[논문]선체의 태양복사 열변형 해석을 위한 전처리시스템

하윤석; 이동훈

doi:10.3744/snak.2016.53.4.275

Abstract ▼ AI-Helper

One of the most important things for quality to meet ship-production schedule is an accuracy control. A ship is assembled by welding through whole production process, so it is important that loss by correction will not happen as much as possible by using some engineering skills like reverse design, ...

One of the most important things for quality to meet ship-production schedule is an accuracy control. A ship is assembled by welding through whole production process, so it is important that loss by correction will not happen as much as possible by using some engineering skills like reverse design, reverse setting and margin for thermal shrinkage. These efforts are a quite effective in fabrication stages, but not in erection stages. If a ship block which consists of common steel is exposed to directional solar radiation, its dimensional accuracy will change high as time by its thermal expansion coefficient. Therefore, the measuring work would be often done at dawn or evening even with having a very accurate device. In this study, an FE analysis method is developed to solve this problem. It can change measured data affected by solar thermal distortion to ones not, even though ship-block is measured at an arbitrary time. It will use the time when measuring, the direction of block and the weather record by satellites. It is confirmed by a comparison between measured data of a ship-block and the result by suggested analysis method. Furthermore, a pre-processing system is also developed for fast application of the suggested analysis method.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구에서는 하루 중 외업의 블록계측 시간대가 구속받지 않도록 하는 것을 목표로 하고, 태양복사열에 의한 열변형 해석과정을 구현하였다. 계측작업자가 블록 계측 날짜와 시각을 기록해두면, 기상위성 자료로부터 해당일의 일출때부터 작업시간까지 태양의 궤적에 의한 시간대별 FE 모델의 각 요소가 받는 열량을 산출하고, 풍향/풍속 조건에 의한 대류 (안벽기간에는 해수 유속포함) 조건을 부여하여 해당일의 블록 변형을 매 시간대별로 도출할 수 있도록 하였다.
본 개발 해석법의 검증을 위하여, 하계에 특정 블록을 다른 시간대에 계측하여, 계측 편차를 해석이 예측할 수 있는 지를 확인 하였고, 비교 결과는 매우 우수한 일치를 보여주었다. 상기의 해석과정은 많은 수요가 예상되었기에, 본 연구에서는 기상청 사이트의 과거 및 예측 자료를 입력으로 하는 태양복사열 해석의 전처리 시스템의 개발도 같이 진행되었다. 이 과정에서 선체를 이루는 수많은 요소의 태양복사 입열과정을 합리적으로 처리하고, 하루 중 리프팅이나 이동을 겪은 블록의 해석을 가능하게 하며, 태양이 바라보는 요소나 바람의 영향을 받는 요소를 쉽게 구별하는 알고리즘도 같이 개발되었다.

가설 설정

강제대류를 구하는 과정에서는 선체블록에서 보강재가 붙지 않은 면이 주로 외부라는 가정을 도입하였다. 이 경우 블록의 크기에 따라 특성길이(면적을 둘레로 나누어서 구함)가 달라지게 되므로, 자연대류에서 선체를 거더 간격기준으로 분할한 기준으로 단위면적을 삼으면, 특성길이는 보강재 간격으로 도출된다.
이 경우 블록의 크기에 따라 특성길이(면적을 둘레로 나누어서 구함)가 달라지게 되므로, 자연대류에서 선체를 거더 간격기준으로 분할한 기준으로 단위면적을 삼으면, 특성길이는 보강재 간격으로 도출된다. 또한 풍향과 선체블록의 면이 놓인 방향은 임의적이므로, 전 영역에서 난류로 대류가 일어나는 것을 가정하였다. 난류영역의 평균 대류계수 (Holman, 2010)는 공기의 열전도계수(k), 프란틀 넘버(Pr), 풍속(u∞) 및 특성길이로부터 식 (15)와 같이 도출한다.
일단 자연대류에 대하여는 종보강재 간격(LS)의 4배를 특성길이로 간주하여, 정육면체 격자공간의 외부에 대한 평균식(식 (14)) (Holman, 2010)을 활용하였다. 이는 프레임 간격, 거더 간격 및 블록 높이가 가정한 특성길이와 유사하다고 하고, 선체의 내부를 이 크기의 격자구조로 가정한 것이다. 특정 FE Shell 요소의 상/하 각 face는 서로 다른 격자구조의 외부가 되므로, 도출된 자연대류계수는 요소에 2배씩 적용하였다.

