[논문]모형수조에서 정적 상사성을 지닌 절단계류선 모델링에 관한 연구

김윤호; 김병완; 조석규

doi:10.26748/ksoe.2017.08.31.4.257

[국내논문] 모형수조에서 정적 상사성을 지닌 절단계류선 모델링에 관한 연구
Study on Design of Truncated Mooring Line with Static Similarity in Model Test Basins 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.31 no.4, 2017년, pp.257 - 265

김윤호 (한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소 해양플랜트연구부) , 김병완 (한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소 해양플랜트연구부) , 조석규 (한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소 해양플랜트연구부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a series of numerical simulations was conducted in order to design a truncated mooring line with a static similarity to the prototype. A finite element method based on minimizing the potential energy was utilized to describe the dynamics of mooring lines. The prototype mooring lines considered were installed at a water depth of 1,000 m, whereas the KRISO ocean engineering basin (OEB) in Daejeon has a water depth of 3.2 m, which represents 192 m using a scaling of 1:60. First, an investigation for the design of the truncated mooring line was carried out to match the static characteristics of the KRISO Daejeon OEB environment. Then, the same procedure was performed with the KRISO new deepwater ocean engineering basin (DOEB) that is under construction in Busan. This new facility has a water depth of 15 m, which reflects a real scale depth of 900 m considering the 1:60 scaling factor. A finite element method was used to model the mooring line dynamics. It was found that the targeted truncated mooring line could not be designed under the circumstances of the KRISO OEB with any material properties, whereas several mooring lines were easily matched to the prototype under the circumstances of the KRISO DOEB.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 실제 모형시험을 통한 심해에 투입되는 계류선의 안정성 평가를 위한 절단계류선 설계가 수치적으로 연구되었다. 선박해양플랜트연구소 해양공학수조와 심해공학수조에서 수심 1,000m에 투입되는 현수식 계류선과 정적 특성이 맞는 계류선을 찾기 위해 계류선 길이, 물 속 중량, 축 강성 세 값을 조합하면서 넓은 범위에서의 절단계류선 모사 가능성을 확인하였다.
본 논문에서는 수심 1,000m에 설치되는 현수식 계류선에 대하여 정적 상사성을 만족하는 절단계류선을 KRISO 해양공학수조 및 심해공학수조 조건에서 설계하였다. 수조시험의 용이성을 위해서 단일 제원으로 절단계류선 모사가 가능한지를 검토하였다. 구조물의 Fairlead위치를 종 방향으로 이동시키며 부유체에 작용하는 전체 계류력 및 각 계류선에 걸리는 장력을 계산하였다.

가설 설정

8L_longest범위 내에서 등 간격으로 총 30개의 절단계류선 길이를 구성하였으며, 물 속 중량과 축강성은 원형 계류선의 130% ~ 700%사이를 30%간격으로 총 20개로 나누었다. 물 속 중량과 축 강성에 대한 모형시험을 위한 현실 적용성 여부도 고려되어야 하지만, 정보가 없는 상황에서 초기 절단계류선 설계가 본 연구의 목적으로써, 이에 대한 범위는 가정 하에 시작되었다.
단일 제원의 계류선으로써 원형 계류선과 정적 특성이 일치하는 절단계류선을 설계하기 위해 변화할 수 있는 인자는 계류선의 길이, 물 속 중량, 축강성(EA)으로 축약하였다. 휨과 비틀림에 의한 영향은 미미하다고 가정하였다. 먼저 한 계류선에 대해 길이와 지점에 대한 정의는 Fig.

