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문제 정의
- WHPGS의 플랫폼 주요 구조부재 배치 형상검토에 대해 위상 최적화를 응용하기 전에 HDM과 DM을 솔리드 요소로 구성된 단순화 구조물에 적용하여 결과를 비교 검토함으로써 동일한 솔리드 요소로 구성되는 WHPGS의 플랫폼의 위상최적화에 대해서 좀 더 효율적인 이론을 선정하고자 하였다. 단순화 설계 문제로서 외팔보 형태 구조물의 주요 설계치수와 재료 물성치는 Table 1에 나타나 있다.
- WHPGS 플랫폼은 기존의 개발되었거나 정형화된 해양구조물이 아니기 때문에 개념 설계 단계에서 해양설계 코드나 선급규정에서 정의하는 명확한 설계하중조건을 적용하기 어렵다고 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 WHPGS 플랫폼이 설치되는 해역의 해양환경하중과 플랫폼에 장착되는 발전시스템과 같은 부가물의 하중을 고려하여 설계하중 조건을 산출하였다. 해양환경하중을 산출하기 위해서 WHPGS의 설치해역의 환경조건인 50년 주기 설계파고 9.
- 본 논문은 위상 최적화 방법을 응용하여 개념설계 단계에서 10 MW급 부유식 파력-풍력 복합발전 시스템(Wave-wind Hybrid Power Generation System, WHPGS)의 플랫폼(platform) 주요 구조부재 배치 형상설계의 검토를 목적으로 한다. WHPGS 플랫폼에 대한 위상최적화를 수행하기 전에 HDM과 DM의 이론적 배경에 대해서 고찰하고, 효율적인 이론 적용을 위하여 솔리드(solid) 요소로 구성된 단순화 구조설계 문제에 대해서 각각의 위상최적화 이론을 적용하여 수치계산을 수행하였으며 그 결과를 비교·검토하였다.
- 본 연구에서는 최적화 설계 이론 중에 하나인 위상최적화 방법을 적용하여 WHPGS 플랫폼의 개념설계설계 단계에서 주요 구조 부재 배치의 유의한 설계안 도출을 검토하였다. 대표적인 위상최적화 이론인 HDM과 DM을 솔리드육면체 유한요소로 구성된 단순화 구조설계 문제에 각각 적용하여 요소밀도 분포, 목적함수 및 제한조건함수의 수렴결과를 비교 검토하였다.
제안 방법
- 동수력학 해석에서 설치해역의 설계파와 조류와 같은 해양환경하중을 적용하여 WHPGS 플랫폼과 계류삭(mooring line)에 발생하는 압력분포와 인장력을 산출하였다. FEA에서는 솔리드 요소를 사용하여 기초 WHPGS 플랫폼을 모델링하고 동수력학 해석에서 산출된 플랫폼 압력분포와 계류삭 인장력, 그리고 주요발전 시스템의 중량을 하중조건으로 적용하였으며, 관성제거법(inertia relief method)을 사용하여 구속조건을 설정하여 구조해석을 수행하였다. 위상최적화 수행을 통해 개념설계단계에서 WHPGS 플랫폼의 주요 구조부재 형상 설계안을 제시하였고, 유한요소의 형태와 크기에 따른 위상최적화 결과의 영향도에 대한 검토를 수행하였다.
- 국부적인 요소 밀도분포의 형상의 경우 DM의 경우 HDM과 달리 상단부에서 요소의 소멸을 나타냈고 구속조건 적용부분에서는 HDM의 요소소멸 형상이 사각형상인 반면 DM의 요소 소멸 형상은 포물선 형상으로 나타났다. HDM과 DM이론의 위상최적화 수치계산 성능의 검토는 Fig. 4와 같이 목적함수와 제한조건함수의 수렴결과를 통해 비교하여 도시하였다.
