[논문]실험계획법을 이용한 해양플랜트 플로트오버 설치 작업용 능동형 DSF의 구조설계 민감도 해석

김훈관; 송창용; 이강수

doi:10.22156/cs4smb.2021.11.02.098

실험계획법을 이용한 해양플랜트 플로트오버 설치 작업용 능동형 DSF의 구조설계 민감도 해석
Structure Design Sensitivity Analysis of Active Type DSF for Offshore Plant Float-over Installation Using Design of Experiments 원문보기

융합정보논문지 = Journal of Convergence for Information Technology, v.11 no.2, 2021년, pp.98 - 106

김훈관 (목포대학교 조선해양공학과) , 송창용 (목포대학교 조선해양공학과) , 이강수 (선박해양플랜트연구소)

초록
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본 연구에서는 해양플랜트의 플로트오버 설치작업을 위해 개발된 능동형 갑판 지지 프레임 (Deck support frame, DSF)의 구조설계에 대해 다양한 실험계획법을 이용한 민감도해석의 비교연구를 수행하였다. 능동형 DSF의 주요 구조부재의 두께 치수 변수는 설계인자로 고려하였고, 응답치는 중량과 강도성능으로부터 선정하였다. 민감도해석의 비교연구에 사용한 실험계획법은 직교배열설계법, Box-Behnken 설계법 그리고 Latin hypercube 설계법이다. 실험계획법의 설계공간 탐색의 근사화 성능을 평가하기 위해 반응표면법을 각 실험계획법 별로 생성하여 근사화 정확도 특성을 검토하였다. 또한 최상설계안의 결과로부터 실험계획법의 특성에 따른 수치계산 비용, 중량감소 효과 등과 같은 설계향상 효과를 비교하였다. 능동형 DSF의 구조설계에 대해 직교배열설계법이 가장 향상된 결과를 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The paper deals with comparative study on sensitivity analysis using various methods regarding to design of experiments for structure design of an active type DSF (Deck support frame) that was developed for float-over installation of offshore plant. The thickness sizing variables of structure member of the active type DSF were considered the design factors. The output responses were defined from the weight and the strength performances. Various methods such as orthogonal array design, Box-Behnken design, and Latin hypercube design were applied to the comparative study. In order to evaluate the approximation performance of the design space exploration according to the design of experiments, response surface method was generated for each design of experiment, and the accuracy characteristics of the approximation were reviewed. The design enhancement results such as numerical costs, weight minimization, etc. via the design of experiment methods were compared to the results of the best design. The orthogonal array design method represented the most improved results for the structure design of the active type DSF.

주제어

표/그림 (13)

표 Table 1. Design load case for structure analysis
표 Table 2. Material property
그림 Fig. 1. LC3 stress contours for initial design
표 Table 3. Structure analysis results of initial design
그림 Fig. 2. Design factors and their range for active type DSF
표 Table 4. DOE run table of OAD
표 Table 5. DOE run table of BBD
표 Table 6. DOE run table of LHCD
그림 Fig. 3. LC3 stress contours for enhanced design
표 Table 7. Best design cases for active type DSF
그림 Fig. 4. Response surface result for LC3 from OAD
표 Table 8. Main effect results
표 Table 9. Comparison of RSM accuracy