제안 방법

구조물의 Fairlead위치를 종 방향으로 이동시키며 부유체에 작용하는 전체 계류력 및 각 계류선에 걸리는 장력을 계산하였다. 계류반경은 각 수조별 최대한으로 설정한 다음, 계류선 길이, 물 속 중량, 축 강성을 변화시키며 발생되는 복원력과 계류선 장력이 원형시스템의 결과와 일치하는지를 검토하였다.
05%정도의 약간의 차이만 보이고 있다. 계류선에 걸리는 장력 또한 두 해석결과가 상당히 잘 일치함에 따라 본 해석기법의 유효성을 확인한 이후 본 계산을 수행하였다.
복원력 곡선의 경우 부유체 운동응답에 크게 영향을 미치지 않는 영역으로 ITTC(2002)에서 정립한 오차 범위이다. 계류선에 걸리는 장력의 경우 명확한 기준이 존재하지 않기에 설계에 적용되는 안전계수의 범주 내에서 결정하였다.
수조시험의 용이성을 위해서 단일 제원으로 절단계류선 모사가 가능한지를 검토하였다. 구조물의 Fairlead위치를 종 방향으로 이동시키며 부유체에 작용하는 전체 계류력 및 각 계류선에 걸리는 장력을 계산하였다. 계류반경은 각 수조별 최대한으로 설정한 다음, 계류선 길이, 물 속 중량, 축 강성을 변화시키며 발생되는 복원력과 계류선 장력이 원형시스템의 결과와 일치하는지를 검토하였다.
6과 같다. 길이의 경우1.2L_shortest~ 0.8L_longest범위 내에서 등 간격으로 총 30개의 절단계류선 길이를 구성하였으며, 물 속 중량과 축강성은 원형 계류선의 130% ~ 700%사이를 30%간격으로 총 20개로 나누었다. 물 속 중량과 축 강성에 대한 모형시험을 위한 현실 적용성 여부도 고려되어야 하지만, 정보가 없는 상황에서 초기 절단계류선 설계가 본 연구의 목적으로써, 이에 대한 범위는 가정 하에 시작되었다.
단일 제원의 계류선으로써 원형 계류선과 정적 특성이 일치하는 절단계류선을 설계하기 위해 변화할 수 있는 인자는 계류선의 길이, 물 속 중량, 축강성(EA)으로 축약하였다. 휨과 비틀림에 의한 영향은 미미하다고 가정하였다.
본 논문에서는 수심 1,000m에 설치되는 현수식 계류선에 대하여 정적 상사성을 만족하는 절단계류선을 KRISO 해양공학수조 및 심해공학수조 조건에서 설계하였다. 수조시험의 용이성을 위해서 단일 제원으로 절단계류선 모사가 가능한지를 검토하였다.
본 해석기법에 대한 유효성 검증은 선행연구에서도 수행되었으나(Kim et al., 2010), 본 문제에서도 유효한지를 상용프로그램 해석결과와 내부기법 해석결과를 비교함으로써 확인하였다. 상용 프로그램은 OrcaFlex를 활용하였으며 두 기법으로 구조물의 종 방향 정적 변위 테스트(Static offset test in x-direction)를 실시하였다.
본 논문에서는 실제 모형시험을 통한 심해에 투입되는 계류선의 안정성 평가를 위한 절단계류선 설계가 수치적으로 연구되었다. 선박해양플랜트연구소 해양공학수조와 심해공학수조에서 수심 1,000m에 투입되는 현수식 계류선과 정적 특성이 맞는 계류선을 찾기 위해 계류선 길이, 물 속 중량, 축 강성 세 값을 조합하면서 넓은 범위에서의 절단계류선 모사 가능성을 확인하였다. 이를 통해 다음의 결론을 도출하였다.
위의 정의를 기반으로 포텐셜 에너지와 변형 에너지, 운동 에너지와 외력을 고려한 최소 에너지 원리를 적용한다. 또한 요소 길이에 대한 적합 조건을 추가하여 지배방정식은 식 (3)으로 도출된다.
이 세 인자를 달리하면서 총 12,000 조합에 대해 절단계류선에 대한 정적 변위 테스트를 수행한 후, 원형계류선을 모사할 수 있는 계류선이 존재하는지를 확인하였다. Table 2에는 해양공학수조 조건에서 고려된 절단계류선들의 L0, L1, L2 길이를 정리하였고, Fairlead로부터 Touchdown까지의 길이는 원형 계류선과의 비율로써 정리하였다.
정립된 해석기법을 기반으로 계류선 길이, 중량, 축강성을 변화시키며 반복 계산이 수행될 수 있도록 기법을 개선하였다. 원형시스템을 모사하기 위한 한계조건으로 구조물이 20, 40m 선미방향으로 밀려났을 때 복원력 곡선에서 ±5%, 장력은 초기장력과 20, 40m 선미방향 변위 상태에서 ±10%로 설정되었다.
첫 번째로 KRISO 해양공학수조 조건에서 원형시스템과 정적특성이 유사한 절단계류선의 설계가 가능한지 여부를 파악하였다. KRISO OEB는 길이 50.
총 20개의 계류선 길이를 고려하였으며, 1.1L_shortest ~ 0.75L_longest 사이를 균등하게 나누어서 계류선 길이를 결정하였다. 물 속 중량의 경우 TRUNC01 ~ TRUNC10까지 총 10개의 절단계류선은 원형시스템에 비해 130~700%사이를 30%간격으로, TRUNC11 ~ TRUNC20까지 나머지 10개의 절단계류선은 원형시스템에 비해 110~300%사이를 10%간격으로 나누었다.

