[논문]과도 열전달해석 및 화재시험 기반 A60 격벽 관통관의 방화성능 민감도해석과 메타 모델링

박우창; 송창용

doi:10.21289/ksic.2021.24.2.153

과도 열전달해석 및 화재시험 기반 A60 격벽 관통관의 방화성능 민감도해석과 메타 모델링
Sensitivity Analysis and Meta-modeling of Fire Resistance Performance for A60 Class Bulkhead Penetration Piece Based on Transient Heat Transfer Analysis and Fire Test 원문보기

한국산업융합학회 논문집 = Journal of the Korean Society of Industry Convergence, v.24 no.2/2, 2021년, pp.153 - 165

박우창 (목포대학교 조선해양공학과) , 송창용 (목포대학교 조선해양공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A60 class bulkhead penetration piece is a fire resistance system installed on bulkhead compartment to protect lives and to prevent flame diffusion in case of fire accident in ship and offshore plant. This study deals with evaluation on sensitivity of fire resistance performance and meta-modeling characteristics for A60 class bulkhead penetration piece using transient heat transfer analysis and fire test. The transient heat transfer analysis was carried out to evaluate the fire resistance design of the A60 class bulkhead penetration piece, and verified the analysis results via the fire test. In the sensitivity analysis, the bulkhead penetration piece length, diameter, material type and insulation density were applied to the design factors, and output responses were considered weight, temperature, cost and productivity. Quantitative effects on the output responses for each design factor were evaluated using design of experiment. Optimum design case was also identified to minimize the weight of A60 class bulkhead penetration piece while satisfying the allowable limits of output responses. From the design of experiment results, various meta-models such as Kriging, response surface method and radial basis function based neural network were generated. The design of experiment results were validated by the meta-modeling results. It was concluded that the radial basis function based neural network among the meta-models was able to explore the design space of the A60 class bulkhead penetration piece with the highest accuracy.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1 Design specification of A60 BPP
그림 Fig. 2 Configuration of structure steel core [2].
그림 Fig. 3 Transient heat transfer analysis model
그림 Fig. 4 Material properties of SUS316L [9]
표 Table 1. Detail specification of analysis model.
그림 Fig. 5 Material properties of S45C [10]
그림 Fig. 6 Material properties of SS400 [11]
그림 Fig. 7 Material properties of insulation [12]
그림 Fig. 8 Furnace flame condition
그림 Fig. 9 Temperature distribution contour results
그림 Fig. 10 Fire test set-up
표 Table 2. Comparison of temperature measurement results
표 Table 3. Design factors and their level
표 Table 4. Full factorial experiment results.
표 Table 5. Main effect results [unit: %]
표 Table 6. Optimum design cases for A60 BPP
그림 Fig. 11 Learning procedure of RBFN
표 Table 7. Comparison of approximate modeling results.

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

선박과 해양플랜트에 적용되는 A60 BPP는 격벽구역의 화재 발생 시 기밀유지와 함께 격벽을 관통하여 설치되는 제어와 통신용 케이블의 안전한 운용을 위해 사용되는 방화장치이다. 본 연구에서는 생산성과 품질 향상을 위해 몸체 길이를 축소하고 내화 단열재를 적용하여 새롭게 개발된 A60 BPP의 방화성능을 평가하고자 하였다. 본 연구에서 검토한 A60 BPP의 설계 형상은 Fig.
본 연구에서는 선박과 해양플랜트에 사용되는 A60 BPP의 방화성능 민감도 분석과 최소중량설계를 위해 실험계획법(Design of experiment) 기반 방화설계 민감도해석과 다양한 메타모델을 적용하여 설계공간의 근사화 특성을 평가하였다. 실험계획법과 같은 통계적 기법을 새로 개발된 A60 BPP와 같은 방화시스템의 설계과정에서 융합하면 설계공간 탐색을 효율적으로 수행할 수 있고, 최적설계 방안을 용이하게 도출할 수 있다.