- 단순화된 솔리드 유한 요소 구조설계의 위상최적화 검토를 통해 밀도분포의 균일성, 최적화 수치계산 수렴성 및 제한조건 가역성 측면에 있어서 HDM이 좀 더 우수한 결과를 나타났다. WHPGS 플랫폼에 대한 위상최적화 적용과 관련하여 기초 외형 치수만 결정된 플랫폼에 대해 설치해역 해양환경하중과 플랫폼에 장착되는 발전시스템과 같은 부가물의 하중을 고려하여 설계하중조건을 산출하고 HDM 위상최적화 이론을 기반으로 주요 구조부재 배치 설계를 검토하였다. 위상최적화에 적용된 유한요소의 크기와 형태를 변화시키면서 산출된 요소밀도 분포결과를 검토하였으며 세밀한 요소의 크기와 솔리드 요소형태의 모델을 기반으로 한 위상최적화 결과가 구조부재 배치 설계에 좀 더 적합한 것을 알 수 있었다.
- WHPGS 플랫폼에 대한 위상최적화를 수행하기 전에 HDM과 DM의 이론적 배경에 대해서 고찰하고, 효율적인 이론 적용을 위하여 솔리드(solid) 요소로 구성된 단순화 구조설계 문제에 대해서 각각의 위상최적화 이론을 적용하여 수치계산을 수행하였으며 그 결과를 비교·검토하였다.
- WHPGS 플랫폼에 대한 위상최적화를 수행하기 전에 HDM과 DM의 이론적 배경에 대해서 고찰하고, 효율적인 이론 적용을 위하여 솔리드(solid) 요소로 구성된 단순화 구조설계 문제에 대해서 각각의 위상최적화 이론을 적용하여 수치계산을 수행하였으며 그 결과를 비교·검토하였다. WHPGS 플랫폼에 대한 위상최적화를 응용하기 위하여 기초 외형치수만 결정된 플랫폼에 대한 동수력학 해석(hydrodynamics analysis)과 유한요소해석(Finite Element Analysis, FEA)을 통해 위상 최적화 문제의 하중조건을 설정하였다. 동수력학 해석에서 설치해역의 설계파와 조류와 같은 해양환경하중을 적용하여 WHPGS 플랫폼과 계류삭(mooring line)에 발생하는 압력분포와 인장력을 산출하였다.
- WHPGS 플랫폼의 구조부재 배치 설계와 관련하여 유한요소의 형태에 따른 위상최적화 결과의 변화를 관찰하기 위해 사각 쉘요소를 사용하고 솔리드 육면체 요소를 기준으로 적용된 해석조건을 동일하게 적용하여 Fig. 8과 같이 검토하였다. 쉘요소를 적용한 경우 내부 구조가 비워지기 때문에 이로 인한 질량과 강성의 차이는 쉘요소의 두께, 재료 밀도 및 탄성계수를 조정하여 솔리드 요소 모델과 동일하게 해석모델을 조정하였다.
- 유한요소 모델상의 하중 조건으로 동수력학 해석을 통한 파랑압력을 플랫폼의 표면에 적용하였고, 계류삭 연결점의 최대반력은 절점하중으로 적용하였으며, 270톤의 풍력발전기 4대와 79톤 중량의 파력발전장치(Wave Energy Converter, WEC) 24대의 수직하중을 동시에 고려하였다. 구속조건은 관성제거법을 적용하여 부유체의 실제 운동상태와 유사하게 모사하였다. 관성제거법은 선박, 해양구조물, 항공기, 차량 등과 같이 구속조건이 없이 운동하는 구조체에 대해 일정 가속도를 갖는 정적 평형 상태에서 선형정적해석을 수행하는 방법이다.
- 단순화 설계 문제의 유한요소모델과 하중 및 경계조건은 Fig. 2에 나타나 있으며, 한쪽 끝 단면의 중앙부에서 횡방향으로 1 kN의 단위하중을 적용하였고 반대 쪽 단면은 모든 방향의 변위 자유도를 구속하였다. 외팔보 구조물 유한요소모델은 8 절점 육면체 솔리드 요소를 적용하였으며 12,001개의 요소와 14,092개의 절점으로 구성되어 있다.
