[논문]개조 선박의 A-Frame 설치 및 운용을 위한 다물체 동역학 시뮬레이션 기반 동적 안전성 검토에 관한 연구

오재원; 김형우; 권오순; 강현

doi:10.21289/ksic.2020.23.5.789

개조 선박의 A-Frame 설치 및 운용을 위한 다물체 동역학 시뮬레이션 기반 동적 안전성 검토에 관한 연구
A study on the Multibody Dynamics Simulation-based Dynamic Safety Estimation for Installation and Operation of A-Frame in Retrofit Vessel 원문보기

한국산업융합학회 논문집 = Journal of the Korean Society of Industry Convergence, v.23 no.5, 2020년, pp.789 - 798

오재원 (선박해양플랜트연구소 해양플랜트산업지원센터) , 김형우 (선박해양플랜트연구소 해양플랜트산업지원센터) , 권오순 (한국해양과학기술원) , 강현 (한국해양과학기술원)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper considers the development of the dynamic analysis model and simulation-based operation safety estimation of A-Frame to be applied to the test evaluation support vessel for real sea test. The support vessel will be manufactured by modifying the existing offshore support vessel. Also, development and installation of various sensors and supporting facilities for test evaluation are under preparation. Among these facilities, A-Frame is an equipment that transfers marine equipment from ship deck to the sea floor, and is being designed to transfer up to 50 ton class equipment. However, the A-Frame is a moving equipment using hydraulic cylinders. When the 50 ton equipment is attached and transferred to A-Frame, the buckling of cylinders may occur or A-Frame becomes inoperable due to the influence of huge inertia. For this reason, safety verification should be performed using dynamic analysis techniques that can take into account huge inertia forces in the design of A-Frame. Therefore, in this study, A-Frame and ship behavior were modeled using dynamic analysis method, and the applied loads of various equipment including hydraulic cylinder of A-Frame was measured and the operation safety review was performed.

주제어

표/그림 (22)

그림 Fig. 1 Support vessel with A-Frame
그림 Fig. 2 Procedure for dynamic simulation-based safety evaluation
그림 Fig. 3 Retrofit vessel and A-Frame
그림 Fig. 4 A-Frame operation with offshore equipment
그림 Fig. 5 Dynamic simulation model of A-Frame: (a) Model schematic (b) D.O.F diagram
그림 Fig. 6 Deep-seabed mining robot, MineRo[8]
그림 Fig. 7 Integration model of A-Frame and MineRo
그림 Fig. 8 Operation scenario of A-Frame
그림 Fig. 9 Support loads by periods and amplitudes in scenario A
그림 Fig. 10 Support loads by amplitudes and periods in scenario A
그림 Fig. 11 Support loads by phases in scenario A
그림 Fig. 12 Support loads by periods and amplitudes in scenario B
그림 Fig. 13 Support loads by amplitudes and periods in scenario B
그림 Fig. 14 Support loads by phases in scenario B
그림 Fig. 15 Support loads by periods and amplitudes in scenario C
그림 Fig. 16 Support loads by amplitudes and periods in scenario C
그림 Fig. 17 Support loads by phases in scenario C
그림 Fig. 18 Pulley and Cylinder loads in scenario A
그림 Fig. 19 Pulley and Cylinder loads in scenario B
그림 Fig. 20 Pulley and Cylinder loads in scenario C
그림 Fig. 21 Definition of operation angle
표 Table 1. Maximum applied loads by operation angles of A-Frame

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에는 개조 선박에 설치될 A-Frame의 설치 및 운용 안전성 검토를 위해 다양한 변화를 고려할 수 있는 동역학 시뮬레이션 기반 검증 기술을 적용하여 분석하였다. 분석을 위해 개발된 동역학 시뮬레이션 모델에 개조 선박의 거동 주기, 변위, 위상차와 A-Frame의 운용 각도 등의 운용 시나리오를 변화시켜 주요 하중 작용 지점인 support, cylinder, pulley의 작용 하중을 분석하여 안전성 평가를 수행하였다.
본 연구에서는 동역학 해석 기술을 이용하여 A-Frame의 운용 시나리오에 따른 하중 검토를 통해 A-Frame의 설치 및 해양 장비 운용을 위한 구조안전성 검토를 수행하였다. 동역학 해석을 이용한 선박 탑재 장비 동적 영향도 검토는 그림 2와 같이 수행된다.