대상 데이터

축 강성은 20개 절단계류선 모두 원형시스템에 비해 130~700%사이를 30%간격으로 모든 경우를 균등하게 나누었다. 이로써 총 8,000개의 인자 조합에 대한 해석이 수행되었다.

데이터처리

, 2010), 본 문제에서도 유효한지를 상용프로그램 해석결과와 내부기법 해석결과를 비교함으로써 확인하였다. 상용 프로그램은 OrcaFlex를 활용하였으며 두 기법으로 구조물의 종 방향 정적 변위 테스트(Static offset test in x-direction)를 실시하였다. Fig.

이론/모형

정립된 상미분방정식을 계산하기 위해 Newmark-β 방법을 사용하였다.

성능/효과

(1) 해양공학수조 조건에서는 길이와 폭의 제약이 큼에 따라 절단계류선의 길이 자체가 상당히 짧아지게 된다. 이에 실제 해양구조물과 동일한 정적 변위 테스트 시 수치해석 값 자체가 상당히 불안정하며, 원형 계류선과 정적 특성이 유사한 모형시험용 계류선을 찾을 수 없다.
(2) 심해공학조건에서는 Fairlead부터 Touchdown 지점까지의 거리(L1)가 원형시스템에 일정 수준 이상 근접하면 구조물에 걸리는 복원력과 계류선에 걸리는 장력을 동시에 만족하는 절단계류선 모사가 가능하다. 단, 일정 수준 이상 길어지면 자연적으로 전체 계류선 길이가 짧아지면서 계류계 특성 자체가 현수식 계류선에서 인장 계류선으로 넘어가게 되고, 이런 특성 변화로 복원력 상사가 이뤄지지 않았다.
Fig. 3에 보인 바와 같이 계산된 두 계류선 복원력 곡선은 상당히 잘 일치하며, 정량적으로 구조물의 변위 100m일 때 OrcaFlex으로는 7501.5kN, 본 연구에서 개발한 해석기법으로는 7428.5kN 로써 약 1.05%정도의 약간의 차이만 보이고 있다. 계류선에 걸리는 장력 또한 두 해석결과가 상당히 잘 일치함에 따라 본 해석기법의 유효성을 확인한 이후 본 계산을 수행하였다.
24배 큰 값이 계산된다. KRISO DOEB 조건에서 고려한 절단계류선 중 가장 긴 후보군의 경우 전체 복원력을 맞추는 것은 용이하나 이경우 계류선에 걸리는 장력은 상당한 차이가 남을 확인하였다.
10에 나타내었다. 검은색 실선이 원형시스템의 복원력이고 파란색 실선과 원형 마크가 원형시스템에 비해 물 속 중량은 3.7배, 축 강성은 4.6배한 절단계류선의 해석결과이고 붉은색 드문 점선이 가 있는 실선이 원형시스템에 비해 물 속 중량은 4.0배, 축 강성은 4.6배한 절단계류선의 해석결과이다. 대체적으로 선형적인 경향을 보이고 있으며, 물 속 중량이 다름에 따라 약간의 기울기 차이가 존재한다.