- 본 연구에서는 최적화 설계 이론 중에 하나인 위상최적화 방법을 적용하여 WHPGS 플랫폼의 개념설계설계 단계에서 주요 구조 부재 배치의 유의한 설계안 도출을 검토하였다. 대표적인 위상최적화 이론인 HDM과 DM을 솔리드육면체 유한요소로 구성된 단순화 구조설계 문제에 각각 적용하여 요소밀도 분포, 목적함수 및 제한조건함수의 수렴결과를 비교 검토하였다. 단순화된 솔리드 유한 요소 구조설계의 위상최적화 검토를 통해 밀도분포의 균일성, 최적화 수치계산 수렴성 및 제한조건 가역성 측면에 있어서 HDM이 좀 더 우수한 결과를 나타났다.
- WHPGS 플랫폼에 대한 위상최적화를 응용하기 위하여 기초 외형치수만 결정된 플랫폼에 대한 동수력학 해석(hydrodynamics analysis)과 유한요소해석(Finite Element Analysis, FEA)을 통해 위상 최적화 문제의 하중조건을 설정하였다. 동수력학 해석에서 설치해역의 설계파와 조류와 같은 해양환경하중을 적용하여 WHPGS 플랫폼과 계류삭(mooring line)에 발생하는 압력분포와 인장력을 산출하였다. FEA에서는 솔리드 요소를 사용하여 기초 WHPGS 플랫폼을 모델링하고 동수력학 해석에서 산출된 플랫폼 압력분포와 계류삭 인장력, 그리고 주요발전 시스템의 중량을 하중조건으로 적용하였으며, 관성제거법(inertia relief method)을 사용하여 구속조건을 설정하여 구조해석을 수행하였다.
- 본 연구에서 고려된 WHPGS는 10 MW 이상의 청정에너지 발전을 위해 풍력발전기로부터 8MW를 생산하도록 하고 파력발전기에서 2 MW의 전기를 생산할 수 있도록 고안되었으며, 풍력발전기와 파력발전기가 설치되는 플랫폼 구조는 심해에서 안정적으로 운영될 수 있는 대형 부유식 구조물의 형식이 고려되었다. 10 MW급 WHPGS의 가장 중요한 설계개념 중의 하나는 다수의 발전시스템을 설치하는 것이며, 이는 대용량 발전시스템으로의 확장성을 고려한 개념이라고 할 수 있다.
- 앞서 2장의 이론적 배경에서 살펴본 바와 같이 유한요소의 형태나 개수 등이 위상최적화 결과에 영향을 주기 때문에 설계문제에 따라 적절한 요소의 형태와 개수를 설정하기 위한 검토가 필요하다. 본 연구에서는 Fig. 7에서와 같은 솔리드 육면체요소 기준으로 요소의 개수변화에 따른 최적위상 형상의 검토와 더불어 요소형태의 변경에 따른 최적위상 형상을 같이 검토하였다.
- 부유체 운동해석에서 선수사파(head & bow sea) 적용을 통한 비틀림 거동의 고려도 필요하지만 본 연구의 수치해석에서 고려한 플랫폼의 구조형상이 굽힘 거동이 지배적인 중실 폐단면(solid closed section)이기 때문에 개념설계 단계의 관점에서 선수파 조건만 고려하였다.
- 8과 같이 검토하였다. 쉘요소를 적용한 경우 내부 구조가 비워지기 때문에 이로 인한 질량과 강성의 차이는 쉘요소의 두께, 재료 밀도 및 탄성계수를 조정하여 솔리드 요소 모델과 동일하게 해석모델을 조정하였다.
- 앞서 3장에서 검토된 바와 같이 솔리드 요소 기반 구조물의 위상최적화에 적합한 것으로 판단되는 HDM 이론을 적용하여 WHPGS 플랫폼의 위상최적화를 수행하였다. 위상 최적화 문제의 정식화를 위해 목적함수는 컴플라이언스를 최소화하고, 제한조건으로는 설계영역 질량이 40% 이하가 되도록 설정하였으며 전체 구조물로 정의된 설계영역의 모든 유한요소를 설계변수로 정의하였다.
- 외팔보 구조물의 유한요소모델에 대해서 모든 유한요소를 설계 변수로 설정하고 HDM과 DM을 각각 적용하여 위상 최적설계를 수행하였다. 위상 최적설계에서 컴플라이언스를 최소화하도록 목적함수를 정의하고, 전체 설계영역의 질량이 40% 이하가 되도록 제한조건을 설정하는 형태로 최적화 문제 정식화를 정의하였다.