제안 방법

A-Frame의 운동을 모사하기 위해 그림 5와 같이 선박에 고정되는 부분은 6자유도를 구속하는 고정 조인트(fixed joint)를 사용하였으며, A-Frame 의 구조물과 유압실린더, pulley는 실제 메커니즘과 동일하게 움직일 수 있도록 한 방향 회전 및 병진 운동이 가능한 revolution joints와 translational joints를 이용하여 모델링 하였다. 유압실린더 모델은 Oh[11]의 연구에서 개발된 stroke displacement 기반 기구동역학 모델을 사용하였다.
본 연구에는 개조 선박에 설치될 A-Frame의 설치 및 운용 안전성 검토를 위해 다양한 변화를 고려할 수 있는 동역학 시뮬레이션 기반 검증 기술을 적용하여 분석하였다. 분석을 위해 개발된 동역학 시뮬레이션 모델에 개조 선박의 거동 주기, 변위, 위상차와 A-Frame의 운용 각도 등의 운용 시나리오를 변화시켜 주요 하중 작용 지점인 support, cylinder, pulley의 작용 하중을 분석하여 안전성 평가를 수행하였다.
시뮬레이션에 적용된 운용 각도는 A-Frame의 기본 운용 각도인 90˚와 진수 시 선체와의 간섭을 피할 수 있는 최소 운용 각도인 60˚에 대해 시뮬레이션을 수행하였으며, 운용 각도에 따른 하중검토를 위해 선박 거동 주기는 하중변화에 가장 작은 영향을 주는 장주기인 15초, 변위는 0.5m, 위상은 0˚로 고정하였다. 하중 계측은 운용 시나리오에 따른 안전성 검토를 위한 하중 계측 부위와 동일하게 적용하였다.
우선, 선박의 거동은 선박 거동 주기와 변위의 parameter iteration을 통한 주요 영향도 검토 방법과 주파수 영역에서의 해양파 정보와 선박 RAO를 이용하여 시간 영역의 선박 거동을 예측 하는 방법이 있으며, 이번 연구에서는 동역학 해석 모델 개발 후 선박 거동 주기와 변위의 parameter iteration을 통한 주요 응답 영향도 평가 방법을 사용하여 평가를 수행하였다.
운용 각도에 따른 하중 영향도 평가를 위해, 그림 21과 같이 A-Frame의 기본 운용 각도인 90˚와, 선체에 간섭되지 않는 최소 진수 각도인 60˚에 대해 support, pulley, cylinder에 작용하는 부하를 분석하였다.
운용 시나리오에 따른 안전성을 검토하기 위해 하중 주요 검토 부위를 유압실린더와 선박 deck 의 고정부(support), 유압실린더(cylinder), pulley와 A-Frame 구조물의 고정부(pulley)로 정의하였으며, 각 부분의 하중을 계측하여 분석에 활용하였다.

대상 데이터

A-Frame 설치 및 운용 검증을 위해 사용된 해양장비는 심해저 광물자원 채광로봇인 MineRo(그림 6[12])를 사용하였다. 기중 무게는 약 27.

이론/모형

A-Frame의 운동을 모사하기 위해 그림 5와 같이 선박에 고정되는 부분은 6자유도를 구속하는 고정 조인트(fixed joint)를 사용하였으며, A-Frame 의 구조물과 유압실린더, pulley는 실제 메커니즘과 동일하게 움직일 수 있도록 한 방향 회전 및 병진 운동이 가능한 revolution joints와 translational joints를 이용하여 모델링 하였다. 유압실린더 모델은 Oh[11]의 연구에서 개발된 stroke displacement 기반 기구동역학 모델을 사용하였다.
3 ton이다. 해석 효율화를 위해 MineRo는 강체 모델로 적용하였으며, A-Frame과는 spring-damper 모델로 umbilical cable을 모사하여 그림 7과 같이 적용하였다.

