[논문]모듈 선체형 삼동 폰툰 보트의 구조설계 민감도 평가와 근사 최적화 해석

최보엽; 손창련; 손준식; 박민호; 송창용

doi:10.21289/ksic.2023.26.6.1279

모듈 선체형 삼동 폰툰 보트의 구조설계 민감도 평가와 근사 최적화 해석
Sensitivity Evaluation and Approximate Optimization Analysis for Structure Design of Module Hull Type Trimaran Pontoon Boat 원문보기

한국산업융합학회 논문집 = Journal of the Korean Society of Industry Convergence, v.26 no.6/2, 2023년, pp.1279 - 1288

최보엽 (중소조선연구원) , 손창련 (중소조선연구원) , 손준식 (중소조선연구원) , 박민호 (중소조선연구원) , 송창용 (목포대학교 조선해양공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, domestic leisure boats have been actively researching eco-friendly product development to enter the global market. Since the hulls of existing leisure boats are mainly made of fiber reinforced plastic (FRP) or aluminum, design techniques for securing structural safety by applying related materials have been mainly studied. In this study, an initial structural design safety assessment of a trimaran pontoon leisure boat with a modular hull structure and eco-friendly high-density polyethylene (HDPE) material was conducted, and sensitivity evaluation and optimization analysis for lightweight design were performed. The initial structural design safety assessment was carried out by creating a finite element analysis model and applying the loading conditions specified in the ship classification regulation to check whether the specified allowable stresses are satisfied. For the sensitivity evaluation, the influence of stress and weight of each hull structural member was evaluated using the orthogonal array design of experiments method, and an approximate model based on the response surface method was generated using the results of the design of experiments. The optimization analysis set the thickness of the hull structural members as the design variable and considered the optimal design formulation to minimize the weight while satisfying the allowable stress. The algorithm of the optimization analysis applied the Gradient-population Based Optimizer (GBO) to improve the accuracy of the optimal solution convergence while reducing the numerical cost. Through this study, the optimal design of a newly developed eco-friendly trimaran pontoon leisure boat with a weight reduction of 10% was presented.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1 Module type hull construction
표 Table 1. Material properties of HDPE and 5083 aluminum
표 Table 2. Principal dimensions
그림 Fig. 2 Finite element modeling
그림 Fig. 3 Stress contour results
그림 Fig. 4 Design variables of trimaran pontoon leisure boat
표 Table 3. Definition and level for design variables
표 Table 4. Design sensitivity evaluation results
그림 Fig. 5 GBO flowchart [15]
그림 Fig. 6 Comparison of weight and HDPE part stress
표 Table 5. Optimization results for population size variation

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 HDPE 소재가 적용된 9m급 모 듈 선체형 삼동(Trimaran) 레저보트의 초기 구조 설계 안전성 평가를 수행하고, 경량화 설계를 위 한 민감도 평가 및 최적화 해석을 수행하였다. 초 기 구조설계 안전성 평가는 유한요소해석 모델을 생성하고 선급 규칙에 명시된 하중 조건을 적용하여 규정된 허용응력 만족 여부를 확인하는 방식으 로 수행하였다.