- 앞서 3장에서 검토된 바와 같이 솔리드 요소 기반 구조물의 위상최적화에 적합한 것으로 판단되는 HDM 이론을 적용하여 WHPGS 플랫폼의 위상최적화를 수행하였다. 위상 최적화 문제의 정식화를 위해 목적함수는 컴플라이언스를 최소화하고, 제한조건으로는 설계영역 질량이 40% 이하가 되도록 설정하였으며 전체 구조물로 정의된 설계영역의 모든 유한요소를 설계변수로 정의하였다. 위상 최적화된 WHPGS 플랫폼의 주요 부재배치 형상설계 결과는 Fig.
- FEA에서는 솔리드 요소를 사용하여 기초 WHPGS 플랫폼을 모델링하고 동수력학 해석에서 산출된 플랫폼 압력분포와 계류삭 인장력, 그리고 주요발전 시스템의 중량을 하중조건으로 적용하였으며, 관성제거법(inertia relief method)을 사용하여 구속조건을 설정하여 구조해석을 수행하였다. 위상최적화 수행을 통해 개념설계단계에서 WHPGS 플랫폼의 주요 구조부재 형상 설계안을 제시하였고, 유한요소의 형태와 크기에 따른 위상최적화 결과의 영향도에 대한 검토를 수행하였다.
- 위상최적화를 위한 유한 요소모델은 솔리드 육면체(solid hexahedron) 요소와 사각 쉘(quadrilateral shell) 요소를 사용하였으며 요소의 크기를 2.5 m와 5.0 m로 정의하여 각각 생성하였고, Table 1에 나타난 일반강재의 재료물성치를 적용하였다. 유한요소 모델상의 하중 조건으로 동수력학 해석을 통한 파랑압력을 플랫폼의 표면에 적용하였고, 계류삭 연결점의 최대반력은 절점하중으로 적용하였으며, 270톤의 풍력발전기 4대와 79톤 중량의 파력발전장치(Wave Energy Converter, WEC) 24대의 수직하중을 동시에 고려하였다.
- 0 m로 정의하여 각각 생성하였고, Table 1에 나타난 일반강재의 재료물성치를 적용하였다. 유한요소 모델상의 하중 조건으로 동수력학 해석을 통한 파랑압력을 플랫폼의 표면에 적용하였고, 계류삭 연결점의 최대반력은 절점하중으로 적용하였으며, 270톤의 풍력발전기 4대와 79톤 중량의 파력발전장치(Wave Energy Converter, WEC) 24대의 수직하중을 동시에 고려하였다. 구속조건은 관성제거법을 적용하여 부유체의 실제 운동상태와 유사하게 모사하였다.
- 해양환경하중을 산출하기 위해서 WHPGS의 설치해역의 환경조건인 50년 주기 설계파고 9.72 m, 주기 13.98s 및 조류속도 2 m/s를 적용하였으며 Fig. 6 상단에 나타낸 바와 같이 범용 동수력학 해석프로그램인 AQWA(ANSYS [2012])를 사용하여 4개의 계류삭이 90° 간격으로 배치된 부유체 운동해석 모델을 구성하고 선형파(airy wave)와 선수파(head sea) 방향 조건에서 수치해석을 수행하였으며, 파랑압력과 계류삭 연결점에서의 반력을 산출하였다.
대상 데이터
- [2015]). 본 연구에서의 10 MW급 WHPGS는 100kW급 점흡수식 파력발전기 24기와 3 MW급 풍력발전기 4기가 설치되며, 현수선 형태의 계류시스템이 적용되었고 Fig. 5에 개념형상이 나타나 있다.
- 2에 나타나 있으며, 한쪽 끝 단면의 중앙부에서 횡방향으로 1 kN의 단위하중을 적용하였고 반대 쪽 단면은 모든 방향의 변위 자유도를 구속하였다. 외팔보 구조물 유한요소모델은 8 절점 육면체 솔리드 요소를 적용하였으며 12,001개의 요소와 14,092개의 절점으로 구성되어 있다.
