선체구조의 보강재로서 비대칭 단면재인 L 형강재가 대칭 단면재인 T형 조립부재(built-up T)에 비해 단면 비틀림 현상 등 다소 불리한 강도 특성에도 불구하고 오랜 관습과 자재 구입의 용이성 등으로 널리 사용되어 왔다. 그러나 근래 선박이 대형화 되어감에 따라 보강재의 형태는 압출 형강재의 사용이 줄고 다양한 설계 치수를 반영하여 용접을 통해 직접 제작하는 조립부재의 적용이 늘어가는 추세이다. 본 연구의 목적은 점차 사용량이 증대되고 있는 조립형 보강재의 효율적인 적용을 위한 최적설계 프로그램을 개발하는데 있다. 최적화 알고리즘으로는 선박 및 해양구조물의 최적설계에 많이 적용되고 있는 진화전략 기법을 선정하였다. 최적설계 결과의 실용성을 위해 부식여유를 고려한 총두께 개념을 설계변수와 목적함수에 도입하였고, 제한조건에는 최근 발효된 통합공통구조규칙(HCSR, Harmonized Common Structural Rules)을 적용하였다. 개발된 최적화 프로그램을 이용하여 최근 수주된 300K VLCC와 158K COT의 실선 설계를 수행한 결과 각각 144톤, 60톤의 중량 절감 효과를 얻었으며 대형 선박일수록 중량 절감 효과가 크게 나타남을 확인하였다.
선체구조의 보강재로서 비대칭 단면재인 L 형강재가 대칭 단면재인 T형 조립부재(built-up T)에 비해 단면 비틀림 현상 등 다소 불리한 강도 특성에도 불구하고 오랜 관습과 자재 구입의 용이성 등으로 널리 사용되어 왔다. 그러나 근래 선박이 대형화 되어감에 따라 보강재의 형태는 압출 형강재의 사용이 줄고 다양한 설계 치수를 반영하여 용접을 통해 직접 제작하는 조립부재의 적용이 늘어가는 추세이다. 본 연구의 목적은 점차 사용량이 증대되고 있는 조립형 보강재의 효율적인 적용을 위한 최적설계 프로그램을 개발하는데 있다. 최적화 알고리즘으로는 선박 및 해양구조물의 최적설계에 많이 적용되고 있는 진화전략 기법을 선정하였다. 최적설계 결과의 실용성을 위해 부식여유를 고려한 총두께 개념을 설계변수와 목적함수에 도입하였고, 제한조건에는 최근 발효된 통합공통구조규칙(HCSR, Harmonized Common Structural Rules)을 적용하였다. 개발된 최적화 프로그램을 이용하여 최근 수주된 300K VLCC와 158K COT의 실선 설계를 수행한 결과 각각 144톤, 60톤의 중량 절감 효과를 얻었으며 대형 선박일수록 중량 절감 효과가 크게 나타남을 확인하였다.
In a conventional ship structure, stiffeners with an asymmetric section, such as inverted angles, are used widely despite the disadvantage of strength compared to the stiffeners with a symmetric section, such as a built-up T. On the other hand, T-type built-up members are attracting more attention t...
In a conventional ship structure, stiffeners with an asymmetric section, such as inverted angles, are used widely despite the disadvantage of strength compared to the stiffeners with a symmetric section, such as a built-up T. On the other hand, T-type built-up members are attracting more attention than L-type inverted angles due to the increased size of ships. The purpose of this study was to develop an optimal design program for a built-up T, and apply an evolution strategy as an optimization technique. In the optimization process, the gross thickness concept was adopted for the design variables and objective function, and the constraints are set up based on HCSR (Harmonized Common Structural Rules). Using the developed program in this study, the optimal stiffener design was carried out for 300K VLCC and 158K COT of which the orders were obtained lately. The optimal results revealed the weight reduction effect of 144 tons and 60 tons, respectively.