AI 본문요약
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문제 정의

능동형 DSF의 구조설계 민감도해석과 관련하여 본연구에서는 DOE를 이용하여 강도성능에 대해 주요 설계 부재의 영향도를 분석하고, 허용응력을 만족하면서 최대의 중량감소를 이룰 수 있는 설계개선안을 탐색하였다. DOE 기반 구조설계 민감도해석은 OAD, BBD, LHCD의 3가지 방법을 적용하여 구조부재별 강도 성능과 중량에 대한 민감도를 분석하고, 능동형 DSF의 구조설계에 가장 적합한 DOE 방법을 고찰하는 형태로 수행하였다.
따라서 본 연구에서 능동형 DSF의 중량감소 설계안탐색과 구조설계 민감도해석을 위해 사용한 설계 인자의 수준, DOE의 실험횟수, DOE 방법 선정 등과 같은 전반적인 DOE 방법이 합리적으로 수행된 것으로 고찰되었다.
항해통신용 레이더 마스트의 공진 문제 해결을 위해 실험계획법이 공진 영역을 회피할 수 있는 설계방안의 탐색을 위해 응용되었다[5]. 본 연구에서는 20, 000톤 규모 상부구조물의 안전한 해상 이동과 설치작업을 실현하기 위한 플로트오버 공법과 관련하여 새롭게 개발된 능동형 DSF의 설계안전도를 검토하고, 중량감소 설계개선안을 효율적으로 도출하기 위해 다수의 실험계획법(Design of experiments, DOE)을적용한 최상 설계안을 탐색하였다. 또한 능동형 DSF의 주요 구조부재에 대한 민감도 해석을 수행하고, DOE 특성에 따른 민감도 결과를 비교하였다.
본 연구에서는 능동형 DSF의 구조설계 안전도를 확보할 수 있는 중량감소 설계안을 효율적으로 도출하기위해 다양한 DOE 방법을 적용한 최상설계안 탐색과주요 구조부재의 민감도해석을 수행하고, DOE특성에따른 결과를 비교하였다. 다음과 같이 본 연구를 통한주요 연구결과를 정리하였다.