14에 나타내었다. 계류선에 걸리는 장력의 경우 물 속 중량이 130%일 때는 약 0.99배, 물 속 중량이 140%일 때는 약 1.07배로 나타나서 계류선에 걸리는 장력의 상사를 맞추기 위해서는 130% 물 속 중량이 더 적합하다는 결론이 나왔다. 따라서 물속 중량을 130 ~ 140%사이에서 부유체에 걸리는 복원력과 계류선에 걸리는 장력 둘 다 일정 오차 내에 만족하는 절단계류선 설계가 가능한 것으로 사료된다.
마지막으로 KRISO 심해공학수조 조건에서 수심 1,000m에 투입되는 원형시스템과 정적 유사성을 지닌 절단계류선의 결과는 Table 4에 정리되었다. 계산시간은 최소 4790.64초에서부터 최대 6321.93초 사이였으며, 각 경우마다 400개의 물 속 중량, 축강성 인자가 조합되었다.
0m 밀려난 지점에는 오차 범위 내의 값을 지니고 있지만, 그 외 변위 구간에서 상당히 다른 경향을 보이고 있다. 또한 동일한 변위에서의 결과값이 다르게 나타내며, 특히 선수 방향으로의 변위에서는 원형시스템에 비해 상당히 큰 값으로 선미를 향해 복원력을 전달해준다. 이보다 길이가 짧은 계류선에 대한 해석 시(TRUNC02 ~ TRUNC30) -48.
이는 현수식 계류선에서 두드러진 특성으로 원형 시스템과 유사한 특성을 만족함을 확인하였다. 또한 절단계류선에 의한 복원력이 원형 시스템의 그것과 95~105%범위 내로 계산되는 물 속 중량 및 축강성 조합도 400개의 계산 중 37개가 도출되었다. 이 중 물 속 중량이 3.
11에 도식화 하였다. 물 속 중량이 370%일 때보다 400%일 때 전체적으로 증가하는 경향을 보이며, 전자는 원형 시스템에 비해 약 2.07배, 후자는 2.24배 큰 값이 계산된다. KRISO DOEB 조건에서 고려한 절단계류선 중 가장 긴 후보군의 경우 전체 복원력을 맞추는 것은 용이하나 이경우 계류선에 걸리는 장력은 상당한 차이가 남을 확인하였다.
원형시스템을 모사하기 위한 한계조건으로 구조물이 20, 40m 선미방향으로 밀려났을 때 복원력 곡선에서 ±5%, 장력은 초기장력과 20, 40m 선미방향 변위 상태에서 ±10%로 설정되었다.
여기서 Ratio는 원형 계류선에 의한 복원력 대비 절단 계류선에 의한 복원력으로써, 100% 는 두 물리량이 같음을 의미한다. 이 계류선은 가장 긴 계류선이면서 축 강성에 의한 변화는 상대적으로 미미한 가운데 물속 중량에 의한 복원력의 변화가 지배적으로 나타났다. 이는 현수식 계류선에서 두드러진 특성으로 원형 시스템과 유사한 특성을 만족함을 확인하였다.
이 계류선은 가장 긴 계류선이면서 축 강성에 의한 변화는 상대적으로 미미한 가운데 물속 중량에 의한 복원력의 변화가 지배적으로 나타났다. 이는 현수식 계류선에서 두드러진 특성으로 원형 시스템과 유사한 특성을 만족함을 확인하였다. 또한 절단계류선에 의한 복원력이 원형 시스템의 그것과 95~105%범위 내로 계산되는 물 속 중량 및 축강성 조합도 400개의 계산 중 37개가 도출되었다.

