[논문]메가와트급 부유식 해상풍력발전기용 페어리드 체인 스토퍼의 강도 성능평가를 위한 구조 모형 시험

송창용

doi:10.21289/ksic.2023.26.3.421

메가와트급 부유식 해상풍력발전기용 페어리드 체인 스토퍼의 강도 성능평가를 위한 구조 모형 시험
Structural Model Test for Strength Performance Evaluation of Fairlead Chain Stopper Installed on MW Class Floating Type Offshore Wind Turbine 원문보기

한국산업융합학회 논문집 = Journal of the Korean Society of Industry Convergence, v.26 no.3, 2023년, pp.421 - 431

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, the destructive power of typhoons is continuously increasing due to the influence of global warming. In a situation where the installation of floating wind turbines is increasing around the world, concerns about the huge loss and collapse of floating offshore wind turbines due to strong typhoons are deepening. Regarding to the safe operation of the floating offshore wind turbine, the development of a new type of disconnectable mooring system is required. A new fairlead chain stopper considered in this study is devised to more easily attach or detach the floating offshore wind turbine with mooring lines comparing to other disconnectable mooring apparatuses. In order to investigate the structural safety of the initial design of fairlead chain stopper that can be applied to MW-class floating type offshore wind turbine, scale-down structural models were produced using a 3-D printer and structural tests were performed on the models. For the structural tests of the scale-down models, tensile specimens of acrylonitrile butadiene styrene material that was used in the 3-D printing were prepared, and the material properties were evaluated by performing the tensile tests. The finite element analysis of fairlead chain stopper was performed by applying the material properties obtained from the tensile tests and the same load and boundary conditions as in the scale-down model structural tests. Through the finite element analysis, the structural weak parts on the fairlead chain stopper were reviewed. The structural model tests were performed considering the main load conditions of fairlead chain stopper, and the test results were compared to the finite element analysis. Through the results of this study, it was possible to experimentally verify the structural safety of the initial design of fairlead chain stopper. It is also judged that the study results can be usefully used to improve the structural strength of fairlead chain stopper in a detailed design stage.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1 FCS on floating type offshore wind turbine
그림 Fig. 2 Initial design configuration of FCS
그림 Fig. 3 Tensile test specimen lamination at three directions
그림 Fig. 4 Tensile test specimen of ABS material (unit: mm)
그림 Fig. 5 Tensile test machine(left) and set-up(right) for ABS material
그림 Fig. 6 Stress-strain curve measured from tensile test
표 Table 1. Material properties measured from tensile test
그림 Fig. 7 Finite element analysis model of FCS
표 Table 2. Orthotropic material constants for v_ij and G_ij.
그림 Fig. 8 Load control curve
그림 Fig. 9 Stress contour results
그림 Fig. 10 3-d printing scale model of FCS
그림 Fig. 11 Operation(left) and anchoring(right) conditions for structural model test
그림 Fig. 12 Structural models test results for operation (left) and anchoring(right) conditions
그림 Fig. 13 Comparison of force-displacement results for operation and anchoring conditions

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 메가와트급 부유식 해상풍력발전 기의 계류 시스템에 적용이 가능하도록 고안된 FCS에 대해 초기 설계 단계에서의 구조 안전성을 검토하기 위해 3차원 프린터를 이용하여 축소 구조 모형을 제작하고 구조시험과 구조해석을 수행하여 강도성능을 평가하였다. FCS의 실제 형상에 대한 축소 구조모형 시험을 수행하기에 앞서 3차원 프린 터 출력물의 소재인 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene) 재료의 인장시편을 제작하고, 인장시험을 통해 재료특성치를 산출하였다.