이론/모형
- Fig. 10 하단에 나타난 응력분포 해석결과는 솔리드 육면체 요소를 기반으로 12,889개의 요소와 21,200개의 절점으로 구성된 FEA 모델과 Table 1에 나타난 일반강재의 재료물성치를 적용하여 NASTRAN 선형해석솔버(MSC.Software[2010])를 사용하여 산출되었다. WHPGS 플랫폼의 개념설계설계 단계에서 위상최적화가 고려되기 전 단계 대비하여 위상최적화된 설계형상의 최대응력은 104 MPa로 산출되어 7% 정도의 강도성능 저하 수준에서 중량절감 효과가 고려된 최종 주요 구조 부재배치 형상 설계안이 Fig.
- 위상 최적설계에서 컴플라이언스를 최소화하도록 목적함수를 정의하고, 전체 설계영역의 질량이 40% 이하가 되도록 제한조건을 설정하는 형태로 최적화 문제 정식화를 정의하였다. HDM 이론을 적용한 위상최적화 해석은 OptiStruct (Altair Engineering [2010])을 사용하였고, DM이론을 적용하기 위해서 NASTRAN SOL200 (MSC.Software [2010])을 사용하였다. HDM과 DM이론을 적용했을 경우의 위상 최적화된 요소밀도 형상결과는 Fig.
성능/효과
- Table 2에 나타난 것처럼 위상 최적화된 설계의 질량은 초기 모델 대비 HDM을 적용한 경우 40% 감소하였고, DM의 경우에는 38% 감소하였으며, 강도성능인 최대 vonMises 등가응력과 최대 변형량은 HDM과 DM 간의 차이가 거의 없는 것으로 나타났다. 8 절점 육면체 솔리드요소를 적용한 단순화 설계문제의 위상 최적화 계산 결과로부터 요소 밀도분포의 형상과 최적화 수렴결과 상에서 HDM이 DM보다 우수한 것으로 나타났으며 본 연구에서 검토하고자 하는 솔리드 유한요소 기반 WHPGS의 플랫폼의 위상최적화를 위해서 HDM을 적용하는 것이 타당하다고 판정하였다.
- Table 2에 나타난 것처럼 위상 최적화된 설계의 질량은 초기 모델 대비 HDM을 적용한 경우 40% 감소하였고, DM의 경우에는 38% 감소하였으며, 강도성능인 최대 vonMises 등가응력과 최대 변형량은 HDM과 DM 간의 차이가 거의 없는 것으로 나타났다. 8 절점 육면체 솔리드요소를 적용한 단순화 설계문제의 위상 최적화 계산 결과로부터 요소 밀도분포의 형상과 최적화 수렴결과 상에서 HDM이 DM보다 우수한 것으로 나타났으며 본 연구에서 검토하고자 하는 솔리드 유한요소 기반 WHPGS의 플랫폼의 위상최적화를 위해서 HDM을 적용하는 것이 타당하다고 판정하였다.
- 요소 밀도 분포의 균일성은 요소의 소멸이 상대적으로 많이 발생한 하중 적용부분을 기준으로 비교해 볼 때 HDM을 적용한 경우가 좀 더 우수한 것으로 나타났다. 국부적인 요소 밀도분포의 형상의 경우 DM의 경우 HDM과 달리 상단부에서 요소의 소멸을 나타냈고 구속조건 적용부분에서는 HDM의 요소소멸 형상이 사각형상인 반면 DM의 요소 소멸 형상은 포물선 형상으로 나타났다. HDM과 DM이론의 위상최적화 수치계산 성능의 검토는 Fig.
- 대표적인 위상최적화 이론인 HDM과 DM을 솔리드육면체 유한요소로 구성된 단순화 구조설계 문제에 각각 적용하여 요소밀도 분포, 목적함수 및 제한조건함수의 수렴결과를 비교 검토하였다. 단순화된 솔리드 유한 요소 구조설계의 위상최적화 검토를 통해 밀도분포의 균일성, 최적화 수치계산 수렴성 및 제한조건 가역성 측면에 있어서 HDM이 좀 더 우수한 결과를 나타났다. WHPGS 플랫폼에 대한 위상최적화 적용과 관련하여 기초 외형 치수만 결정된 플랫폼에 대해 설치해역 해양환경하중과 플랫폼에 장착되는 발전시스템과 같은 부가물의 하중을 고려하여 설계하중조건을 산출하고 HDM 위상최적화 이론을 기반으로 주요 구조부재 배치 설계를 검토하였다.