In a conventional ship structure, stiffeners with an asymmetric section, such as inverted angles, are used widely despite the disadvantage of strength compared to the stiffeners with a symmetric section, such as a built-up T. On the other hand, T-type built-up members are attracting more attention than L-type inverted angles due to the increased size of ships. The purpose of this study was to develop an optimal design program for a built-up T, and apply an evolution strategy as an optimization technique. In the optimization process, the gross thickness concept was adopted for the design variables and objective function, and the constraints are set up based on HCSR (Harmonized Common Structural Rules). Using the developed program in this study, the optimal stiffener design was carried out for 300K VLCC and 158K COT of which the orders were obtained lately. The optimal results revealed the weight reduction effect of 144 tons and 60 tons, respectively.
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문제 정의
본 연구에서는 점차 사용량이 증대되고 있는 T형 조립부재의 경제적인 적용을 위해 최소중량설계 프로그램을 개발하였다. 최신 규정인 HCSR에 기반을 두고 개발함으로써 HCSR 적용에 의한 선각 중량 증가의 최소화 및 선박 경량화 설계 기술의 발전에 일조할 것으로 기대된다.
4는 최적화 결과를 검증하기 위한 예제에 대한 입력값을 보여주고 있다. 선박의 길이가 300m 이상인 VLCC에서 수밀 경계 위치의 T형 보강재 최적 형상을 계산하기 위한 예제이다.
제안 방법
1) 선박의 대형화에 따라 사용량이 증대되고 있는 T형 조립부재의 경제적인 적용을 위해 HCSR 기반의 T형 조립부재 최소중량설계 프로그램을 개발하였다.
또한, 단면의 최소 요구치에 대한 입력은 설계자의 판단으로 불필요한 경우 Fig. 3과 같이 “0” 값을 입력하면 제한조건에서 무시하고 최적설계를 수행하도록 구성하였다.
목적함수 값에는 페널티 함수를 도입하여 제한조건을 위배하게 되면 페널티 값이 추가되어 생존 경쟁에서 도태되도록 하였다.
보강재의 최소중량 계산을 위해 Fig. 1의 좌측에 나타낸 총두께 기반의 웨브의 깊이(hw,gr)와 두께(tw,gr), 플렌지의 폭(bf,gr)과 두께(tf,gr)를 설계 변수로 선정하였다.
본 연구에서 개발한 최적화 프로그램은 직접 가공과 가공 판재 구입을 모두 고려할 수 있도록 구성하였다. 웨브와 모서리의 직접 가공을 요하는 플렌지의 경우는 두께를 0.
설계변수의 상하한 및 변수 간격 입력은 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 두 가지 경우에서 입력 및 선택하도록 하였다. Fig.
본 연구에서 개발한 최적화 프로그램은 직접 가공과 가공 판재 구입을 모두 고려할 수 있도록 구성하였다. 웨브와 모서리의 직접 가공을 요하는 플렌지의 경우는 두께를 0.5mm 간격의 이산 변수로 취급하였고, 높이와 폭은 설계자가 5 또는 25mm 간격 중 하나를 선택할 수 있도록 하였다.
제한조건에는 3장에서 설명한 HCSR 보강재 규칙이 모두 포함되며, 단면계수(Z), 단면이차모멘트(I), 순 탄성전단면적(Ashr), 유효 순 소성단면계수(Zp)의 최소 요구치는 설계자가 입력할 수 있도록 하였다. 보강재의 깊이(hw,gr +tf,gr)를 제외하면 네 가지 모두 순두께 기반으로 계산되며 설계자가 입력한 값보다 작은 값이 되는 치수들의 조합은 도태되어 생존 경쟁에서 배제된다.
진화전략 기법의 최적화 결과를 검증하기 위해 설계 변수의 총 조합 즉 모든 경우의 수에 대해 직접 계산한 전체 최적점과 비교하였다. 지나친 계산 소요시간을 방지하기 위해 경우의 수가 1,000,000을 넘지 않도록 설계 변수의 상하한 값 및 변수 간격을 조절하였다.