제안 방법

FCS의 초기 설계 형상에 대한 축소 모형의 구조시험을 수행하기 전에 3차원 프린터 출력물의 소재인 ABS 재료의 인장시편을 제작하였고, 인장 시험을 통해 재료특성치를 산출하였다. ABS 재질 은 적층면의 방향적 특성에 영향을 받는 직교이방 성 성질을 갖기 때문에 적층방향에 따라 길이, 폭 및 높이 방향에서 각각 시편을 제작하였고, ASTM D638 표준시험법에 따라 인장시험을 수행하여 재 료의 기계적 물성치를 측정하였다. FCS의 구조 취 약부를 수치적으로 검토하고 구조시험을 통해 구 조 취약부를 검증하기 위해 축소 구조모형과 동일 한 형태로 유한요소해석 모델을 생성하였고, 인장 시험으로부터 산출된 직교 이방성 재료 특성치를 해석모델에 적용하였다.
ABS 재질 은 적층면의 방향적 특성에 영향을 받는 직교이방 성 성질을 갖기 때문에 적층방향에 따라 길이, 폭 및 높이 방향에서 각각 시편을 제작하였고, ASTM D638 표준시험법에 따라 인장시험을 수행하여 재 료의 기계적 물성치를 측정하였다. FCS의 구조 취 약부를 수치적으로 검토하고 구조시험을 통해 구 조 취약부를 검증하기 위해 축소 구조모형과 동일 한 형태로 유한요소해석 모델을 생성하였고, 인장 시험으로부터 산출된 직교 이방성 재료 특성치를 해석모델에 적용하였다. 유한요소해석에 적용된 하중조건은 FCS의 실제 작동상태를 고려하여 계 류체인이 Fairlead wheel에 연결되어 인장하중을 받게 되는 작동조건과 계류체인이 Chain stopper 에 고박되는 계류조건을 각각 적용하였다.
FCS의 실제 형상에 대한 축소 구조모형 시험을 수행하기에 앞서 3차원 프린 터 출력물의 소재인 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene) 재료의 인장시편을 제작하고, 인장시험을 통해 재료특성치를 산출하였다. FCS의 구조 취약부를 수치적으로 검토하고 구조시험을 통해 구조 취약부를 검증하기 위해 축소 구조모형과 동일한 형태로 유한요소해석 모델을 생성하고, 인장시험 으로부터 산출된 재료 특성치를 적용하였다. 유한 요소해석에 적용된 하중 및 경계조건은 축소모형 구조시험과 동일한 조건을 적용하였다.
본 연구에서는 메가와트급 부유식 해상풍력발전 기의 계류 시스템에 적용이 가능하도록 고안된 FCS에 대해 초기 설계 단계에서의 구조 안전성을 검토하기 위해 3차원 프린터를 이용하여 축소 구조 모형을 제작하고 구조시험과 구조해석을 수행하여 강도성능을 평가하였다. FCS의 실제 형상에 대한 축소 구조모형 시험을 수행하기에 앞서 3차원 프린 터 출력물의 소재인 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene) 재료의 인장시편을 제작하고, 인장시험을 통해 재료특성치를 산출하였다. FCS의 구조 취약부를 수치적으로 검토하고 구조시험을 통해 구조 취약부를 검증하기 위해 축소 구조모형과 동일한 형태로 유한요소해석 모델을 생성하고, 인장시험 으로부터 산출된 재료 특성치를 적용하였다.
본 논문은 메가와트급 부유식 해상풍력발전기의 계류 시스템에 적용될 수 있도록 개발된 FCS에 대해 초기 설계 단계에서의 구조 안전성을 검토하 기 위해 3차원 프린터로 제작된 축소 모형의 구 조시험과 구조해석을 수행하여 강도성능을 평가하 였다. FCS의 초기 설계 형상에 대한 축소 모형의 구조시험을 수행하기 전에 3차원 프린터 출력물의 소재인 ABS 재료의 인장시편을 제작하였고, 인장 시험을 통해 재료특성치를 산출하였다. ABS 재질 은 적층면의 방향적 특성에 영향을 받는 직교이방 성 성질을 갖기 때문에 적층방향에 따라 길이, 폭 및 높이 방향에서 각각 시편을 제작하였고, ASTM D638 표준시험법에 따라 인장시험을 수행하여 재 료의 기계적 물성치를 측정하였다.
본 논문은 메가와트급 부유식 해상풍력발전기의 계류 시스템에 적용될 수 있도록 개발된 FCS에 대해 초기 설계 단계에서의 구조 안전성을 검토하 기 위해 3차원 프린터로 제작된 축소 모형의 구 조시험과 구조해석을 수행하여 강도성능을 평가하 였다. FCS의 초기 설계 형상에 대한 축소 모형의 구조시험을 수행하기 전에 3차원 프린터 출력물의 소재인 ABS 재료의 인장시편을 제작하였고, 인장 시험을 통해 재료특성치를 산출하였다.
FCS의 구조 취 약부를 수치적으로 검토하고 구조시험을 통해 구 조 취약부를 검증하기 위해 축소 구조모형과 동일 한 형태로 유한요소해석 모델을 생성하였고, 인장 시험으로부터 산출된 직교 이방성 재료 특성치를 해석모델에 적용하였다. 유한요소해석에 적용된 하중조건은 FCS의 실제 작동상태를 고려하여 계 류체인이 Fairlead wheel에 연결되어 인장하중을 받게 되는 작동조건과 계류체인이 Chain stopper 에 고박되는 계류조건을 각각 적용하였다. 하중조 건 별로 구조 취약부를 명확하게 판단하기 위해 재료의 최대인장응력 상태까지 하중을 적용하였 다.
구조해석 결과를 통해 작동조건에서는 Flag block과 Fairlead wheel의 연결부 구조가 취약한 것으로 파악되었고, 계류조건에서는 Fairlead arm 과 Chain stopper의 연결부 구조가 취약한 것으 로 검토되었다. 유한요소해석을 통해 파악된 FCS 의 구조 취약부를 검증하기 위해 동일한 조건으로 축소모형의 구조시험을 수행하였다. 축소모형은 ABS 재질의 인장시험 시편 제작을 위해 사용된 3 차원 프린팅 조건과 동일하게 설정하여 제작하였 다.
유한 요소해석에 적용된 하중 및 경계조건은 축소모형 구조시험과 동일한 조건을 적용하였다. 축소모형 구조시험은 FCS의 실제 작동 상태를 고려한 하중 상태를 구현하여 수행하였고, 구조시험 결과는 구 조해석 결과와 비교하여 시험조건 및 결과의 타당 성을 검토하였다. 본 연구를 통해 부유식 해상풍 력발전기용 FCS의 구조 안전성을 초기 설계단계 에서 시험적으로 검증할 수 있는 방법을 제시할 수 있었으며, FCS의 강도성능 평가 결과는 상세설 계 단계에서 구조성능을 향상시키기 위해 유용하 게 활용될 수 있을 것으로 판단되었다.
유한요소해석을 통해 파악된 FCS 의 구조 취약부를 검증하기 위해 동일한 조건으로 축소모형의 구조시험을 수행하였다. 축소모형은 ABS 재질의 인장시험 시편 제작을 위해 사용된 3 차원 프린팅 조건과 동일하게 설정하여 제작하였 다. 축소모형 구조시험에서 나타난 FCS의 구조 취 약부는 구조해석의 결과와 일치하는 것으로 나타 났다.