성능/효과

A-Frame 운용 각도에 따른 하중 검토 결과 표 1과 같이 90˚ 회전 운용에 비해 60˚ 회전 운용시 부하가 절반 이상 감소함을 확인할 수 있다.
A-Frame의 운용 각도 측면에서는 선체와 간섭이 발생하지 않으면서 해양 장비를 진회수시킬 수있는 최소 각도로 운용하여야 시스템에 작용하는 부하가 최소화됨을 확인하였고, 이 역시 거대 관성력으로 인해 발생한다. 따라서, A-Frame의 효율적이고 안전한 운용을 위해서는 해양 장비의 중량에 따라, 안전 운용 각도를 정의하여 실운용에 활용하여야 한다.
개조 선박 A-Frame의 안전성 검토 결과 선박은 장주기의 낮은 변위를 갖을수록 선박 탑재 장비들에 작용하는 부하가 줄어듦을 확인할 수 있었 으며, 위상차는 최대 부하에는 큰 영향을 주지 않았다. 또한, A-Frame 운용 시 가장 큰 부하는 진회수를 위해 해양 장비를 이송하는 시나리오에서 cylinder와 support에서 발생하였으며, 이는 A-Frame과 고중량의 해양 장비가 움직일 시 거대 관성력이 발생하여 cylinder와 support 부분에큰 부하를 인가하기 때문이다.
운용 시나리오 A에서 주기와 위상, 변위에 따른 support 하중 시뮬레이션 분석 결과, 최대 부하는 약 450kN 이었으며, 그림 9와 같이 주기가 높을수록 저주파수의 응답을 갖기 때문에 부하하중은 감소한다. 또한 변위가 증가할수록 하중의 변화가 급격하게 변화함을 확인할 수 있다. 그림 10에 따르면, 변위가 증가할수록 부하하중은 증가 하는 경향을 보이며, 주기가 커질수록 부하하중은 낮아지는 경향을 동일하게 보인다.
운용 시나리오 B에서 주기와 위상, 변위에 따른 support 하중 시뮬레이션 분석 결과, 최대 부하는약 3,500kN 이였으며, 시나리오 A와 유사하게 그림 12∼14와 같이 주기가 높을수록 부하하중은 감소하고, 변위가 증가할수록 하중의 변화가 급격 하게 변화하며 위상에 따라 부하하중 크기가 서로 다름을 확인할 수 있다.
운용 시나리오 C에서 주기와 위상, 변위에 따른 support 하중 시뮬레이션 분석 결과, 최대 부하는 약 2,500kN 이였으며, 시나리오 A와 유사하게 그림 15∼17과 같이 주기가 높을수록 부하하중은 감소하고, 변위가 증가할수록 하중의 변화가 급격하게 변화하며 위상에 따라 부하하중 크기가 서로 다름을 확인할 수 있다.
운용 시나리오에 따른 하중 분석 결과, 가장 큰 하중은 시나리오 B에서 도출되었으며, 일반적인 선상 장비 운용 조건이 6∼8초 주기의 거동이므로 환경 조건에 따른 하중은 크게 안전성에 영향을 주지는 않는다.
운용 시나리오에 따른 하중 분석 결과, 가장 큰 하중은 시나리오 B에서 도출되었으며, 일반적인 선상 장비 운용 조건이 6∼8초 주기의 거동이므로 환경 조건에 따른 하중은 크게 안전성에 영향을 주지는 않는다. 하지만, support와 cylinder 부하 결과에서 A-Frame이 구동될 시 거대 관성력의 영향으로 부하가 크게 발생함을 확인할 수있었으며, 최대 6배까지도 부하가 크게 증가하는 경향을 보였다.

후속연구

따라서, 차기 연구에는 해양 장비 중량과 운용 각도에 따른 하중을 도출하여 cylinder 부와의 안전계수 평가를 통해 운용 매뉴얼을 개발할 계획이다.

참고문헌 (12)

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상세보기
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J. W. Oh, J. Y. Jung, H. W. Kim, S. Hong, K. Y. Sung, and D. S. Bae, "Gap size effect on the tribological characteristics of the roller for deep-sea mining robot", Marine Georesources & Geotechnology, vol. 35, no. 1, pp. 120-126, (2017).

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저자의 다른 논문 :

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].

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