대상 데이터
조선소에서는 직접 가공을 수행하거나 미리 가공된 판재를 구입해야하는데, 가공된 판재를 구입할 경우에는 TOPY Industries LTD.의 Universal Mill Plate의 크기를 반영하여 폭과 두께의 총 조합이 121가지인 경우에서 선택하도록 하였다.
데이터처리
진화전략 기법의 최적화 결과를 검증하기 위해 설계 변수의 총 조합 즉 모든 경우의 수에 대해 직접 계산한 전체 최적점과 비교하였다. 지나친 계산 소요시간을 방지하기 위해 경우의 수가 1,000,000을 넘지 않도록 설계 변수의 상하한 값 및 변수 간격을 조절하였다.
이론/모형
진화전략에 의한 전체 최적점 탐색 결과를 검증하기 위해 경우의 수가 840,788인 조합을 모두 계산한 결과와 비교하였으며, 그 값이 일치함을 확인하였다. 또한, 최적설계 결과의 실용성을 위해 부식여유(corrosion margin)를 고려한 총두께 개념(gross thickness concept)을 설계 변수와 목적함수에 도입하였고, 제한조건은 통합공통구조규칙인 HCSR을 기반으로 적용하였다. 개발된 최적화 프로그램을 이용하여 최근 수주된 300K VLCC 10척과 158K COT 4척의 실선 설계를 수행한 결과 각각 척당 144톤 및 60톤의 중량 절감 효과를 얻었다.
본 연구에 적용한 최적화 기법은 다개체 탐색법인 진화전략 기법[8]으로 유전자 알고리즘[9]과 함께 선박 구조물의 최적설계에 많이 적용되고 있다. 진화전략은 플러스(plus) 전략과 코마(comma) 전략으로 구분되는데, 본 연구에서는 선택 단계에 부모 개체가 참여하는 플러스 전략을 사용하였으며, Shin 등[7]의 연구에서 가장 효과적인 탐색 크기로 선정된 ES(20+150)을 적용하였다.
본 연구에서는 보강재 규칙으로 2015년 7월에 발효된 통합공통구조규칙(HCSR)을 적용하였다. 그 이전의 CSR은 CSR-DHOT와 CSR-BC로 구분되어 존재하였는 데 HCSR로 통합되면서 구분이 사라졌다.
본 연구에 적용한 최적화 기법은 다개체 탐색법인 진화전략 기법[8]으로 유전자 알고리즘[9]과 함께 선박 구조물의 최적설계에 많이 적용되고 있다. 진화전략은 플러스(plus) 전략과 코마(comma) 전략으로 구분되는데, 본 연구에서는 선택 단계에 부모 개체가 참여하는 플러스 전략을 사용하였으며, Shin 등[7]의 연구에서 가장 효과적인 탐색 크기로 선정된 ES(20+150)을 적용하였다.
최신 규정인 HCSR에 기반을 두고 개발함으로써 HCSR 적용에 의한 선각 중량 증가의 최소화 및 선박 경량화 설계 기술의 발전에 일조할 것으로 기대된다. 최적화 알고리즘으로는 전체 최적점(global optimum point) 탐색에 탁월한 다개체 탐색 방법인 진화전략 기법을 선정하였고, 진화 과정의 선택 단계에 부모 개체가 참여하는 플러스 전략을 채택하였으며, 효과적인 탐색 크기의 결정에는 Shin 등[7]의 연구 결과를 참조하였다. 진화전략에 의한 전체 최적점 탐색 결과를 검증하기 위해 경우의 수가 840,788인 조합을 모두 계산한 결과와 비교하였으며, 그 값이 일치함을 확인하였다.
성능/효과
2) 진화전략 기법을 적용하여 개발한 최적화 프로그램의 정확성을 검증하기 위해 모든 경우의 수를 실제 계산하여 비교한 결과 상호 일치하는 값임을 확인하였다.