제안 방법

20, 000 톤급 상부구조물을 해양 플랫폼에 플로트 오버 방법으로 설치하기 위해 설계된 능동형 DSF의 구조성능을 평가하기 위해 FEM 기반 구조해석을 수행하였다. 능동형 DSF의 구조부재 중 Tube 형상 부재는 API 5L X52의 재질이 적용되었고, 그 외의 모든 부재는 SM490YB 재질이 적용되었다.
적합성을 검증할 수 있다. 3.2절에서 수행된 다양한 DOE 방법을 이용한 능동형 DSF의 최상설계안 탐색과 주요 구조부재 민감도해석 결과의 적합성을 검증하기 위해 DOE 방법 별로 RSM을 이용한 근사모델링을 수행하고, 각각의 DOE방법으로부터 생성된 RSM의 설계공간 탐색 정확도를 검토하였다. 최소 자승 방법을 이용하면 이차 다항식 형태의 회귀모델인 RSM 은 다음과 같이 정의된다[17].
DOE 기반 구조설계 민감도해석은 OAD, BBD, LHCD의 3가지 방법을 적용하여 구조부재별 강도 성능과 중량에 대한 민감도를 분석하고, 능동형 DSF의 구조설계에 가장 적합한 DOE 방법을 고찰하는 형태로 수행하였다. 3장에서는 사용된 DOE 방법에 대해 간략히 정리하였고, 각각의 DOE 방법을 이용하여 능동형 DSF의 구조설계의 중량감소 설계개선안 탐색과 강도 성능과 중량에 대한 설계 민감도 평가를 수행하였다.
능동형 DSF의 초기 구조설계 개선을 위해 DOE를 이용하여 강도성능에 대한 주요 설계부재의 영향도 분석과 중량을 감소하면서 허용응력을 만족할 수 있는 설계개선안을 탐색하였다. DOE 기반 설계개선방안 도출은 직교배열설계법(Orthogonal array design, OAD), Box-Behnken 설계법(Box-Behnken design, BBD) 그리고 Latin hypercube 설계법(Latin hypercube design, LHCD)의 3가지 방법을 적용하여 민감도 결과를 분석하고, 설계개선특성과 수치계산 비용을 고려하여 능동형 DSF의 구조설계에 가장 적합한 DOE 방법을 탐색하는 형태로 수행하였다. 본 연구에서 적용한 DOE 기반 능동형 DSF의 설계개선안 탐색과 주요 구조부재 민감도 분석결과의 적합성을 검증하기 위해 DOE 방법 별로 반응표면법(Response surface method, RSM)을 이용한 근사모델링을 수행하고, 각각의 DOE 방법으로부터 생성된 RSM의 설계공간 탐색 정확도를 검토하였다.
DOE 특성에 따른 능동형 DSF의 구조설계 민감도해석을 위해 능동형 DSF의 주요 구조부재 두께 치수를 3 수준 설계인자(Design factor)로 설정하였고, Table 1 과 3에 나타난 설계하중조건 별 최대응력과 중량은 응답 함수(Output response)로 설정하였다. Fig.
DOE 특성에 따른 능동형 DSF의 구조설계 민감도해석을 위해 능동형 DSF의 주요 구조부재 두께 치수를 3 수준 설계인자로 설정하였고, 설계하중조건 별 최대응력과 중량은 응답함수로 설정하였다. OAD, BBD 그리고 LHCD의 3가지 DOE방법에서 최상설계안은 모든설계하중조건 대한 최대응력치가 허용응력을 만족하면서 중량이 감소되는 효과를 보였다.
오고 있다. FPSO 플레어 시스템에 설치되는 파이프라인의 서포트 중량 최소화를 위해 강도 제한조건을 만족하도록 진화알고리즘을 응용한 설계 최적화를 수행하였다[1]. 설계위험도를 최소화할 수 있는 최적 설계 안이 FPSO 라이저 부가물의 신뢰성 기반 설계 최적화를 위해 보수적 근사모델인 제한조건 가용성 이동최소자승법을 응용하여 적용되었다[2].
위한 하중조건으로 사용하였다. LC₁의 하중 및 경계조건은 상부구조물의 중량을 하중으로 환산하여 무게중심 위치에서 중력방향으로 적용하였고, 상부 구조물 중량지지 보 구조의 고정부 상에 병진방향 자유도를 구속하여 고려하였다. LC₂의 하중 및 경계조건은 상부구조물 중량의 하중을 무게중심 위치에서 중력 방향으로 적용하였고, 능동형 DSF의 하단부 표면상에 병진 방향 자유도를 구속하여 고려하였다.
LC₁의 하중 및 경계조건은 상부구조물의 중량을 하중으로 환산하여 무게중심 위치에서 중력방향으로 적용하였고, 상부 구조물 중량지지 보 구조의 고정부 상에 병진방향 자유도를 구속하여 고려하였다. LC₂의 하중 및 경계조건은 상부구조물 중량의 하중을 무게중심 위치에서 중력 방향으로 적용하였고, 능동형 DSF의 하단부 표면상에 병진 방향 자유도를 구속하여 고려하였다. LC₃의 하중 조건은 상부구조물 중량과 Load-out 장비의 하중을 무게중심 위치에서 중력방향으로 적용하고, Strand jack의 유압작동력을 Load-out 방향으로 적용하였다.