제안 방법

A60 BPP의 민감도해석에서는 검증된 유한요소 모델과 과도 열전달해석 결과를 실험계획법과 연동하여 설계인자(Design factor, DF) 별 성능 응답함수(Output response)에 대한 영향도를 정량적으로 평가하였다. 실험계획법의 설계인자는 A60 BPP의 길이, 직경 및 재질, 그리고 단열재의 밀도를 적용하였고, 성능 응답함수는 중량, 온도, 가격 및 생산성을 각각 적용하였다.
실험계획법과 같은 통계적 기법을 새로 개발된 A60 BPP와 같은 방화시스템의 설계과정에서 융합하면 설계공간 탐색을 효율적으로 수행할 수 있고, 최적설계 방안을 용이하게 도출할 수 있다. A60 BPP의 방화성능을 평가하기 위해 FTP 규정 코드에 나와 있는 시편사양과 온도조건을 반영하여 유한요소법 기반의 과도 열전달 해석을 수행하였다. 과도 열전달 해석결과의 검증을 위한 화재시험은 해사안전위원회에서 규정한 FTP 규정 코드에 따라 수행하였다.
과도 열전달 해석결과의 검증을 위한 화재시험은 해사안전위원회에서 규정한 FTP 규정 코드에 따라 수행하였다. 검증된 유한요소모델과 과도 열전달해석 결과는 실험계획법과 연동하였으며, 설계 인자는 A60 BPP의 길이, 직경 및 재질, 그리고 단열재의 밀도를 적용하였고, 성능 응답함수는 중량, 온도, 가격 및 생산성을 각각 적용하였다. 민감도해석은 실험계획법 결과를 이용하여 설계인자별 성능 응답함수에 대한 영향도를 정량적으로 평가하였고, 온도, 가격 및 생산성과 같은 성능 응답함수의 허용한계치를 만족하면서 중량을 최소화할 수 있는 최적 설계조합을 탐색하였다.
따라서 본 연구에서 고려한 A60 BPP의 방화설계 사양은 FTP 코드의 규정을 만족하는 것으로 확인되었다. 또한, 과도 열전달해석을 이용한 A60 BPP의 방화설계와 열전달 특성의 평가가 적합한 것으로 나타났기 때문에 해석적 방법을 이용하여 A60 BPP의 방화성능에 대해 민감도해석과 설계공간의 근사화 평가 연구를 수행하였다.
실험계획법의 결과로부터, 크리깅(Kriging), 반응표면법 (Response surface method, RSM) 그리고 방사기 저함수 기반 신경망(Radial basis function based neural network, RBFN)과 같은 다양한 메타모델을 생성하였다. 메타모델별로 A60 BPP의 설계공간을 근사화할 수 있는 정확도를 분석하여 실험계획법 결과의 적합성을 검증하였다. A60 BPP의 설계공간에 대해 RBFN이 가장 높은 정확도로 근사화할 수 있는 것으로 나타났다.
검증된 유한요소모델과 과도 열전달해석 결과는 실험계획법과 연동하였으며, 설계 인자는 A60 BPP의 길이, 직경 및 재질, 그리고 단열재의 밀도를 적용하였고, 성능 응답함수는 중량, 온도, 가격 및 생산성을 각각 적용하였다. 민감도해석은 실험계획법 결과를 이용하여 설계인자별 성능 응답함수에 대한 영향도를 정량적으로 평가하였고, 온도, 가격 및 생산성과 같은 성능 응답함수의 허용한계치를 만족하면서 중량을 최소화할 수 있는 최적 설계조합을 탐색하였다. 실험계획법의 결과로부터, 크리깅(Kriging), 반응표면법 (Response surface method, RSM) 그리고 방사기 저함수 기반 신경망(Radial basis function based neural network, RBFN)과 같은 다양한 메타모델을 생성하였다.
본 연구에서는 선박과 해양플랜트에 사용되는 A60 BPP의 방화성능 민감도 분석과 최소중량설계를 위해 실험계획법 기반의 방화설계 민감도해석과 다양한 메타모델을 적용하여 설계공간의 근사화 특성을 평가하였다. 과도 열전달해석과 화재 시험과의 오차비교와 설계사양에 따른 온도특성의 변화 경향성 분석을 통해 과도열전달해석의 타당성이 검증되었다.
민감도해석은 실험계획법 결과를 이용하여 설계인자별 성능 응답함수에 대한 영향도를 정량적으로 평가하였고, 온도, 가격 및 생산성과 같은 성능 응답함수의 허용한계치를 만족하면서 중량을 최소화할 수 있는 최적 설계조합을 탐색하였다. 실험계획법의 결과로부터, 크리깅(Kriging), 반응표면법 (Response surface method, RSM) 그리고 방사기 저함수 기반 신경망(Radial basis function based neural network, RBFN)과 같은 다양한 메타모델을 생성하였다. 메타모델별로 A60 BPP의 설계공간을 근사화할 수 있는 정확도를 분석하여 실험계획법 결과의 적합성을 검증하였다.
A60 BPP의 민감도해석에서는 검증된 유한요소 모델과 과도 열전달해석 결과를 실험계획법과 연동하여 설계인자(Design factor, DF) 별 성능 응답함수(Output response)에 대한 영향도를 정량적으로 평가하였다. 실험계획법의 설계인자는 A60 BPP의 길이, 직경 및 재질, 그리고 단열재의 밀도를 적용하였고, 성능 응답함수는 중량, 온도, 가격 및 생산성을 각각 적용하였다. 실험계획법 결과로 부터 온도, 가격 및 생산성과 같은 성능 응답함수의 허용한계치를 만족하면서 중량을 최소화할 수 있는 최적 설계조합을 탐색하였다.
7% 높아졌지만, FTP 코드의 규정인 180℃ 이하의 조건을 만족하는 것으로 나타났다. 이와 같이 실험계획법과 민감도해석을 이용하여 A60 BPP의 방화성능과 생산성에 대한 유용한 설계정보를 도출하였다.

대상 데이터

단열재는 관통 관의 중심에서 한쪽으로 90mm가 치우쳐 부착되도록 하였다. 관통 관의 재질은 기계구조용 탄소강(S45C)과 오스테나이트계 스테인리스 강(SUS316L)의 사양을 각각 적용하였다.