제안 방법

최적화 해석에서는 선체 구조 부재의 두께를 설계 변수로 설정하고 선급규정 허용응력을 만족 하면서 중량을 최소화할 수 있는 최적 설계안을 근사모델을 이용하여 탐색하였다. GBO 알고리즘 의 특성을 고려하여 개체군의 크기에 따른 최적해 의 수렴특성을 검토하기 위해 50부터 130까지 10 의 간격으로 개체군의 크기를 설정하여 총 9가지 경우에 대해 최적화해석을 수행하였다. 본 연구에 서 고려된 레저보트 선체설계 최적화에 가장 적합 한 개체군 크기를 결정하였으며, 초기설계 대비 선체 중량이 10% 이상 감소한 최적설계안을 제시 할 수 있었다.
본 연구에서는 삼동 레저보트의 선체 구조 부 재별 응력 및 중량의 영향도를 평가하기 위해 직 교 배열 실험계획법을 사용하여 민감도 평가를 수 행하였다. 또한 민감도 평가 결과로부터 성능 영 향도가 지배적인 설계변수를 선정하여 RSM 근사 모델을 생성하고, 근사모델을 최적화 해석에 연계 하고자 하였다.
민감도 평가를 통해 HDPE 소재가 적용된 모듈형 선체 부재의 강도성 능에 가장 영향도가 높은 설계변수와 알루미늄 소 재가 적용된 상부 부재의 강도성능에 가장 영향도 가 높은 설계변수, 그리고 중량에 대한 영향도가 높은 설계변수를 선정하였다. 또한 최적화해석과 연계하기 위해 선정된 설계변수를 이용하여 RSM 근사모델을 생성하였다.
초 기 구조설계 안전성 평가는 유한요소해석 모델을 생성하고 선급 규칙에 명시된 하중 조건을 적용하여 규정된 허용응력 만족 여부를 확인하는 방식으 로 수행하였다. 민감도 평가는 직교 배열 실험계 획법을 사용하여 선체 구조 부재별 응력 및 중량의 영향도를 평가하였고, 실험계획법 결과를 이용하여 반응표면법(Response surface method, RSM) 기반 의 근사모델을 생성하였다. 최적화 해석에서는 선 체 구조 부재의 두께를 설계 변수로 설정하고 허 용응력을 만족하면서 중량을 최소화할 수 있는 최 적의 설계안을 근사모델을 이용하여 탐색하였다.
민감도 평가는 직교 배열 실험계획법을 사용하 여 11개의 선체 부재의 설계변수 변동 범위를 3 수준으로 고려하여 총 81회의 실험이 수행되도록 설계행렬을 구성하였다. 민감도 평가를 통해 HDPE 소재가 적용된 모듈형 선체 부재의 강도성 능에 가장 영향도가 높은 설계변수와 알루미늄 소 재가 적용된 상부 부재의 강도성능에 가장 영향도 가 높은 설계변수, 그리고 중량에 대한 영향도가 높은 설계변수를 선정하였다.
본 논문에서는 친환경 HDPE와 알루미늄 소재 로 설계된 9m급 모듈 선체형 삼동 레저보트의 초 기 구조설계 안전성 평가를 위해 구조해석을 수행 하였고, 선체 중량감소 설계를 위해 직교배열법 기반 민감도 평가와 GBO 알고리즘을 이용한 최 적화 해석을 수행하였다.
GBO 기법은 전역탐색 과정에서 랜덤탐색의 특 징을 갖고 있기 때문에 개체군의 변화에 따른 최 적해의 결과에 차이가 발생할 수 있다. 본 연구에 서는 개체군의 크기에 따른 최적해의 수렴특성을 검토하기 위해 50부터 130까지 10의 간격으로 개 체군의 크기를 설정하여 총 9가지 경우에 대해 최적화해석을 수행하였다. 개체군의 크기에 따른 최적화 결과는 Table 5에 정리하여 나타내었다.
민감도 평가는 직교 배열 실험계 획법을 사용하여 선체 구조 부재별 응력 및 중량의 영향도를 평가하였고, 실험계획법 결과를 이용하여 반응표면법(Response surface method, RSM) 기반 의 근사모델을 생성하였다. 최적화 해석에서는 선 체 구조 부재의 두께를 설계 변수로 설정하고 허 용응력을 만족하면서 중량을 최소화할 수 있는 최 적의 설계안을 근사모델을 이용하여 탐색하였다. 최적화 해석의 알고리즘은 구배율-개체군 기반 최 적화 기법(Gradient-population Based Optimizer, GBO)을 적용하여 최적해의 수렴 정확도를 높이면 서 수치비용을 절감하였다.
최적화 해석에서는 선체 구조 부재의 두께를 설계 변수로 설정하고 선급규정 허용응력을 만족 하면서 중량을 최소화할 수 있는 최적 설계안을 근사모델을 이용하여 탐색하였다. GBO 알고리즘 의 특성을 고려하여 개체군의 크기에 따른 최적해 의 수렴특성을 검토하기 위해 50부터 130까지 10 의 간격으로 개체군의 크기를 설정하여 총 9가지 경우에 대해 최적화해석을 수행하였다.
최적화 해석에서는 선 체 구조 부재의 두께를 설계 변수로 설정하고 허 용응력을 만족하면서 중량을 최소화할 수 있는 최 적의 설계안을 근사모델을 이용하여 탐색하였다. 최적화 해석의 알고리즘은 구배율-개체군 기반 최 적화 기법(Gradient-population Based Optimizer, GBO)을 적용하여 최적해의 수렴 정확도를 높이면 서 수치비용을 절감하였다. 본 연구를 통해 새롭 게 개발된 9미터급 친환경 삼동선체 레저보트의 경량화 최적 설계방안을 제시할 수 있었으며, 연 구결과는 상세설계 단계에서 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

대상 데이터

또한 HDPE는 내충격성, 내부식성, 전기 절연성 등이 기존 폴리 에틸렌 소재 대비 우수하다. 본 연구에서 고려된 레저선박의 소재인 HDPE와 5083 계열 알루미늄 의 주요 기계적 특성치는 Table 1에 나타내었다.
본 연구에서 고려된 선박은 HDPE 소재와 모듈 형 선체 공법을 적용하여 설계된 9미터급 삼동 레저보트이다. 해당 레저보트는 HDPE 소재를 사 용하여 친환경적이고, Fig.

