해양구조물 움직임에 따른 Topside Module의 HPU에 대한 구조안전성 평가 Structural Safety Evaluation for the Hydraulic Power Unit of Topside Module According to the Movement of Offshore Plant원문보기
해양플랜트는 발주처와 선급에서 요구하는 다양한 항목들을 설계할 시에 반영하여야 한다. 특히, 해양구조물에 탑재되는 Topside Module의 경우 육상플랜트와는 다르게 공간적 제약이 크고 구조물의 움직임과 같은 해상 환경조건 및 안전과 관련된 요구사항들이 많아 그 설계 과정이 매우 까다롭다. 본 연구에서는 Topside Module에 들어가는 주요장비 중 하나인 HPU(Hydraulic Power Unit) 구조물에 작용하는 하중을 DNVGL 규칙에 따라 계산하고, 각 하중조건에 따른 구조안전성 평가를 진행하였고 개발된 제품의 구조 신뢰성을 향상하고자 하였다. 구조해석은 범용프로그램인 MSC 소프트웨어를 사용하였고, 총 5가지 하중 조건으로 구조해석을 진행하여 다양한 움직임에 대한 안전성을 검토하였다. 그 결과 선미 방향 Pitching 상태(Load Case 5)에서 최대 응력이 발생하였고, 응력 수준은 허용응력의 약 85 % 수준이고, 최대변위는 허용치의 약 5 % 수준으로 구조안전성이 확인되었으며 부재 간 간섭은 발생하지 않았다.
해양플랜트는 발주처와 선급에서 요구하는 다양한 항목들을 설계할 시에 반영하여야 한다. 특히, 해양구조물에 탑재되는 Topside Module의 경우 육상플랜트와는 다르게 공간적 제약이 크고 구조물의 움직임과 같은 해상 환경조건 및 안전과 관련된 요구사항들이 많아 그 설계 과정이 매우 까다롭다. 본 연구에서는 Topside Module에 들어가는 주요장비 중 하나인 HPU(Hydraulic Power Unit) 구조물에 작용하는 하중을 DNVGL 규칙에 따라 계산하고, 각 하중조건에 따른 구조안전성 평가를 진행하였고 개발된 제품의 구조 신뢰성을 향상하고자 하였다. 구조해석은 범용프로그램인 MSC 소프트웨어를 사용하였고, 총 5가지 하중 조건으로 구조해석을 진행하여 다양한 움직임에 대한 안전성을 검토하였다. 그 결과 선미 방향 Pitching 상태(Load Case 5)에서 최대 응력이 발생하였고, 응력 수준은 허용응력의 약 85 % 수준이고, 최대변위는 허용치의 약 5 % 수준으로 구조안전성이 확인되었으며 부재 간 간섭은 발생하지 않았다.
The design of offshore plants should reflect the various requirements of the owner and the classification society. For a topside module mounted on an of shore structure, the design process is very demanding because of the large spatial constraints and the many requirements related to marine environm...
The design of offshore plants should reflect the various requirements of the owner and the classification society. For a topside module mounted on an of shore structure, the design process is very demanding because of the large spatial constraints and the many requirements related to marine environmental conditions and safety such as the movement of the structure. In this study, the load acting on the hydraulic power unit, which is one of the main equipment in the topside module, was calculated according to the DNVGL rule; the structural safety was evaluated according to each load condition and the structural reliability of the developed product was improved. For structural analysis, MSC software was used, and structural analysis was performed under five load conditions to review structural safety for various movements. The results show that the maximum stress occurred during pitching toward the stern (Load Case 5). The stress level was approximately 85 % of the allowable stress, and the maximum deformation was approximately 5 % of the allowable value. The structural safety was confirmed, and no intermember interference occurred.
The design of offshore plants should reflect the various requirements of the owner and the classification society. For a topside module mounted on an of shore structure, the design process is very demanding because of the large spatial constraints and the many requirements related to marine environmental conditions and safety such as the movement of the structure. In this study, the load acting on the hydraulic power unit, which is one of the main equipment in the topside module, was calculated according to the DNVGL rule; the structural safety was evaluated according to each load condition and the structural reliability of the developed product was improved. For structural analysis, MSC software was used, and structural analysis was performed under five load conditions to review structural safety for various movements. The results show that the maximum stress occurred during pitching toward the stern (Load Case 5). The stress level was approximately 85 % of the allowable stress, and the maximum deformation was approximately 5 % of the allowable value. The structural safety was confirmed, and no intermember interference occurred.
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문제 정의
구조해석은 Nastran 프로그램을 이용하여 수행하였다. 본 연구에서는 해양플랜트 Topside에 설치되는 HPU과 같이 기존의 구조해석과 관련된 연구사례가 미비하고 시험적으로 구조에 대한 성능과 검증이 용이하지 않은 대형 구조물의 구조해석을 위하여 해양플랜트의 설계규정을 명시적으로 평가할 수 있는 수치해석적 방법의 구현을 검토하였다.
가설 설정
2. 구조물의 운동방향과 구조물의 부재방향에 따라 응력분포가 달라진다. 즉, 구조물의 운동방향에 맞춰 구조물의 배치를 고려한다면 보다 효율적인 설계가 될 것으로 판단된다.