제안 방법

본 연구에서는 하루 중 외업의 블록계측 시간대가 구속받지 않도록 하는 것을 목표로 하고, 태양복사열에 의한 열변형 해석과정을 구현하였다. 계측작업자가 블록 계측 날짜와 시각을 기록해두면, 기상위성 자료로부터 해당일의 일출때부터 작업시간까지 태양의 궤적에 의한 시간대별 FE 모델의 각 요소가 받는 열량을 산출하고, 풍향/풍속 조건에 의한 대류 (안벽기간에는 해수 유속포함) 조건을 부여하여 해당일의 블록 변형을 매 시간대별로 도출할 수 있도록 하였다. 해석의 구속 자유도와 계측의 3점 세팅을 일치시키면 해석결과는 계측결과의 보정에 바로 사용될 수 있고, 태양복사열이 제외된 실 형상의 치수 정도자료를 얻을 수 있다.
특히 선박이라는 대형 쉘 구조물의 FE 모델링은 많은 요소로 이루어져있는데, 곡면이 포함된 블록은 요소 모두를 법선벡터별로 따로 계산하는 것이 거의 불가능하다. 본 연구에서는 열량이 스칼라라는 것에 착안하여, 각 벡터와 태양이 이루는 각(θ)이 유사한 것들까리 묶어서 처리하는 아이디어로 이를 해결하였다. 그룹으로 처리된 이러한 벡터군들은 태양의 위치벡터(식 (10))를 중심으로 동심원을 그리게 된다.
제안한 해석방법에 의한 블록 뒤틀림의 정도를 실제와 비교하기 위하여, 하계(夏季)의 하루를 택하고, 특정 블록을 오전 8시와 오후 3시에 각기 계측하였다 (Fig 3). 이 자료를 비교용으로 정리할 때, 인접한 주요 지점상의 거리가 오전 8시에 대비하여 오후 3시에 얼마나 변했는지를 기록하였다.

이론/모형

FE 해석상에서 이를 구현하기 위하여 대류현상의 특성을 적절히 가정할 필요가 있다. 일단 자연대류에 대하여는 종보강재 간격(LS)의 4배를 특성길이로 간주하여, 정육면체 격자공간의 외부에 대한 평균식(식 (14)) (Holman, 2010)을 활용하였다. 이는 프레임 간격, 거더 간격 및 블록 높이가 가정한 특성길이와 유사하다고 하고, 선체의 내부를 이 크기의 격자구조로 가정한 것이다.

성능/효과

1) 태양복사광이 해석 요소로 투입되는 열량을 직달과 산란으로 구분하여 분석하고 이 과정에서 야드의 특성이 고려되었다.
2) 선체블록의 형상 특성을 고려하여 대류계수를 도출하였다.
3) 시간대별 블록계측 실험을 통하여 해석결과를 검증하고, 해석의 전처리를 돕는 자동화 시스템을 구축하였다.
4) 해석법 및 시스템을 활용할 수 있는 사례를 소개하였다.
본 개발 해석법의 검증을 위하여, 하계에 특정 블록을 다른 시간대에 계측하여, 계측 편차를 해석이 예측할 수 있는 지를 확인 하였고, 비교 결과는 매우 우수한 일치를 보여주었다. 상기의 해석과정은 많은 수요가 예상되었기에, 본 연구에서는 기상청 사이트의 과거 및 예측 자료를 입력으로 하는 태양복사열 해석의 전처리 시스템의 개발도 같이 진행되었다.
그러나 폰툰 2개가 연결되는 구조물은 뒤틀림에 대한 형상 복원이 정확이 이루어지지 않으면 두 구조물 사이의 브레이스 설치 및 상부 deck 구조물의 설치가 제대로 이루어질 수 없다. 폰툰의 형상이 동일하여도 한쪽이 다른 쪽에 그림자를 만들게 되면 뒤틀리는 양도 달라지게 되므로, 제안된 해석 방법은 이를 분석하고 특수 목적의 반목형태를 설계하는 데에 매우 효과적이다 (Fig. 10).

참고문헌 (10)

Badescu, V., 2008. Modeling Solar Radiation at the Earth's Surface. Springer-Verlag: Berlin Heidelberg.
Bergman, T.L. Lavine, A.S. Incropera, F.P. & Dewitt, D.P., 2011. Fundamentals of Heat and Mass Transfer. John Wiley & Sons: Jefferson U.S.A..
Ha, Y.S., 2008. Development of Thermal Distortion Analysis Method on Large Shell Structure Using Inherent Strain as Boundary Condition. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 45(1), pp.93-100.

원문보기 상세보기
Holman, J.P., 2010. Heat Transfer. McGraw-Hill Korea: Korea.
Honsberg, C., 2012. Photovoltaics. ASU Solar Powers Lab: www.pveducation.org/pvcdrom.
Jo, D.K. Chun, I.S. & Lee, T.K., 2000. A Study on Accuracy Evaluation of Horizontal Global Radiation Data in Korea. Solar Energy, 20(1), pp.31-43.
Ku, D.K. & Kang, Y.H., 2008. A Study on the Atmospheric Clearness Estimation of Major Cities in Korea Peninsula using Empirical Forecasting Models. Journal of the Korean Solar Energy Society, 28(4), pp.25-34.
Ku, H.D. Kim, K.S. Cho, Y.S. & Song, I.C., 1999. A Study on the Computer Graphic Protraction on the Solar Shadow Mask. Solar Energy, 19(2), pp.9-19.
Park, J.G. Yi, M.S. Ha, Y.S. & Jang, T.W., 2011. Development of full automation re-design system for sub-assembly part fabrication of ship blocks. 15th International Conference of Computer Application in Shipbuilding, Trieste, Italy, 20-22 September 2011.
Yoo, H.C. Lee, K.H. & Park, S.H., 2008. Analysis of Data and Calculation of Global Solar Radiation based on Cloud Data for Major Cities in Korea. Journal of the Korean Solar Energy Society, 28(4), pp.17-24.

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