데이터처리

근사모델 생성의 효율성을 높이기 위해서는 설 계변수의 개수가 최소화되어야 하기 때문에 Table 4의 결과로부터 영향도가 높은 설계변수를 선별하 였다. 근사모델 생성에 사용될 설계변수를 선별하 기 위해 각각의 설계변수 별 전체 성능응답치의 평균 영향도를 산출하였고, 평균치가 상대적으로 높은  ,  ,  , 그리고  를 선택하였다.
초기 설계된 레저보트의 구조안전성은 유한요소 해석(Finite element analysis, FEA) 기반의 강도 성능을 평가하였다. 유한요소 모델링 형상은 Fig.

이론/모형

본 연구에서는 삼동 레저보트의 선체 구조 부 재별 응력 및 중량의 영향도를 평가하기 위해 직 교 배열 실험계획법을 사용하여 민감도 평가를 수 행하였다. 또한 민감도 평가 결과로부터 성능 영 향도가 지배적인 설계변수를 선정하여 RSM 근사 모델을 생성하고, 근사모델을 최적화 해석에 연계 하고자 하였다.
최적화 해석에서는 삼동 레저보트 선체 구조 부재의 두께를 설계 변수로 설정하고 허용응력을 만족하면서 선체중량을 최소화할 수 있는 최적 구 조설계안을 탐색하기 위해 RSM을 이용하여 생성 된 근사모델을 이용하였다. 최적화 해석의 알고리 즘은 최적해의 수렴 정확도를 높이면서 수치비용 을 절감하기 위해 GBO 기법을 적용하였다.
최적화 해석에서는 삼동 레저보트 선체 구조 부재의 두께를 설계 변수로 설정하고 허용응력을 만족하면서 선체중량을 최소화할 수 있는 최적 구 조설계안을 탐색하기 위해 RSM을 이용하여 생성 된 근사모델을 이용하였다. 최적화 해석의 알고리 즘은 최적해의 수렴 정확도를 높이면서 수치비용 을 절감하기 위해 GBO 기법을 적용하였다. GBO 기법에서 최적해를 탐색하는 과정은 Fig.

성능/효과

민감도 평가는 직교 배열 실험계획법을 사용하 여 11개의 선체 부재의 설계변수 변동 범위를 3 수준으로 고려하여 총 81회의 실험이 수행되도록 설계행렬을 구성하였다. 민감도 평가를 통해 HDPE 소재가 적용된 모듈형 선체 부재의 강도성 능에 가장 영향도가 높은 설계변수와 알루미늄 소 재가 적용된 상부 부재의 강도성능에 가장 영향도 가 높은 설계변수, 그리고 중량에 대한 영향도가 높은 설계변수를 선정하였다. 또한 최적화해석과 연계하기 위해 선정된 설계변수를 이용하여 RSM 근사모델을 생성하였다.
GBO 알고리즘 의 특성을 고려하여 개체군의 크기에 따른 최적해 의 수렴특성을 검토하기 위해 50부터 130까지 10 의 간격으로 개체군의 크기를 설정하여 총 9가지 경우에 대해 최적화해석을 수행하였다. 본 연구에 서 고려된 레저보트 선체설계 최적화에 가장 적합 한 개체군 크기를 결정하였으며, 초기설계 대비 선체 중량이 10% 이상 감소한 최적설계안을 제시 할 수 있었다.
초기 구조설계 안전성 평가는 FEA 모델을 생성 하고 선급 규칙 하중 조건을 적용하여 수행하였으 며, HDPE 소재가 적용된 모듈 선체부와 알루미늄 소재가 적용된 상단 골조부의 최대응력치는 재료 허용응력 기준으로 57%와 31%의 수준으로 선급 의 허용응력 기준을 충분히 만족하는 것을 확인하 였다. 이를 통해 레저보트의 초기설계 상태는 적 재능력 향상을 위해 중량저감을 위한 최적 설계에 대한 검토가 필요한 것으로 판단되었으며, 민감도 평가와 최적화해석을 연계하여 수행하였다.
초기 구조설계 안전성 평가는 FEA 모델을 생성 하고 선급 규칙 하중 조건을 적용하여 수행하였으 며, HDPE 소재가 적용된 모듈 선체부와 알루미늄 소재가 적용된 상단 골조부의 최대응력치는 재료 허용응력 기준으로 57%와 31%의 수준으로 선급 의 허용응력 기준을 충분히 만족하는 것을 확인하 였다. 이를 통해 레저보트의 초기설계 상태는 적 재능력 향상을 위해 중량저감을 위한 최적 설계에 대한 검토가 필요한 것으로 판단되었으며, 민감도 평가와 최적화해석을 연계하여 수행하였다.