제안 방법
HPU 주요 구조물은 장비 설치를 편리하게 하고 강성을 더욱 증가시키기 위하여 2개의 Flange를 가지는 “ㄷ”자 형강의 Channel을 사용하였다.
Topside Module에 설치되는 HPU 구조에 대해 해양구조물의 움직임에 따라 발생하는 각각의 하중을 계산하였고, 총 5가지 하중 조건을 얻을 수 있었다. 이를 바탕으로 구조해석으로 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
500톤급 해양플랜트 Topside에는 다양한 무거운 장비들이 설치되며, 설치될 해상환경과 하중에 의한 구조변형을 지속적으로 받는다. Topside에 설치된 HPU의 구조안전성을 평가하기 위해 3장에서 기술된 설계형상과 설계하중 조건을 기반으로 유한요소해석을 수행하고 주요 구조부재에서의 허용응력과 수직 하중에 의한 변형량을 평가한다.
따라서 본 논문에서는 설치되는 HPU 구조를 Table 6의 하중 조건에 따라 해석을 수행하였으며, 측정하고자 하는 부분은 Fig. 5에 나타난 바와 같다. 구조해석 결과를 Table 7과 같이 Load Case별 최대 응력과 최대변위를 허용치와 비교하여 나타내었으며, 이를 바탕으로 Fig.
하지만, 본 과제에서는 해양구조물이 아닌 해양구조물 상부에 설치되는 Topside Module 개발과제로써 해역정보가 없을 뿐만 아니라 해양구조물에 대한 정확한 선형정보도 없어서 실제 운동해석을 수행하기가 어렵다. 또한, 이번 해석은 초기 단계의 구조안정성 검토이므로 선급 규칙에서 규정하고 있는 북대서양(North Atlantic) 해역을 기준으로 가속도를 계산하였고, 그 값은 Table 5과 같다.
이에, 본 연구는 500톤급 해양플랜트 Topside Module에 설치되는 주요 구성품 중의 하나인 HPU의 실제 구조물을 대상으로, 해양플랜트의 움직임에 따라 HPU 구조에 작용하는 하중을 선급 규칙을 적용하여 예측하였다. 이를 바탕으로, 각 하중 조건에 따른 구조안정성 평가를 수행하여, 개발하고 있는 500톤급 Topside Module에 설치되는 HPU의 구조 신뢰성을 검토하였다.
이에, 본 연구는 500톤급 해양플랜트 Topside Module에 설치되는 주요 구성품 중의 하나인 HPU의 실제 구조물을 대상으로, 해양플랜트의 움직임에 따라 HPU 구조에 작용하는 하중을 선급 규칙을 적용하여 예측하였다. 이를 바탕으로, 각 하중 조건에 따른 구조안정성 평가를 수행하여, 개발하고 있는 500톤급 Topside Module에 설치되는 HPU의 구조 신뢰성을 검토하였다.
(2018)은 해양플랜트에 사용되는 초고압 유압 엑추에이터의 방폭 성능을 향상하기 위해 상용소프트웨어인 ANSYS를 이용하여 내부 가연성 가스의 용적 및 농도에 따른 폭발압력을 계산하였고 PCG(preconditioned conjugate gradient)반복해법으로 구조해석을 수행하였다. 해석을 통해 프로토 타입의 형상 최적 설계를 수행하였다.
대상 데이터
Channel의 주요치수, 2차 관성모멘트와 단면계수는 Table 2와 같다. 또한, 각각의 부재들은 ASTM A283 Grade A강재가 사용되었고, 재료 특성치는 Table 3와 같다.
2와 같이 생성하였다. 모델에 사용된 노드(Node)의 수는 2,907개이고, 4절점 사각요소는 2,414개이고, 하중 조건 구현을 위한 강체 요소인 MPC 요소는 1개가 사용되었으며 해석은 Linear Static 해석방법인 Sol 101을 사용하였다(MSC Software, 2013; 2019).
데이터처리
HPU 구조해석을 위해 상용프로그램을 사용하였고, Pre/Post Processor로 MSC Patran을 Solver로 Nastran을 사용하였다. 유한요소 모델은 2-D 요소인 4절점 사각요소(Quad4요소)를 사용하여 Fig.
구조해석은 Nastran 프로그램을 이용하여 수행하였다. 본 연구에서는 해양플랜트 Topside에 설치되는 HPU과 같이 기존의 구조해석과 관련된 연구사례가 미비하고 시험적으로 구조에 대한 성능과 검증이 용이하지 않은 대형 구조물의 구조해석을 위하여 해양플랜트의 설계규정을 명시적으로 평가할 수 있는 수치해석적 방법의 구현을 검토하였다.