LC₂의 하중 및 경계조건은 상부구조물 중량의 하중을 무게중심 위치에서 중력 방향으로 적용하였고, 능동형 DSF의 하단부 표면상에 병진 방향 자유도를 구속하여 고려하였다. LC₃의 하중 조건은 상부구조물 중량과 Load-out 장비의 하중을 무게중심 위치에서 중력방향으로 적용하고, Strand jack의 유압작동력을 Load-out 방향으로 적용하였다. 또한 선급규칙에 규정된 다음의 식과 같은 Static skidding force (Fs)을 Load-out 방향의 반대 방향으로 적용하였다[6, 8].
LC₄의 하중 조건은 상부구조물 중량의 하중을 무게중심 위치에서 중력 방향으로 적용하고, DTV의 운동해석[10]을 통해 산출된 방향 별 운동 가속도를 관성하중으로 고려하여 적용하였다. LC₄의 경계조건은 능동형 DSF가 DTV에 탑재된 상태를 고려하기 위해 능동형 DSF와 Grillage 가 접하는 부분에 접촉조건(Contact condition)을 적용하였고, 능동형 DSF를 DTV 갑판에 고박하는 8개의 Steel tension wire를 1-D Rigid link 요소로 각각 이상화하고 병진방향 자유도를 구속하였다. 구조성능 평가를 위한 허용응력은 해양구조물설계에 적용되는 사용응력 설계법[11]을 적용하여 재료 항복응력의 85%로 고려하였다.
자유도를 구속하여 고려하였다. LC₄의 하중 조건은 상부구조물 중량의 하중을 무게중심 위치에서 중력 방향으로 적용하고, DTV의 운동해석[10]을 통해 산출된 방향 별 운동 가속도를 관성하중으로 고려하여 적용하였다. LC₄의 경계조건은 능동형 DSF가 DTV에 탑재된 상태를 고려하기 위해 능동형 DSF와 Grillage 가 접하는 부분에 접촉조건(Contact condition)을 적용하였고, 능동형 DSF를 DTV 갑판에 고박하는 8개의 Steel tension wire를 1-D Rigid link 요소로 각각 이상화하고 병진방향 자유도를 구속하였다.
구성하였다[6~9]. Table 1에 나타난 것처럼 설계하중 조건은 건조가 완료된 상부구조물을 능동형 DSF에 탑재하고 DTV로 이동하는 작업상태를 반영한 Weighing(LC₁), Initial(LC₂), 그리고 Skidding(LC₃) 조건으로 구성된 Load-out 작업조건과 상부구조물 및 능동형 DSF를 탑재한 DTV가 해양플랫폼으로 이동하는 작업상태인 Transport(LC₄) 조건으로 구성하였다. LC₁은 능동형 DSF가 고중량의 상부구조물을 안전하게 탑재할 수 있는지를 확인하기 위해 상부구조물 중량지지 보 구조 (Topside weighing beam) 부분을 고정하여 상부구조물의 중량 하중을 적용하는 조건이다.
Table 4-6에 정리된 결과의 모든 설계하중조건에서최대응력치가 각 재료의 허용항복응력인 SM490YB 재질의 구조부재에서 301.75 MPa과 API 5L X52 재질의 구조부재에서 318.75 MPa 이하를 만족하는 설계조합을 탐색하였다. 허용항복응력을 만족하는 설계조합 중 중량이 가장 적게 산출된 설계조합을 최상설계안 (Best design case)으로 선정하여 Table 7에 정리하여 나타내었다.
능동형 DSF의 초기설계에 대한구조 안전성을 평가하기 위해 우선 실제 작동조건과 관련된 선급규정을 적용하여 설계하중조건을 산정하였다. 구조설계 성능 평가는 FEM을 이용한 3차원 구조해석모델을 생성하고, 설계하중조건과 경계조건을 구조해석모델에 적용하여 구조해석 결과를 산출하였으며, 이를 통해 각각의 설계하중조건에서 최대응력을 검토하는 순서로 수행하였다.
능동형 DSF의 초기설계 상태에서 강도성능 평가는 유한요소법(Finite element method, FEM)을 기반으로 구조해석모델을 생성하여 수행하였다. 능동형 DSF의 실제 작동조건이 고려된 선급규정 하중조건을 산정하여 구조해석모델에 적용하고, 각 하중조건 별 강도성능을 평가하였다. 능동형 DSF의 초기 구조설계 개선을 위해 DOE를 이용하여 강도성능에 대한 주요 설계부재의 영향도 분석과 중량을 감소하면서 허용응력을 만족할 수 있는 설계개선안을 탐색하였다.
능동형 DSF의 실제 작동조건이 고려된 선급규정 하중조건을 산정하여 구조해석모델에 적용하고, 각 하중조건 별 강도성능을 평가하였다. 능동형 DSF의 초기 구조설계 개선을 위해 DOE를 이용하여 강도성능에 대한 주요 설계부재의 영향도 분석과 중량을 감소하면서 허용응력을 만족할 수 있는 설계개선안을 탐색하였다. DOE 기반 설계개선방안 도출은 직교배열설계법(Orthogonal array design, OAD), Box-Behnken 설계법(Box-Behnken design, BBD) 그리고 Latin hypercube 설계법(Latin hypercube design, LHCD)의 3가지 방법을 적용하여 민감도 결과를 분석하고, 설계개선특성과 수치계산 비용을 고려하여 능동형 DSF의 구조설계에 가장 적합한 DOE 방법을 탐색하는 형태로 수행하였다.