3) 실제 선박 설계에 적용한 결과 300K VLCC의 경우 척당 약 144톤, 158K COT의 경우 척당 약 60톤의 중량 절감 효과를 얻었다.
또한, 최적설계 결과의 실용성을 위해 부식여유(corrosion margin)를 고려한 총두께 개념(gross thickness concept)을 설계 변수와 목적함수에 도입하였고, 제한조건은 통합공통구조규칙인 HCSR을 기반으로 적용하였다. 개발된 최적화 프로그램을 이용하여 최근 수주된 300K VLCC 10척과 158K COT 4척의 실선 설계를 수행한 결과 각각 척당 144톤 및 60톤의 중량 절감 효과를 얻었다.
6에 보였다. 계산 결과 Fig. 5와 일치하는 값을 얻을 수 있었으며, 직접 계산 결과와의 비교를 통해 진화전략 기법에 의한 탐색 결과가 매우 정확함을 확인하였다.
보강재 관련 부분은 CSR-DHOT와 유사하며, 특히 HCSR의 보강재 비율(proportions) 요구조건은 CSR-DHOT와 일치한다. 또한, HCSR의 보강재 최소 두께 요구조건의 경우 수밀 경계(watertight boundary) 위치에서는 CSR-DHOT와 일치하며, 그 외 구조 위치에서는 CSR-DHOT에 비해 0.5mm 증가하였다.
척당 약 144톤으로 총 1,440 톤의 상당히 큰 중량 절감 효과를 기대할 수 있다. 마찬가지로 최근 수주한 4척의 시리즈 호선인 수에즈막스급 158K COT에 적용한 결과 척당 약 60톤, 총 240 톤의 중량 절감 효과를 얻었다. 선박이 크면 클수록 절감 효과가 급격하 게 증가한다는 사실을 확인할 수 있었다.
마찬가지로 최근 수주한 4척의 시리즈 호선인 수에즈막스급 158K COT에 적용한 결과 척당 약 60톤, 총 240 톤의 중량 절감 효과를 얻었다. 선박이 크면 클수록 절감 효과가 급격하 게 증가한다는 사실을 확인할 수 있었다.
진화전략 기법에 의한 최적화 결과를 검증하기 위해 840,788가지의 총 경우의 수를 직접 계산하였고, 840,788가지 중 가장 우수한 값을 Fig. 6에 보였다. 계산 결과 Fig.
최적화 알고리즘으로는 전체 최적점(global optimum point) 탐색에 탁월한 다개체 탐색 방법인 진화전략 기법을 선정하였고, 진화 과정의 선택 단계에 부모 개체가 참여하는 플러스 전략을 채택하였으며, 효과적인 탐색 크기의 결정에는 Shin 등[7]의 연구 결과를 참조하였다. 진화전략에 의한 전체 최적점 탐색 결과를 검증하기 위해 경우의 수가 840,788인 조합을 모두 계산한 결과와 비교하였으며, 그 값이 일치함을 확인하였다. 또한, 최적설계 결과의 실용성을 위해 부식여유(corrosion margin)를 고려한 총두께 개념(gross thickness concept)을 설계 변수와 목적함수에 도입하였고, 제한조건은 통합공통구조규칙인 HCSR을 기반으로 적용하였다.
후속연구
본 연구에서는 점차 사용량이 증대되고 있는 T형 조립부재의 경제적인 적용을 위해 최소중량설계 프로그램을 개발하였다. 최신 규정인 HCSR에 기반을 두고 개발함으로써 HCSR 적용에 의한 선각 중량 증가의 최소화 및 선박 경량화 설계 기술의 발전에 일조할 것으로 기대된다. 최적화 알고리즘으로는 전체 최적점(global optimum point) 탐색에 탁월한 다개체 탐색 방법인 진화전략 기법을 선정하였고, 진화 과정의 선택 단계에 부모 개체가 참여하는 플러스 전략을 채택하였으며, 효과적인 탐색 크기의 결정에는 Shin 등[7]의 연구 결과를 참조하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
선체구조의 보강재로서 L 형강재의 단점은?
