선체 블록 러그 최적 배치를 위한 골리앗 크레인의 와이어로프와 블록
간의 동적 접촉력 계산
Calculation of the Dynamic Contact Force between Shipbuilding Block and
Wire Rope of a Goliath Crane for Optimal Lug Arrangement
구 남 국*∙조 아 라**∙차 주 환***∙이 규 열****1)
Ku, Namkug∙Jo, A-Ra∙Cha, Ju-Hwan∙Lee, Kyu-Yeul
요 약
본 논문에서는 선체 블록의 운반 작업 중 발생하는 동적 하중 및 골리앗 크레인의 와이어로프와 선체 블록 간의 동적 접촉력을 고려한 최적 러그 배치 시스템을 설계하고, 다물체계 동역학 커널과 외력 계산 커널을 개발하였다. 다물체계 동역학 커널은 recursive formulation을 이용하여 운동 방정식을 구성하고, 외 력 계산 커널은 비선형 유체정역학적 힘, 선형 유체동역학적 힘, 풍력, 계류력을 계산할 수 있다. 이를 이 용해 블록에 작용하는 와이어로프와 블록 간의 간섭과 동적 접촉력을 계산하고, 그 결과를 이용하여 러그 가 부착된 블록의 구조 해석을 수행하였다.keywords : Lug Arrangement, Dynamic Contact Force, 다물체계 동역학, 선체 블록의 구조 해석
1. 서 론 그림 1 (a) 300,000톤급 유조선의 블록 분할 개념도. (b) 골리앗 크레인의 중량물 운반 장면, (c) 와이어로프에 작용하는 장력 및 와이어로프와 블록 간의 간섭, (d) 블록에 부착되어 있는 러그(Lug) 대형 유조선의 경우 그림 1-(a)에서 보는 바와 같이 길이는 약 320m, 폭은 약 60m, 높이는 약 30m이다. 이러한 대형 선박을 건조할 때에는 선박을 여러 개의 작은 블록으로 나누어 블록을 먼저 제작한 후, 그림 ** 학생회원∙서울대학교 산업·조선공학부 박사과정 [email protected] * ** 서울대학교 산업·조선공학부 석사과정 [email protected] *** 목포대학교 해양시스템공학과 전임강사 [email protected] **** 일반회원∙서울대학교 산업·조선공학부 교수 [email protected] 714
1-(b)에서 보는 바와 같이 대형 크레인을 이용하여 블록을 들어 올리거나(lifting) 뒤집어(turn-over) 도크 내 에 블록을 쌓아(탑재, erection) 건조하는 공법을 사용한다. 이 때, 블록에 와이어로프를 연결하기 위하여 사 용하는 그림 1-(d)와 같은 러그(lug)라는 구조물을 블록에 용접하여 부착한다. 이와 같이 크레인을 이용하여 블록을 운반할 때, 그림 1-(c)에서 보는 바와 같이 와이어로프에 작용하는 장력 또는 와이어로프와 블록 간 의 간섭으로 인한 하중 때문에 블록이 변형될 수 있다. 이 때 블록에 가해지는 하중 및 간섭 위치, 접촉력은 러그의 배치(arrangement)에 따라서 변할 수 있으며, 러그의 배치가 적절하지 못할 경우 블록 탑재 작업의 안정성이 확보되지 않을 수 있다. 김상일(2006)은 조선소에서 배치한 러그 위치 정보와 각 러그에 작용하는 정적 하중을 바탕으로 블록의 구조해석을 수행하여 러그 부착부 주위의 균열 발생 가능성을 검토하였다. 연정흠(2006)은 실제 현장 작업 전에 블록을 들어 올렸을 때의 정적 평형상태에서 블록에 작용하는 하중을 계산하고, 이를 이용하여 구조해 석을 수행하여 러그 배치 결과가 적합한지 판단할 수 있는 시스템을 개발하였다. 이수범(2001)은 블록을 들 어 올렸을 때와 뒤집는 과정에서 에서 변화되는 하중을 정적인 상태에서 계산하였다. 그러나 이상의 논문들 은 블록이나 크레인이 바람이나 유체력등을 받아 발생하는 움직임에 의한 동적 하중 변화, 그리고 와이어로 프와 블록 간의 간섭으로 인하여 발생하는 하중에 대해서는 고려하지 않았다. 본 논문에서는 동적 접촉력을 고려한 최적 러그 배치 시스템을 설계하고, 배치 시스템의 설계 과정에 따라 와이어로프와 선체 블록 간의 동적 접촉력을 계산하였고, 이를 반영하여 러그가 부착된 부위의 블록의 구조해석을 수행하였다. 2. 동적 접촉력을 고려한 최적 러그 배치 시스템 설계 본 논문에서는 와이어로프와 블록간의 동적 접촉력을 고려한 최적 러그 배치를 위하여 그림 2와 같은 시 스템을 설계하였다. ① 먼저 러그 배치 전문가(lug arrangement expert)가 러그의 초기 배치(lug arrangement)를 결정한 뒤, ② 3차원 블록 정보(3D block data), 블록의 작업 절차(operation sequence) 그리 고 러그의 배치 정보(lug arrangement data)를 첫 번째 phase인 “동적 접촉력을 고려한 최적 러그 배치” 프 로그램 내의 “규칙 기반 최적 러그 배치 모델(rule based optimum lug arrangement model)”로 전달한다.