본 연구에서 고려된 능동형 DSF는 20, 000톤급 상부구조물의 이송 및 설치를 위해 개발되었으며, DSF의 중앙부에 상부 구조물 설치 시 높이를 미세하게 조절하기 위한 유압실린더(Topside mating cylinder, TMC)를 내장할 수 있도록 고안되었다. 능동형 DSF의 초기설계에 대한구조 안전성을 평가하기 위해 우선 실제 작동조건과 관련된 선급규정을 적용하여 설계하중조건을 산정하였다. 구조설계 성능 평가는 FEM을 이용한 3차원 구조해석모델을 생성하고, 설계하중조건과 경계조건을 구조해석모델에 적용하여 구조해석 결과를 산출하였으며, 이를 통해 각각의 설계하중조건에서 최대응력을 검토하는 순서로 수행하였다.
본 연구에서는 20, 000톤 규모 상부구조물의 안전한 해상 이동과 설치작업을 실현하기 위한 플로트오버 공법과 관련하여 새롭게 개발된 능동형 DSF의 설계안전도를 검토하고, 중량감소 설계개선안을 효율적으로 도출하기 위해 다수의 실험계획법(Design of experiments, DOE)을적용한 최상 설계안을 탐색하였다. 또한 능동형 DSF의 주요 구조부재에 대한 민감도 해석을 수행하고, DOE 특성에 따른 민감도 결과를 비교하였다. 능동형 DSF의 초기설계 상태에서 강도성능 평가는 유한요소법(Finite element method, FEM)을 기반으로 구조해석모델을 생성하여 수행하였다.
3장에서는 사용된 DOE 방법에 대해 간략히 정리하였고, 각각의 DOE 방법을 이용하여 능동형 DSF의 구조설계의 중량감소 설계개선안 탐색과 강도 성능과 중량에 대한 설계 민감도 평가를 수행하였다. 또한 본 연구에서 적용한 DOE 방법 기반 능동형 DSF 의 중량감소 개선설계안 탐색과 주요 구조부재 민감도 분석 결과의 적합성을 검증하기 위해 DOE 방법 별로 RSM을 이용한 근사모델링을 수행하고, 각각의 DOE 방법으로부터 생성된 RSM의 설계공간 탐색 정확도를 검토하였다.
LC₃의 하중 조건은 상부구조물 중량과 Load-out 장비의 하중을 무게중심 위치에서 중력방향으로 적용하고, Strand jack의 유압작동력을 Load-out 방향으로 적용하였다. 또한 선급규칙에 규정된 다음의 식과 같은 Static skidding force (Fs)을 Load-out 방향의 반대 방향으로 적용하였다[6, 8].
갑판에 장착되는 해양 기자재이다. 본 연구에서 고려된 능동형 DSF는 20, 000톤급 상부구조물의 이송 및 설치를 위해 개발되었으며, DSF의 중앙부에 상부 구조물 설치 시 높이를 미세하게 조절하기 위한 유압실린더(Topside mating cylinder, TMC)를 내장할 수 있도록 고안되었다. 능동형 DSF의 초기설계에 대한구조 안전성을 평가하기 위해 우선 실제 작동조건과 관련된 선급규정을 적용하여 설계하중조건을 산정하였다.
DOE 기반 설계개선방안 도출은 직교배열설계법(Orthogonal array design, OAD), Box-Behnken 설계법(Box-Behnken design, BBD) 그리고 Latin hypercube 설계법(Latin hypercube design, LHCD)의 3가지 방법을 적용하여 민감도 결과를 분석하고, 설계개선특성과 수치계산 비용을 고려하여 능동형 DSF의 구조설계에 가장 적합한 DOE 방법을 탐색하는 형태로 수행하였다. 본 연구에서 적용한 DOE 기반 능동형 DSF의 설계개선안 탐색과 주요 구조부재 민감도 분석결과의 적합성을 검증하기 위해 DOE 방법 별로 반응표면법(Response surface method, RSM)을 이용한 근사모델링을 수행하고, 각각의 DOE 방법으로부터 생성된 RSM의 설계공간 탐색 정확도를 검토하였다.
FPSO 플레어 시스템에 설치되는 파이프라인의 서포트 중량 최소화를 위해 강도 제한조건을 만족하도록 진화알고리즘을 응용한 설계 최적화를 수행하였다[1]. 설계위험도를 최소화할 수 있는 최적 설계 안이 FPSO 라이저 부가물의 신뢰성 기반 설계 최적화를 위해 보수적 근사모델인 제한조건 가용성 이동최소자승법을 응용하여 적용되었다[2]. 해양 자동 채염 기의 구조설계에 대해 가장 효율적인 최적설계 결과를 탐색하기 위해 다양한 메타모델을 이용한 근사최적화 기법이 응용되었다 [3].