이론/모형
HPU 구조해석을 위해 상용프로그램을 사용하였고, Pre/Post Processor로 MSC Patran을 Solver로 Nastran을 사용하였다. 유한요소 모델은 2-D 요소인 4절점 사각요소(Quad4요소)를 사용하여 Fig. 2와 같이 생성하였다. 모델에 사용된 노드(Node)의 수는 2,907개이고, 4절점 사각요소는 2,414개이고, 하중 조건 구현을 위한 강체 요소인 MPC 요소는 1개가 사용되었으며 해석은 Linear Static 해석방법인 Sol 101을 사용하였다(MSC Software, 2013; 2019).
성능/효과
1. 구조해석 결과, 최대 응력은 LC5에서 가장 크게 나타났다. 이는 수직가속도성분(av)이 포함된 하중조건에서 더 큰 영향을 받기 때문인 것으로 판단된다.
3. 구조해석을 통해서 HPU 구조에서 발생하는 최대 응력은 123.68 N/mm2 로 선급식에 따라 계산된 허용응력 126.38 N/mm2이하로 나타났고, 최대변위는 3.4mm로 설계 허용치인 66.0mm 이하로 나타났기 때문에 Topside Module의 HPU 구조는 구조적으로 안전한 것으로 판단된다.
4. 구조안전성 평가를 통해 Oil tank 하부에 응력집중이 발생함을 알 수 있었다. 이를 통해, 응력집중부에는 추가 보강 또는 재질 변경을, 응력이 발생하지 않는 구역은 부재 사이즈를 변경을 검토하여 중량 절감 및 설계 최적화를 할 필요가 있다.
HPU 지지구조의 변형 결과는 하부 기름받이 판과의 간섭 여부를 확인하기 위해, 수직 방향 변형을 검토하였고, 응력 평가와 마찬가지로 Pitching Condition(AFT)인 Load Case 5에서 최대 변형이 발생하였다. 전체 해석결과는 Table 7에 나타나 있고, HPU 구조 간의 간섭은 발생하지 않으므로 설계 오류는 없다고 판정하였다.
구조해석 결과를 분석하면, 전체적인 응력 수준은 허용응력보다 낮게 나타났고, 응력의 경향은 수직 하중이 가장 큰 작용 요인으로 분석된다.
후속연구
5. 향후, 해양구조물 내에서 Topside Module의 위치에 따라 Topsdie Module에 작용하는 가속도가 변화하고 장비 설치 방향에 따라 응력 분포 경향이 바뀌므로 이에 따른 최적 설계와 연구를 진행할 예정이다.
Table 7에서 보듯이 전체 하중 조건들에 대해서 구조적으로 안전하다고 평가되고, Load Case 4, 5에서 상대적으로 높은 응력이 발생하였다. HPU의 실제 구조물을 해양플랜트의 환경조건에 따라 구조 신뢰성을 평가하였는데, 가혹한 해상 상태에서도 Oil tank와 Accumulator 주위를 제외하고 응력집중 현상은 거의 없음에도 동일한 구조 부재를 적용되어 있어, 본 연구를 통해 중량 절감 및 설계 최적화가 필요한 것으로 나타났다.
HPU의 경우, Oil tank 하부에서 다른 구역보다 과도한 응력집중이 발생하므로 응력분산을 위한 보강재 추가 또는 고강도 재질로 변경하는 것을 검토할 필요가 있다. 또한, 응력이 거의 발생하지 않는 주위 부재는 부재 사이즈를 줄여 중량 절감하는 것도 검토할 필요가 있다.
구조물의 운동방향과 구조물의 부재방향에 따라 응력분포가 달라진다. 즉, 구조물의 운동방향에 맞춰 구조물의 배치를 고려한다면 보다 효율적인 설계가 될 것으로 판단된다.
하지만, 본 과제에서는 해양구조물이 아닌 해양구조물 상부에 설치되는 Topside Module 개발과제로써 해역정보가 없을 뿐만 아니라 해양구조물에 대한 정확한 선형정보도 없어서 실제 운동해석을 수행하기가 어렵다. 또한, 이번 해석은 초기 단계의 구조안정성 검토이므로 선급 규칙에서 규정하고 있는 북대서양(North Atlantic) 해역을 기준으로 가속도를 계산하였고, 그 값은 Table 5과 같다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
액추에이터는 무엇인가?
해양플랜트에는 그 특성상 많은 밸브가 사용되고 그 밸브들은 원격조종으로 개폐하는데, 이들 개폐 장치를 액추에이터(Actuator)라고 한다. 액추에이터는 조선 해양 산업뿐만 아니라 자동차 산업 등 다양한 분야에 널리 사용되고 있다.
액추에이터는 어떻게 구분할 수 있는가?
이러한 액추에이터는 유압식, 공압식 등으로 여러 가지 방식으로 구분할 수 있고, 유압식으로 구동할 시에는 유압을 생성하고 안정적으로 공급하기 위해서는 HPU가 꼭 필요하다.
구조안전성 평가 결과 어떤 과정이 필요되는가?
구조안전성 평가를 통해 Oil tank 하부에 응력집중이 발생함을 알 수 있었다. 이를 통해, 응력집중부에는 추가 보강 또는 재질 변경을, 응력이 발생하지 않는 구역은 부재 사이즈를 변경을 검토하여 중량 절감 및 설계 최적화를 할 필요가 있다.
참고문헌 (11)
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