대상 데이터

Fig. 7에 나타난 것처럼 FCS의 유한요소해석 모델은 941,268개의 요소와 214,505개의 절점으 로 구성되었고, 각각의 부재는 4절점 사면체 요소 로 모델링하였으며, 부재의 연결부는 Rigid link로 모델링하였다. 유한요소해석 모델에 적용된 재료 물성치는 인장시험으로부터 산출된 직교 이방성 재료 특성치를 적용하였다.
2에 나타나 있는 것처럼 FCS는 해수면 위 의 계류체인과 연결되어 2,250 Ton의 최대인장력 작용조건에서 구조 안전성이 보장되도록 설계되었다. FCS는 Fairlead wheel, Fairlead arm, Chain stopper, Flag block, Connector, 그리고 Hydraulic system의 6개 주요 부품으로 구성되어 있다. Fairlead wheel은 설치 혹은 해체 중 계류체인의 움직임을 가이드하는 부품이다.
7에 나타난 것처럼 FCS의 유한요소해석 모델은 941,268개의 요소와 214,505개의 절점으 로 구성되었고, 각각의 부재는 4절점 사면체 요소 로 모델링하였으며, 부재의 연결부는 Rigid link로 모델링하였다. 유한요소해석 모델에 적용된 재료 물성치는 인장시험으로부터 산출된 직교 이방성 재료 특성치를 적용하였다. 유한요소해석에 적용 된 하중 조건은 FCS의 실제 작동상태를 고려하여 계류체인이 Fairlead wheel에 연결되어 인장하중 을 받게 되는 작동조건(Operation condition)과 계류체인이 Chain stopper에 고박되는 계류조건 (Anchoring condition)을 각각 적용하였다.