대상 데이터

이용한 DOE 방법이다. OAT에는 2, 3, 4, 5 수준계와 혼합 수준계가 있으며, 2 수준계와 3 수준 계가 주로 사용되며, 본 연구에서는 다음과 같은 3 수준계의 OAT를 사용하였다[13].
능동형 DSF의 구조부재 중 Tube 형상 부재는 API 5L X52의 재질이 적용되었고, 그 외의 모든 부재는 SM490YB 재질이 적용되었다. 재질에 따른 특성치는 Table 2에 정리하여 나타내었다.

이론/모형

LC₄의 경계조건은 능동형 DSF가 DTV에 탑재된 상태를 고려하기 위해 능동형 DSF와 Grillage 가 접하는 부분에 접촉조건(Contact condition)을 적용하였고, 능동형 DSF를 DTV 갑판에 고박하는 8개의 Steel tension wire를 1-D Rigid link 요소로 각각 이상화하고 병진방향 자유도를 구속하였다. 구조성능 평가를 위한 허용응력은 해양구조물설계에 적용되는 사용응력 설계법[11]을 적용하여 재료 항복응력의 85%로 고려하였다.
75 MPa로 각각 산정되었다. 구조해석은 범용 유한요소해석 소프트웨어인 ABAQUS/Implicit[12]를 사용하여 수행하였다.
또한 능동형 DSF의 주요 구조부재에 대한 민감도 해석을 수행하고, DOE 특성에 따른 민감도 결과를 비교하였다. 능동형 DSF의 초기설계 상태에서 강도성능 평가는 유한요소법(Finite element method, FEM)을 기반으로 구조해석모델을 생성하여 수행하였다. 능동형 DSF의 실제 작동조건이 고려된 선급규정 하중조건을 산정하여 구조해석모델에 적용하고, 각 하중조건 별 강도성능을 평가하였다.
설계위험도를 최소화할 수 있는 최적 설계 안이 FPSO 라이저 부가물의 신뢰성 기반 설계 최적화를 위해 보수적 근사모델인 제한조건 가용성 이동최소자승법을 응용하여 적용되었다[2]. 해양 자동 채염 기의 구조설계에 대해 가장 효율적인 최적설계 결과를 탐색하기 위해 다양한 메타모델을 이용한 근사최적화 기법이 응용되었다 [3]. 함정용 탄성마운트의 응력 및 동특성을 고려한 최적배치 설계를 구현하기 위해 유전 알고리즘이 응용되었다[4].