후속연구

최적화 해석의 알고리즘은 구배율-개체군 기반 최 적화 기법(Gradient-population Based Optimizer, GBO)을 적용하여 최적해의 수렴 정확도를 높이면 서 수치비용을 절감하였다. 본 연구를 통해 새롭 게 개발된 9미터급 친환경 삼동선체 레저보트의 경량화 최적 설계방안을 제시할 수 있었으며, 연 구결과는 상세설계 단계에서 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
최적화 해석의 알고리즘은 구배율-개체군 기반 최 적화 기법(Gradient-population Based Optimizer, GBO)을 적용하여 최적해의 수렴 정확도를 높이면 서 수치비용을 절감하였다. 본 연구를 통해 새롭 게 개발된 9미터급 친환경 삼동선체 레저보트의 경량화 최적 설계방안을 제시할 수 있었으며, 연 구결과는 상세설계 단계에서 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

참고문헌 (15)

R. Ojeda, B. G. Prusty, and M. Salas, "Finite？element investigation on the static response of？a composite catamaran under slamming loads,"？Ocean Engineering, vol. 31, no. 7, pp. 901-929,？(2004).？

상세보기
J. S. Park, J. Y. Ko, K. W. Lee, and W. J.？Oh, "Structural analysis of 38 feet diffusion？style for high-speed catamaran yacht," Journal？of Navigation and Port Research, vol. 33, no.？3, pp. 167-174, (2009).？
D. K. Oh, K. W. Lee, and C. W. Lee, "Basic？design of 40ft class pleasure boat based on？digital mock-up," Journal of the Korean？Society of Marine Environment & Safet, vol.？17, no. 3 pp. 283-289, (2012).？
D. K. Oh, D. K. Lee, G. M. Kang, C. H.？Ryu, and J. K. Noh, "Comparative study of？rules of ISO 12215 and international classification？society for structural design of CFRP cruise boat,"？Journal of Ocean Engineering and Technology,？vol. 28, no. 1, pp. 77-84, (2014).？
J. S. Yum and J. H. Yoo, "Structural strength？assessment and optimization for 20 feet class？power boat," Journal of the Society of Naval？Architects of Korea, vol. 53, no. 2, pp. 108-114,？(2016).？
D. E. Ko, "Strength assessment of 8m-class？high-speed planing leisure boat," Journal of the？Korea Academia-Industrial cooperation Society,？vol. 19, no. 10, pp. 418-423, (2018).？
H. B. Mo raes, J. M. Vasconcellos, and P. M.？Almeida, "Multiple criteria optimization applied？to high speed catamaran preliminary design,"？Ocean Engineering, vol. 34, no. 1, pp. 133-147,？(2007).？

상세보기
A. Sozen, G. Neser, and M. Bengisu, "Effect？of the geometry on the structural performance？of high-density polyethylene small craft joints,"？Ships and Offshore Structures, vol. 17, no. 9,？pp. 1939-1946, (2022).？

상세보기
KR, Rules for the classification of high speed？light craft, Korean Register of Shipping, (2023).？
MSC Software, MSC.Nastran User Manual, MSC？Software, (2018).？
D. J. Lee, C. Y. Song, and K. Lee, "Surrogate？model based approximate optimization of？passive type deck support frame for offshore？plant float-over installation," Journal of Ocean？Engineering and Technology, vol. 35, no. 2,？pp. 131-140, (2021).？

원문보기 상세보기
S. H. Park, Design of Experiments, Minyoung？Publishing, Seoul, (2012).？
C. Y. Song and J. Lee, "Comparative study of？approximate optimization techniques in CAE-based？structural design," Transactions of the Korean？Society of Mechanical Engineers-A, vol. 34,？no. 11, pp. 1603-1611, (2010).？
W. C. Park and C. Y. Song, "Evaluation on？sensitivity and approximate modeling of fire？resistance performance for A60 class deck？penetration piece using heat transfer analysis？and fire test," Journal of Ocean Engineering？and Technology, vol. 35, no. 2, pp. 141-149,？(2021).？

원문보기 상세보기
B. R. Lee, G. S. Park, and I. S. Kim,？"Structural safety of the incinerator transfer？conveyor roller chain using GBO," Journal of？the Korean Society of Manufacturing Technology？Engineers, vol. 29, no. 1, pp. 9-16, (2020).

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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