며, 유연관의 안정적인 운용을 위해 steep wave 형태의 설계를 위한 부력재의 배치 설계를 실시하였다. 심해저 채광 시스템에서 사용할 부력재는 한 모듈당 222 kgf의 부력을 갖는다.
- 부력재의 위치와 수량을 결정하기 위해서 유연관 운용에 가장 중요한 상부 끝단 장력에 대한 영향력과 곡률반경 조건의 적합성을 판별하여 결정하였다. Fig.
- 수중에서 유연관의 전체 중량은 유연관의 자중에 부력을 포함한 값으로 1,345 kgf이므로, 전체 부력재에 의한 부력의 크기를 라이저 중량보다 크거나 작은 범주인 1,000 kgf~2,000 kgf에서 1000, 1250, 1500, 1750, 2000 kgf로 5개의 설계변수를 적용하였다. 장착 위치에 대한 설계 변수는 라이저 번호로써 라이저 한 모듈에 동일한 부력재 수량을 균등한 위치에 장착하고 위치와 수량에 대한 설계 변수는 Table 3에 나타나 있다.
- 심해저 장비의 한 부분인 유연관의 형상 결정에 있어 실험의 어려움 때문에 시뮬레이션 기반의 설계 기법을 이용하여 설계, 계획, 검증을 수행하였다. 차후에는 최적 설계 기법과 동역학 시뮬레이션을 연동하여 더 정확한 설계, 계획, 검증 기법을 연구할 예정이다.
- 오일러-티모센코 빔은 강체와 강체 사이를 힘 요소로 연결함으로써 일반적인 노드(node) 기반의 유한요소법 보다 해석 시간이 빠르며 유사한 거동을 모사하는 장점이 있다. 유연관을 여러 개의 강체로 나누고, 강체들 사이를 오일러-티모센코 빔으로 연결하여 유연관의 수치모델링을 수행하였으며 식 (1)과 같이 표현할 수 있다(Virtual Motion Inc. 2012).
- 지금까지 안정적인 유연관 운용을 위해 steep wave 형태를 유지하기 위한 부력재의 배치 설계를 하였다. 그렇다면 배치 설계 결과가 steep wave 형태를 유지는 하지만 실제로 구조 안전성을 갖고 있는지 확인하여야 한다.
- 부력재의 배치 설계를 위해 사용된 변수로는 유연관을 steep wave 형태로 만들어 주기 위한 부력재의 총 부력, 부력재가 장착될 위치, 장착된 부력재의 개수이다. 총 부력은 5 변수, 부력재 장착 위치는 라이저 번호로써 4 변수, 장착된 부력재의 개수는 4 변수로 정의하였으며 각각의 조합에 따른 결과를 분석하여 설계 반영하고자 한다.
- 부력재의 배치 설계에 앞서 유연관에 필요한 부력을 확인해야 한다. 필요한 부력재의 총 부력 크기를 결정하기 위해서 7번 라이저에 집중하중을 가하여 평가하였다. Table 4는 부력의 집중하중에 의한 라이저의 변형 최대 높이(H)를 보여준다.
대상 데이터
- 이는 부력이 1700 kgf 보다 크게 작용하면 운용하는데 충분하다는 점을 보여준다. 따라서 본 연구에서는 부력재에 의한 전체 부력의 크기를 충분한 값인 1800 kgf를 배치 설계에 사용 하였다.
- 유연관은 복합 재료를 사용하여 열처리 및 건조 과정을 통해 제작되는 복합 재질의 부품이기 때문에 영률과 같은 물리적 특성을 정확하게 알 수가 없다. 따라서 유연관에 사용되는 재질 중 지배적 특성을 갖는 주재료인 tire cord의 특성을 설계 검증 및 시뮬레이션에 이용하였다.
- 본 연구는 유연관과 부력재에 관한 연구이므로 명확한 분석과 효율적인 해석 속도를 위해 버퍼와 채광 로봇은 고정조인트를 사용하여 구속하였다. 버퍼와 채광 로봇의 운용 거리는 선박해양플랜트연구소에서 차후 실험을 위해 계획한 폭 50 m, 높이 50 m로 하였다.
- 해양 라이저는 크게 강관과 유연관으로 구분이 되며 용도에 맞는 라이저를 선별하여 사용해야 한다. 본 연구에서 사용되는 라이저는 유연관으로 채광 로봇이 채집한 광물을 1차 저장소인 버퍼로 운반하는 이송관의 역할을 한다. 유연관은 해양 장비들에 연결되어 있기 때문에 거동이 불안정하면 장비의 파손 및 손실 등의 문제점을 초래할 수 있다.