선체구조의 보강재로서 비대칭 단면재인 L 형강재가 대칭 단면재인 T형 조립부재(built-up T)에 비해 단면 비틀림 현상 등 다소 불리한 강도 특성에도 불구하고 오랜 관습과 자재 구입의 용이성 등으로 널리 사용되어 왔다. 그러나 근래 선박이 대형화 되어감에 따라 보강재의 형태는 압출 형강재의 사용이 줄고 다양한 설계 치수를 반영하여 용접을 통해 직접 제작하는 조립부재의 적용이 늘어가는 추세이다.
선체구조 설계자의 목표는 무엇인가?
선급의 규정과 규칙을 만족하면서 가볍고 생산에 유리한 구조를 설계하는 것이 선체구조 설계자의 목표이므로 이들에게 시대의 흐름에 따른 규정과 규칙의 변경은 매우 중요한 사안이 된다. 국제선급협회(IACS)는 2006년에 여러 선급의 규칙을 통합한 규칙인 공통구조 규칙(CSR, Common Structural Rules)을 산적화물선과 이중선체유조선에 대해 공표하였고[1][2], 2015년 7월에는 산적화물선과 이중선체유조선에 모두 적용되는 산적화 물선과 이중선체유조선의 통합공통구조규칙(HCSR, Harmonized Common Structural Rules)을 공표하였다[3].
본문에서 언급된 국제선급협회에서 최근 공표된 규정과 규칙의 예시는 무엇이 있는가?
선급의 규정과 규칙을 만족하면서 가볍고 생산에 유리한 구조를 설계하는 것이 선체구조 설계자의 목표이므로 이들에게 시대의 흐름에 따른 규정과 규칙의 변경은 매우 중요한 사안이 된다. 국제선급협회(IACS)는 2006년에 여러 선급의 규칙을 통합한 규칙인 공통구조 규칙(CSR, Common Structural Rules)을 산적화물선과 이중선체유조선에 대해 공표하였고[1][2], 2015년 7월에는 산적화물선과 이중선체유조선에 모두 적용되는 산적화 물선과 이중선체유조선의 통합공통구조규칙(HCSR, Harmonized Common Structural Rules)을 공표하였다[3].
참고문헌 (9)
International Association of Classification Societies (IACS), Common Structural Rules for Bulk carriers, 2012.
International Association of Classification Societies (IACS), Common Structural Rules for Double Hull Oil Tankers, 2012.
International Association of Classification Societies (IACS), Common Structural Rules for Bulk Carrier and Oil Tankers, 2015.
C. H. Sung and S. K. Lee, "Comparison Analysis on Requirement of Structural Members by Application of Harmonized Common Structural Rules", Journal of the Society of Naval Architects of Korea, vol. 52, no. 3, pp. 265-274, 2015. DOI: https://doi.org/10.3744/SNAK.2015.52.3.265
C. I. Park, S. Jeong, H. C. Song, S. S. Na, M. C. Park, S. H. Shin and J. Y. Lee, "Development of an Automated Design Algorithm for the Longitudinal Members of Oil Tankers based on H-CSR", Journal of the Society of Naval Architects of Korea, vol. 53, no. 6, pp. 503-513, 2015.
S. J. Yim, Y. S. Yang and J. S. Lee, "On the Strength Analysis of the Stiffener with Asymmetric Cross Section", Journal of the Society of Naval Architects of Korea, vol. 17, no. 1, pp. 11-18, 1980.
S. H. Shin, S. B. Hwang and D. E. Ko, "A Study on the Optimum Design of Cargo Tank for the LPG Carriers Considering Fabrication Cost", Journal of the Society of Naval Architects of Korea, vol. 48, no. 2, pp. 178-182, 2011. DOI: https://doi.org/10.3744/SNAK.2011.48.2.178
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