이론/모형

A60 BPP의 방화성능을 평가하기 위해 FTP 규정 코드에 나와 있는 시편사양과 온도조건을 반영하여 유한요소법 기반의 과도 열전달 해석을 수행하였다. 과도 열전달 해석결과의 검증을 위한 화재시험은 해사안전위원회에서 규정한 FTP 규정 코드에 따라 수행하였다. 검증된 유한요소모델과 과도 열전달해석 결과는 실험계획법과 연동하였으며, 설계 인자는 A60 BPP의 길이, 직경 및 재질, 그리고 단열재의 밀도를 적용하였고, 성능 응답함수는 중량, 온도, 가격 및 생산성을 각각 적용하였다.

성능/효과

과도 열전달해석과 화재 시험과의 오차비교와 설계사양에 따른 온도특성의 변화 경향성 분석을 통해 과도열전달해석의 타당성이 검증되었다. 검증된 유한요소모델을 이용한 민감도해석 결과로부터 중량, 온도, 가격 및 생산성에 가장 영향도가 높은 설계인자는 A60 BPP의 직경, 단열재의 밀도, A60 BPP의 재질과 길이로 각각 나타났다. 또한, 방화설계에는 단열재와 A60 BPP 재질의 선정이 매우 중요한 것으로 나타났고, 생산성 측면에서 A60 BPP의 길이와 직경의 영향도가 높은 것으로 파악되었다.
본 연구에서는 선박과 해양플랜트에 사용되는 A60 BPP의 방화성능 민감도 분석과 최소중량설계를 위해 실험계획법 기반의 방화설계 민감도해석과 다양한 메타모델을 적용하여 설계공간의 근사화 특성을 평가하였다. 과도 열전달해석과 화재 시험과의 오차비교와 설계사양에 따른 온도특성의 변화 경향성 분석을 통해 과도열전달해석의 타당성이 검증되었다. 검증된 유한요소모델을 이용한 민감도해석 결과로부터 중량, 온도, 가격 및 생산성에 가장 영향도가 높은 설계인자는 A60 BPP의 직경, 단열재의 밀도, A60 BPP의 재질과 길이로 각각 나타났다.
60분간의 화재시험에 대한 과도 열전달해석임을 감안하면 해석결과의 정확도가 검증되었다고 할 수 있다. 따라서 본 연구에서 고려한 A60 BPP의 방화설계 사양은 FTP 코드의 규정을 만족하는 것으로 확인되었다. 또한, 과도 열전달해석을 이용한 A60 BPP의 방화설계와 열전달 특성의 평가가 적합한 것으로 나타났기 때문에 해석적 방법을 이용하여 A60 BPP의 방화성능에 대해 민감도해석과 설계공간의 근사화 평가 연구를 수행하였다.
검증된 유한요소모델을 이용한 민감도해석 결과로부터 중량, 온도, 가격 및 생산성에 가장 영향도가 높은 설계인자는 A60 BPP의 직경, 단열재의 밀도, A60 BPP의 재질과 길이로 각각 나타났다. 또한, 방화설계에는 단열재와 A60 BPP 재질의 선정이 매우 중요한 것으로 나타났고, 생산성 측면에서 A60 BPP의 길이와 직경의 영향도가 높은 것으로 파악되었다. 메타모델 별로 A60 BPP의 설계공간을 근사화할 수 있는 정확도를 분석한 결과 모든 메타모델의 성능 응답함수에 대한 근사화 정확도가 매우 높게 나타났으며, 본 연구에서 사용한 실험계획법이 A60 BPP의 설계 공간 분석에 적합한 것으로 검증되었다.
메타모델 별로 A60 BPP의 설계공간을 근사화할 수 있는 정확도를 분석한 결과 모든 메타모델의 성능 응답함수에 대한 근사화 정확도가 매우 높게 나타났으며, 본 연구에서 사용한 실험계획법이 A60 BPP의 설계 공간 분석에 적합한 것으로 검증되었다. 또한, 본 연구의 적용한 전인자실험 방법 기반의 메타모델 중 RBFN이 가장 높은 정확도로 A60 BPP의 설계 공간 탐색이 가능한 것으로 나타났다.
또한, 방화설계에는 단열재와 A60 BPP 재질의 선정이 매우 중요한 것으로 나타났고, 생산성 측면에서 A60 BPP의 길이와 직경의 영향도가 높은 것으로 파악되었다. 메타모델 별로 A60 BPP의 설계공간을 근사화할 수 있는 정확도를 분석한 결과 모든 메타모델의 성능 응답함수에 대한 근사화 정확도가 매우 높게 나타났으며, 본 연구에서 사용한 실험계획법이 A60 BPP의 설계 공간 분석에 적합한 것으로 검증되었다. 또한, 본 연구의 적용한 전인자실험 방법 기반의 메타모델 중 RBFN이 가장 높은 정확도로 A60 BPP의 설계 공간 탐색이 가능한 것으로 나타났다.

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상세보기
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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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