성능/효과

3에 나타내었다. Fig. 1과 Fig. 3의 결과를 비교해 보면, 최대 응력치가 최상설계안에서 초기설계 대비 SM490YB 재질의구조부재는 0.9%, AP I5 LX52 재질의 구조부재는 4.6%로 각각 감소되었다. 최대 응력 발생 위치도 Strand jack mount part의 내부 보강부재에서 Main frame part 하부로 이동하였다.
Table 8에 정리된 것처럼 중량에 대한 주 영향도는 모든 DOE 방법에서 거의 동일한 수준으로 나타났다. LC₁의 최대 응력치에 대해서는 DF#1과 DF#3 의 영향도가 높게 나타났고, LC₂ ~ LC₄의 최대 응력치에서는 DF#3과 DF#8의 영향도가 높게 나타났다. 최대응력치에 대한 BBD의 DF#1, DF#3, 그리고 DF#8 의 영향도는 다른 DOE방법보다 다소 높게 나타나는 특성을 보였다.
중량은 응답함수로 설정하였다. OAD, BBD 그리고 LHCD의 3가지 DOE방법에서 최상설계안은 모든설계하중조건 대한 최대응력치가 허용응력을 만족하면서 중량이 감소되는 효과를 보였다. 그 중 OAD가 중량감소율이 가장 우수한 것으로 나타났으며, 수치계산 비용인 DOE의 실험횟수는 OAD가 가장 높지만, 중량감소율과 설계하중조건 별 응력결과를 고려했을 때 OAD 가 능동형 DSF의 중량감소 구조설계 개선안 도출에 가장 효율적인 방법으로 나타났다.
나타났다. RSM을 이용한 DOE 방법의 적합도 평가로부터 응답 함수 별로 근사된 RSM 정확도의 평균치는 모든 DOE 방법에서 약 95%의 높은 정확도를 보였고, OAD 를 적용한 경우가 가장 높게 나타났으며, 본 연구에서 능동형 DSF의 중량감소 설계안 탐색과 구조설계 민감도해석을 위해 사용한 설계인자의 수준, DOE의 실험 횟수, DOE 방법 선정 등과 같은 전반적인 DOE 방법이 합리적으로 수행된 것으로 확인되었다.
허용항복응력을 만족하는 설계조합 중 중량이 가장 적게 산출된 설계조합을 최상설계안 (Best design case)으로 선정하여 Table 7에 정리하여 나타내었다. Table 7에 나타낸 바와 같이 모든 DOE 방법에서 최상 설계안은 설계하중조건에 대해 모두 최대응력치가 허용항복응력을 만족하였고, BBD와 LHCD는 초기설계 대비 최대응력치의 변동 경향 성이 유사한 반면, OAD는 LC₁과 LC₃에서 다른 DOE 방법과 달리 최대응력치가 초기설계 대비 감소하는 변동 특성을 나타내었다. 본 연구에서 고려한 능동형 DSF의구조설계에 대한 각각의 DOE 방법에서 OAD가 중량감소율이 14.
각각의 DOE 방법으로부터 응답함수 별로추정된 RSM의 예측 정확도 결과는 Table 9에 나타내었다. Table 9에 나타낸 바와 같이 중량의 근사모델 정확도는 모든 DOE방법에서 실제값과 차이가 없는 1.0 으로 나타났고, 각각의 설계하중조건 별 응답함수에 대한 근사모델의 정확도는 OAD의 경우 LC₂에 대해서최대 8.1%의 오차를 보였으며, BBD와 LHCD의 경우 13%와 7.9%의 오차율로 나타났다. 응답함수 별로 근사된 RSM 정확도의 평균치는 모든 DOE 방법에서 약 95%의 높은 정확도를 보였으며, OAD에서 가장 높은정확도를 보였다.
구조설계의 민감도해석으로부터 중량에 대한 주 영향도 는 모든 DOE 방법에서 거의 동일한 수준으로 나타났으며, LC₁의 최대 응력치에 대해서는 DF#1과 DF#3 의 영향도가 높게 나타났고, LC₂ ~ LC₄의 최대 응력치에서는 DF#3과 DF#8의 영향도가 높게 나타났다. RSM을 이용한 DOE 방법의 적합도 평가로부터 응답 함수 별로 근사된 RSM 정확도의 평균치는 모든 DOE 방법에서 약 95%의 높은 정확도를 보였고, OAD 를 적용한 경우가 가장 높게 나타났으며, 본 연구에서 능동형 DSF의 중량감소 설계안 탐색과 구조설계 민감도해석을 위해 사용한 설계인자의 수준, DOE의 실험 횟수, DOE 방법 선정 등과 같은 전반적인 DOE 방법이 합리적으로 수행된 것으로 확인되었다.
OAD, BBD 그리고 LHCD의 3가지 DOE방법에서 최상설계안은 모든설계하중조건 대한 최대응력치가 허용응력을 만족하면서 중량이 감소되는 효과를 보였다. 그 중 OAD가 중량감소율이 가장 우수한 것으로 나타났으며, 수치계산 비용인 DOE의 실험횟수는 OAD가 가장 높지만, 중량감소율과 설계하중조건 별 응력결과를 고려했을 때 OAD 가 능동형 DSF의 중량감소 구조설계 개선안 도출에 가장 효율적인 방법으로 나타났다.