- 4에 나타난 바와 같이 HDM의 최적화 수치계산 수렴성이 DM 대비 23% 향상된 것을 확인할 수 있다. 목적함수의 수렴결과는 HDM과 DM의 성능변화 특성은 유사하나 최적화된 정량적 수치결과는 HDM이 좀 더 우수한 것으로 나타났으며 제한조건 함수의 수렴결과에서는 DM의 비가역적 결과들이 HDM 보다 전체적인 수렴과정에서 좀 더 많이 나타나는 것을 알 수 있다. 기존의 평판요소에 대한 위상최적화 연구(Song et al.
- 9의 상단에 나타난 목적함수의 수렴결과는 초기 형상대비 최소화된 컴플라이언스의 결과이며 솔리드요소를 적용한 경우 쉘요소 대비 더 많은 수치계산비용이 필요하고, 요소의 크기가 세밀해 질수록 수치계산 비용이 상대적으로 증가함을 알 수 있다. 목적함수의 최소화 성능은 2.5 m 요소크기를 적용한 솔리드요소 모델에서 상대적으로 높게 나타났으며, 이는 Fig. 7에 나타난 바와 같이 요소크기가 세밀화 될수록 요소배치 형상을 좀 더 상세하게 나타낼 수 있는 것을 의미한다. Fig.
- 산출된 위상최적화 결과를 토대로 WHPGS 플랫폼의 주요 구조부재 배치의 형상설계를 수행하고 동일한 하중 및 경계조건을 적용하여 산출한 구조성능 평가결과를 통해 최종 부재배치 형상 설계의 유의성을 확인하였다. 본 연구를 통해 유사 설계자료가 존재하지 않거나 경험적 설계기법을 적용하기 어려운 WHPGS 플랫폼과 같은 새로운 형태의 해양구조물의 개념설계 단계에서 위상최적화 이론을 적용하면 주요 구조부재의 유의한 배치형상을 효율적으로 산출할 수 있음을 확인할 수 있었다. 추후 연구를 통해 기본설계 및 상세설계 단계에서 좀 더 구체화된 구조설계 형상과 다양한 파랑 조건이 포함된 설계하중을 사용하여 위상최적화 기법을 확대 적용하면 국부적인 상세 중량저감 형상설계안도 도출할 수 있을 것으로 사료된다.
- 이러한 결과의 차이는 위상최적화 이론이 개개의 유한요소를 설계변수로 고려하고 설계변수의 위치가 중요하기 때문에 나타나는 현상으로 볼 수 있으며 설계변수의 차이가 크게 나타나는 솔리드 요소와 쉘요소 모델간의 위상최적화된 요소밀도 분포 결과에 상당한 차이가 존재할 수 있음을 알 수 있다. 본 연구에서 고려한 WHPGS 플랫폼의 주요 구조부재 배치 설계에서는 개념설계 단계에서 다수의 풍력발전기와 WEC 설치를 고려해야 하기 때문에 비교적 상세한 요소밀도 분포 결과를 나타내는 요소의 크기 2.5 m인 솔리드 요소모델을 기반으로 한 위상최적화 결과를 구조 설계에 반영하는 것이 타당하다고 할 수 있다.
- 위상최적화에 적용된 유한요소의 크기와 형태를 변화시키면서 산출된 요소밀도 분포결과를 검토하였으며 세밀한 요소의 크기와 솔리드 요소형태의 모델을 기반으로 한 위상최적화 결과가 구조부재 배치 설계에 좀 더 적합한 것을 알 수 있었다. 산출된 위상최적화 결과를 토대로 WHPGS 플랫폼의 주요 구조부재 배치의 형상설계를 수행하고 동일한 하중 및 경계조건을 적용하여 산출한 구조성능 평가결과를 통해 최종 부재배치 형상 설계의 유의성을 확인하였다. 본 연구를 통해 유사 설계자료가 존재하지 않거나 경험적 설계기법을 적용하기 어려운 WHPGS 플랫폼과 같은 새로운 형태의 해양구조물의 개념설계 단계에서 위상최적화 이론을 적용하면 주요 구조부재의 유의한 배치형상을 효율적으로 산출할 수 있음을 확인할 수 있었다.