데이터처리

유한요소해석을 통해 파악된 FCS의 구조 취약 부를 검증하기 위해 축소모형의 구조시험을 수행 하였다. 축소모형은 ABS 재질의 인장시험 시편 제작을 위해 사용된 3차원 프린터를 동일하게 이 용하여 제작하였다.

성능/효과

구조해석 결과를 통해 작동조건에서는 Flag block과 Fairlead wheel의 연결부 구조가 취약한 것으로 파악되었고, 계류조건에서는 Fairlead arm 과 Chain stopper의 연결부 구조가 취약한 것으 로 검토되었다
축소모형은 ABS 재질의 인장시험 시편 제작을 위해 사용된 3 차원 프린팅 조건과 동일하게 설정하여 제작하였 다. 축소모형 구조시험에서 나타난 FCS의 구조 취 약부는 구조해석의 결과와 일치하는 것으로 나타 났다. 하중-변위 이력 측정 결과로부터 변형에너 지의 흡수 측면에서 계류조건 상태가 작동조건보 다 유리한 것으로 검토 되었다.
축소모형 구조시험에서 나타난 FCS의 구조 취 약부는 구조해석의 결과와 일치하는 것으로 나타 났다. 하중-변위 이력 측정 결과로부터 변형에너 지의 흡수 측면에서 계류조건 상태가 작동조건보 다 유리한 것으로 검토 되었다. 본 연구를 통해 메가와트급 부유식 해상풍력발전기용 FCS의 구조 안전성을 초기 설계단계에서 시험적으로 검증할 수 있는 방법을 제시할 수 있었으며, FCS의 강도 성능 평가 결과는 상세설계 단계에서 구조성능을 향상시키기 위해 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단되었다.

후속연구

하중-변위 이력 측정 결과로부터 변형에너 지의 흡수 측면에서 계류조건 상태가 작동조건보 다 유리한 것으로 검토 되었다. 본 연구를 통해 메가와트급 부유식 해상풍력발전기용 FCS의 구조 안전성을 초기 설계단계에서 시험적으로 검증할 수 있는 방법을 제시할 수 있었으며, FCS의 강도 성능 평가 결과는 상세설계 단계에서 구조성능을 향상시키기 위해 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단되었다.
축소모형 구조시험은 FCS의 실제 작동 상태를 고려한 하중 상태를 구현하여 수행하였고, 구조시험 결과는 구 조해석 결과와 비교하여 시험조건 및 결과의 타당 성을 검토하였다. 본 연구를 통해 부유식 해상풍 력발전기용 FCS의 구조 안전성을 초기 설계단계 에서 시험적으로 검증할 수 있는 방법을 제시할 수 있었으며, FCS의 강도성능 평가 결과는 상세설 계 단계에서 구조성능을 향상시키기 위해 유용하 게 활용될 수 있을 것으로 판단되었다.
13에 나타난 하 중-변위 이력 선도에서도 알 수 있듯이 구조파손 의 발생 전까지 선형적 이력 특성을 보이기 때문 에, 본 연구에서 수행한 축소모형 기반의 구조성 능 검토 결과는 유의한 것으로 판단하였다. 추후 실제 크기의 강재로 제작된 FCS의 구조시험을 수 행하여 본 연구의 결과를 좀 더 심층적으로 검토 해 볼 필요가 있다고 사료된다.
축소모형 구조시험은 FCS의 실제 작동 상태를 고려한 하중 상태를 구현하여 수행되었기 때문에, 시험방법과 결과는 FCS의 상세설계 단계에서 구조성능을 향 상시키기 위해 유용하게 활용될 수 있을 뿐만 아 니라 FCS의 실증시험에도 적용될 수 있다.

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Simulia, Abaqus User Manual, Simulia,？(2022).

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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