능동형 DSF의 초기 설계단계에 대해 FEM 기반 구조해석을 통해 선급규정 설계하중조건에 대한 구조성능을 평가하였고, 모든 설계하중 조건에서 능동형 DSF 의 최대응력치는 재질의 허용항복응력 수준을 만족하는 것으로 나타났으며. 설계하중조건 중 LC₃의 응력수준이 가장 높게 나타났다.
방법이다 [16]. 모든 실험영역을 반복 없이 고려할 수 있고 실험을 비교적 적게 하여 시간과 비용을 줄일 수 있다.
Table 7에 나타낸 바와 같이 모든 DOE 방법에서 최상 설계안은 설계하중조건에 대해 모두 최대응력치가 허용항복응력을 만족하였고, BBD와 LHCD는 초기설계 대비 최대응력치의 변동 경향 성이 유사한 반면, OAD는 LC₁과 LC₃에서 다른 DOE 방법과 달리 최대응력치가 초기설계 대비 감소하는 변동 특성을 나타내었다. 본 연구에서 고려한 능동형 DSF의구조설계에 대한 각각의 DOE 방법에서 OAD가 중량감소율이 14.7%로 BBD나 LHCD보다 우수한 것으로 나타났고, LHCD의 중량감소율이 10.8%로 가장 낮게 산출되었다. 수치계산 비용인 DOE의 실험횟수는 OAD가 가장 높지만, 중량감소율과 설계하중조건 별 응력 결과를 고려했을 때 OAD가 중량감소를 위한 능동형 DSF의 구조설계 개선안 도출에 가장 효율적인 방법임을 알 수 있다.
전체적인 응력 수준은 SM490YB 재질의 구조부재가 AP I5 LX52 재질의 구조부재 보다 높게 나타났다. 설계하중조건 중 LC₃의 응력 수준이 가장 높게 나타났으며, SM490YB 재질의 구조부재의 최 대응력은 허용응력치의 95%에 근접하였다. Fig.
8%로 가장 낮게 산출되었다. 수치계산 비용인 DOE의 실험횟수는 OAD가 가장 높지만, 중량감소율과 설계하중조건 별 응력 결과를 고려했을 때 OAD가 중량감소를 위한 능동형 DSF의 구조설계 개선안 도출에 가장 효율적인 방법임을 알 수 있다.
9%의 오차율로 나타났다. 응답함수 별로 근사된 RSM 정확도의 평균치는 모든 DOE 방법에서 약 95%의 높은 정확도를 보였으며, OAD에서 가장 높은정확도를 보였다.
최대응력치에 대한 BBD의 DF#1, DF#3, 그리고 DF#8 의 영향도는 다른 DOE방법보다 다소 높게 나타나는 특성을 보였다. 이와 같이 다양한 DOE 방법을 적용한 최상설계안 탐색연구를 통해 능동형 DSF의 구조설계강도성능 평가에서 OAD가 가장 효율적인 탐색 방법임을 확인하였으며, DF#1, DF#3, 그리고 DF#8의 부재가 강도 설계상 가장 중요하게 고려해야하는 구조부재로 나타났다.
재질에 따른 특성치는 Table 2에 정리하여 나타내었다. 재료의 허용응력은 선급 규정에 따라 재료 항복응력의 85%를 기준으로 SM490YB재질은 301.75 MPa, API 5L X52재질은 318.75 MPa로 각각 산정되었다. 구조해석은 범용 유한요소해석 소프트웨어인 ABAQUS/Implicit[12]를 사용하여 수행하였다.
Table 3에 나타난 것처럼 모든 설계하중 조건에서 능동형 DSF의 최 대응력 치는 재질의 허용항복응력 수준을 만족하는 것으로 나타났다. 전체적인 응력 수준은 SM490YB 재질의 구조부재가 AP I5 LX52 재질의 구조부재 보다 높게 나타났다. 설계하중조건 중 LC₃의 응력 수준이 가장 높게 나타났으며, SM490YB 재질의 구조부재의 최 대응력은 허용응력치의 95%에 근접하였다.
LC₁의 최대 응력치에 대해서는 DF#1과 DF#3 의 영향도가 높게 나타났고, LC₂ ~ LC₄의 최대 응력치에서는 DF#3과 DF#8의 영향도가 높게 나타났다. 최대응력치에 대한 BBD의 DF#1, DF#3, 그리고 DF#8 의 영향도는 다른 DOE방법보다 다소 높게 나타나는 특성을 보였다. 이와 같이 다양한 DOE 방법을 적용한 최상설계안 탐색연구를 통해 능동형 DSF의 구조설계강도성능 평가에서 OAD가 가장 효율적인 탐색 방법임을 확인하였으며, DF#1, DF#3, 그리고 DF#8의 부재가 강도 설계상 가장 중요하게 고려해야하는 구조부재로 나타났다.

후속연구

본 연구에서 수행된 DOE 이론을 이용한 설계탐색방법은 새로운 공법 및 부가 구조물 개발이 빈번하게요구되는 해양기자재의 설계 성능 향상에 유용하게 응용될 수 있을 것으로 사료된다.

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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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