이론/모형
- 2)과 측정의 어려움으로 인해 거의 불가능하다. 따라서 이러한 문제점을 해결하기 위해 CAE(Computer Aided Engineering) 접근 방식의 설계 기법 중 하나인 SBD(Simulation Based Design)를 이용하여 부력재의 배치 설계(수량, 위치, 부력 등)와 유연관의 구조 안전성 평가를 수행하고자 한다.
- 본 연구에서는 유연관을 동역학 모델로 표현하기 위해서 오일러-티모센코 빔 이론을 사용하였다. 오일러-티모센코 빔은 강체와 강체 사이를 힘 요소로 연결함으로써 일반적인 노드(node) 기반의 유한요소법 보다 해석 시간이 빠르며 유사한 거동을 모사하는 장점이 있다.
- 연구를 위한 수치해석모델은 상용 다물체 동력학 소프트웨어인 DAFUL(Virtual Motion Inc. 2012)을 사용하였으며, 전체적인 시스템 모델은 Fig. 3과 같다. 본 연구는 유연관과 부력재에 관한 연구이므로 명확한 분석과 효율적인 해석 속도를 위해 버퍼와 채광 로봇은 고정조인트를 사용하여 구속하였다.
성능/효과
- 2) 유연관의 변형 시 임계 곡률 반경은 재료 한계인 1.8 m로 제한한다.
- 3) Fig. 6과 같은 steep wave 형태로 유연관이 변형 시 변형 에너지가 작아야 하므로 곡률 반경 R1과 R2의 크기의 차이가 작을수록 좋은 설계 조건이다.
- 라이저에 가해지는 최대 인장력은 8번 관에 작용하였으며 전체적으로 인장력은 10 kN 내외로 이는 재료 특성으로써 최대 인장력 300 kN의 3% 영역으로써 구조적 측면에서 매우 안정적이다. 따라서 본 연구에서의 배치 설계가 라이저의 안정적인 운용에 적합하다고 할 수 있다.
- Table 4는 부력의 집중하중에 의한 라이저의 변형 최대 높이(H)를 보여준다. 부력의 크기가 커질수록 H 또한 높아 지며 유연관의 형태가 급격하게 변화하지만 약 1700 kgf 이상부터는 부력의 크기가 증가하여도 H의 값이 거의 수렴하고 형태도 일정함을 확인할 수 있다. 이는 부력이 1700 kgf 보다 크게 작용하면 운용하는데 충분하다는 점을 보여준다.
- 따라서 상부 끝단 장력과 곡률반경 설계 조건을 기준으로 6 + 7 + 8의 라이저에 부력재를 배치해야 한다. 부력재의 수량에 따른 결과를 보면 모든 곡률반경이 재료한계는 넘어섰고, 6 + 7 + 8 조합 시 2, 3, 4개의 부력재가 존재했을 경우 곡률반경의 차이가 가장 적음을 알 수 있다. 따라서 부력재의 전체 부력이 1800 kgf가 되도록 6, 7, 8 라이저에 각각 2개 이상의 부력재를 배치하면 유연관을 안정적으로 운용할 수 있다.
- 총 해석 시간은 100 sec로 유연관 형상이 steep wave 형상으로 안정화될 때까지 충분히 오래 해석을 수행하였으며, 부력재에 의한 결과를 자세하게 고찰하기 위해서 유연관의 양단은 고정시키고 오직 부력재의 힘과 유연관 부력, 자중에 의해서만 동적 거동이 가능하게 하였다.
후속연구
- 9와 같다. 앞선 결과에서 부력재를 2개 이상씩 6, 7, 8 번 라이저에 장착할 경우 모든 설계 조건을 만족하였고 구조 안전성 또한 확보가 되었기 때문에 Fig. 9의 배치 설계가 실제 운용 시 적용될 수 있고 차기 실험에서 활용할 계획이다.
- 심해저 장비의 한 부분인 유연관의 형상 결정에 있어 실험의 어려움 때문에 시뮬레이션 기반의 설계 기법을 이용하여 설계, 계획, 검증을 수행하였다. 차후에는 최적 설계 기법과 동역학 시뮬레이션을 연동하여 더 정확한 설계, 계획, 검증 기법을 연구할 예정이다.
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