후속연구

(3) 현재 해석기법을 기반으로 단일 제원을 이용한 초기 수조시험용 절단계류선 설계가 가능하며, 향후에는 보다 다양한 인자들에 대한 고려, 유전알고리즘 적용을 통한 계산시간의 단축, 두 가지 제원 이상을 활용한 절단계류선 해석 기법 정립 등을 적용할 수 있으며 최종적으로는 동적 상사성을 만족하는 절단계류선 설계가 요구된다.
현재 동 기관에서는 심해공학을 보다 체계적이고 엄밀하게 연구할 수 있는 심해공학수조(Deepwater Ocean Engineering Basin, DOEB)를 건설 중이다. 본 시설은 수조 수심을 최대 15m까지 조절 가능하며, 수조 가운데에는 50m 원통형 피트가 자리 잡고 있어 심해에 설치되는 해양구조물의 계류선 및 라이저 연구에 큰 역할을 수행할 것으로 기대된다. 그럼에도 불구하고 극 심해에 설치되는 계류시스템을 완전히 상사 시키기에는 한계가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	심해공학수조는 어떻게 구성되어 있는가?	현재 동 기관에서는 심해공학을 보다 체계적이고 엄밀하게 연구할 수 있는 심해공학수조(Deepwater Ocean Engineering Basin, DOEB)를 건설 중이다. 본 시설은 수조 수심을 최대 15m까지 조절 가능하며, 수조 가운데에는 50m 원통형 피트가 자리 잡고 있어 심해에 설치되는 해양구조물의 계류선 및 라이저 연구에 큰 역할을 수행할 것으로 기대된다. 그럼에도 불구하고 극 심해에 설치되는 계류시스템을 완전히 상사시키기에는 한계가 있다.
	해저 석유 개발 수심이 깊어지는 이유는?	지속적인 에너지 수요 증가와 육상 및 연안에서의 에너지 개발이 포화상태에 이름에 따라 해저 석유 개발 수심은 점점 더 깊어지는 상황이다. 그러나 실험수조의 경우 깊이, 폭의 물리적 제약으로 인해 실제 계류선과 기하학적 및 동역학적 상사성을 지닌 모형 계류선 투입이 상당히 어렵다.
	실험수조 사용의 어려움은?	지속적인 에너지 수요 증가와 육상 및 연안에서의 에너지 개발이 포화상태에 이름에 따라 해저 석유 개발 수심은 점점 더 깊어지는 상황이다. 그러나 실험수조의 경우 깊이, 폭의 물리적 제약으로 인해 실제 계류선과 기하학적 및 동역학적 상사성을 지닌 모형 계류선 투입이 상당히 어렵다. 현재 한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소(Korea Research Institute of Ships and Ocean Engineering, KRISO)에서 운용 중인 해양공학수조(Ocean Engineering Basin, OEB)는 수심이 최대 3.

참고문헌 (9)

Baarholm, R., Stansberg, C.T., Fylling, I., Lee, M.Y., Ma, W., 2007, A Robust Procedure for Ultra Deepwater Model Testing, Proc. of 17th International Offshore and Polar Engineering Conference, Lisbon Portugal, 2229-2238.
Bernitsas, M.M., Choi, H.S., Crudu, L., Hirata, K., Incecik, A., Kinoshita, T., Moxnes, S., 1999, The Specialist Committee on Deep Water Mooring: Final Report and Recommendations to the 22nd ITTC. Proceedings of the 22nd International Towing Tank Conference, Shanghai, China, 1-24.
International Towing Tank Conference (ITTC), 2002, ITTC Recommended Procedures and Guidelines: Procedure 7.5-02-07-03.4. Stationary Floating Systems Hybrid Mooring Simulation Model Test Experiments, Rev. 00.
International Towing Tank Conference (ITTC), 2005, ITTC Recommended Procedures and Guidelines: Procedure 7.5-02-07-03.5. Truncation of Test Models and Integration with Numerical Simulations, Rev. 00.
Kim, B.W., Sung, H.G., Hong, S.Y., Jung, H.J., 2010. Finite Element Nonlinear Analysis for Catenary Structure Considering Elastic Deformation. Computer Modeling in Engineering & Sciences, 63(1), 29-45.

상세보기
Kim, B.W., Sung, H.G., Kim, J.H., Hong, S.Y., 2013. Comparison of Linear Spring and Nonlinear FEM Methods in Dynamic Coupled Analysis of Floating Structure and Mooring System, Journal of Fluids and Structures, 42, 205-227.

상세보기
Kim, Y.H., Cho, S.K., Sung, H.G., Seo, J.H., Suh, Y.S., 2014, Numerical Study on Designing Truncated Mooring Lines for FPSO Stability Analysis. Journal of Ocean Engineering and Technology, 28(5), 387-395.

원문보기 상세보기
Stansberg, C.T., Ormberg, H., Oritsland, O., 2002, Challenges in Deep Water Experiments: Hybrid Approach, Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering, 124, 90-96.

상세보기
Waals, O.J., van Dijk, R.R., 2004, Truncation Methods for Deep Water Mooring Systems for a catenary moored FPSO and a Semi Taut Moored Semi Submergible. Deep Offshore Technology Conference, New Orleans USA, Paper No. 24-1.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증