- 3에 나타난 결과는 위상 최적화된 유한요소의 밀도 분포 형상이며 HDM과 DM이론을 이용하여 동일하게 설정된 제한조건 하에서 목적함수를 최소화하도록 수치계산을 수행했을 때 전체적인 요소의 밀도분포 형상은 유사하나 요소 밀도분포의 균일성과 국부적인 요소 밀도분포의 형상에서는 차이가 있는 것을 확인할 수 있다. 요소 밀도 분포의 균일성은 요소의 소멸이 상대적으로 많이 발생한 하중 적용부분을 기준으로 비교해 볼 때 HDM을 적용한 경우가 좀 더 우수한 것으로 나타났다. 국부적인 요소 밀도분포의 형상의 경우 DM의 경우 HDM과 달리 상단부에서 요소의 소멸을 나타냈고 구속조건 적용부분에서는 HDM의 요소소멸 형상이 사각형상인 반면 DM의 요소 소멸 형상은 포물선 형상으로 나타났다.
- WHPGS 플랫폼에 대한 위상최적화 적용과 관련하여 기초 외형 치수만 결정된 플랫폼에 대해 설치해역 해양환경하중과 플랫폼에 장착되는 발전시스템과 같은 부가물의 하중을 고려하여 설계하중조건을 산출하고 HDM 위상최적화 이론을 기반으로 주요 구조부재 배치 설계를 검토하였다. 위상최적화에 적용된 유한요소의 크기와 형태를 변화시키면서 산출된 요소밀도 분포결과를 검토하였으며 세밀한 요소의 크기와 솔리드 요소형태의 모델을 기반으로 한 위상최적화 결과가 구조부재 배치 설계에 좀 더 적합한 것을 알 수 있었다. 산출된 위상최적화 결과를 토대로 WHPGS 플랫폼의 주요 구조부재 배치의 형상설계를 수행하고 동일한 하중 및 경계조건을 적용하여 산출한 구조성능 평가결과를 통해 최종 부재배치 형상 설계의 유의성을 확인하였다.
- 7의 솔리드 요소를 적용한 결과와 비교해 볼 때, 내부 요소 밀도분포의 부재와 중심에 편향된 요소밀도 분포형상으로 인해 위상최적화 결과를 풍력발전기와 WEC 설치를 고려한 구조부재 배치 설계에 적용하기에 어렵다고 할 수 있다. 이러한 결과의 차이는 위상최적화 이론이 개개의 유한요소를 설계변수로 고려하고 설계변수의 위치가 중요하기 때문에 나타나는 현상으로 볼 수 있으며 설계변수의 차이가 크게 나타나는 솔리드 요소와 쉘요소 모델간의 위상최적화된 요소밀도 분포 결과에 상당한 차이가 존재할 수 있음을 알 수 있다. 본 연구에서 고려한 WHPGS 플랫폼의 주요 구조부재 배치 설계에서는 개념설계 단계에서 다수의 풍력발전기와 WEC 설치를 고려해야 하기 때문에 비교적 상세한 요소밀도 분포 결과를 나타내는 요소의 크기 2.
후속연구
- 본 연구를 통해 유사 설계자료가 존재하지 않거나 경험적 설계기법을 적용하기 어려운 WHPGS 플랫폼과 같은 새로운 형태의 해양구조물의 개념설계 단계에서 위상최적화 이론을 적용하면 주요 구조부재의 유의한 배치형상을 효율적으로 산출할 수 있음을 확인할 수 있었다. 추후 연구를 통해 기본설계 및 상세설계 단계에서 좀 더 구체화된 구조설계 형상과 다양한 파랑 조건이 포함된 설계하중을 사용하여 위상최적화 기법을 확대 적용하면 국부적인 상세 중량저감 형상설계안도 도출할 수 있을 것으로 사료된다.
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