“규칙 기반 최적 러그 배치 모델”은 모델 내에 정의되어 있는 규칙 즉, 제약조건(constraint)를 만족하면서 목적 함수(objective function)를 최소화하는 러그 배치를 계산한다. ③ 이 때, 최적 모델에서 정의된 제약조 건과 목적함수 값은 다물체계 동역학 커널(multibody dynamics kernel)과 외력 계산 커널(external force calculation kernel)에서 계산되며, ④ 다시 “규칙 기반 최적 러그 배치 모델”로 전달한다. ③, ④ 과정을 반복 하여 최적 러그 배치 정보를 계산한 뒤, ⑤ 두 번째 phase 에서는 그 계산 결과가 러그 배치 기준(lug arrangement criteria)을 만족하는지 여부를 판단한다. 만일 러그 배치 기준을 만족하지 않으면 러그 배치 전 문가가 러그 배치를 변경한 뒤 ②번 과정으로 다시 돌아간다. 여기에서 다물체계 동역학 커널과 외력 계산 커널은, ③-(1) 물체의 속도 및 위치를 이용하여, ③-(2) 물체에 가해지고 있는 시간 영역(time domain)에서 의 외력을 계산한다. ③-(3) 계산된 외력이 운동 방정식에 전달되면, ③-(1) 물체의 가속도를 계산하고, 계산 된 가속도를 다시 적분하여 다음 시간에서의 물체 속도 및 위치를 시간 영역(time domain)에서 계산하는 과 정을 반복한다. 다물체계 동역학 커널은 recursive formulation을 이용하여 운동방정식을 구성하며(구남국, 2010), 외력 계산 커널은 비선형 유체 정역학적 힘(Lee, K.Y., 2010), 선형 유체 동역학적 힘(차주환, 2010), 바람에 의한 힘(Park, K.P., 2011), 계류력 등을 계산한다. 715
그림 2 동적 접촉력을 고려한 최적 러그 배치 시스템의 흐름도 본 논문에서 설계한 “동적 접촉력을 고려한 최적 러그 배치 시스템”중 다물체계 동역학 커널과 외력 계산 커널을 개발하여 블록의 운반 작업 중 발생하는 동적 하중과 동적 접촉력을 계산(③, ④ 과정)하고, 그 결과 를 이용하여 러그가 부착된 블록의 구조 해석을 수행하였다. 3. 동적 하중 및 접촉력 을 고려한 구조 해석 동동적 접촉력을 고려한 최적 러그 배치 시스템의 개발을 위하여 그림 3-(c)와 같이 블록 모델을 단순화 하여 와이어로프와 블록 간의 동적 접촉력을 계산하였으며, 동적 접촉력은 최대 205kN까지 계산되었다. 그림 3 (a) 블록의 CAD 도면, (b) 와이어로프와 블록의 간섭 부위 (c) 단순화한 모델을 이용한 와이어로프와 블록 간의 동적 접촉력 계산 그림 4-(a), (b)는 골리앗 크레인 2기를 이용하여 900ton급 블록을 들어 올리는 시뮬레이션 장면이다. 본 작업은 육상에서 이루어지기 때문에 유체력, 바람에 의한 힘, 계류력 중 바람에 의한 힘만을 고려하였다. 이 과정에서 발생하는 동적 하중을 계산하였고, 그림 4-(c)는 정적 하중과 동적 하중의 계산 결과이며, 그림 4-(d)는 이를 이용하여 구조 해석한 결과를 보여준다. 구조해석 결과 동적 하중 및 동적 접촉력을 고려했을 때의 블록 변형이 정적 하중만 고려했을 때에 비하여 약 17% 크게 계산되었다. 716
그림 4 (a) 블록을 들어 올리는 시뮬레이션 장면, (b) 블록에 연결된 와이어로프, (c) 정적 하중 및 동적 하중 계산 결과, (d) 정적 하중 및 동적 하중을 이용한 구조 해석 결과 4. 결론 및 향후 연구 계획 본 논문에서는 기존 연구에서 블록의 구조해석의 입력 값으로서 고려하지 않았던 동적 하중과 와이어로프 와 블록 간의 간섭에 의한 동적 접촉력을 자체 개발한 다물체계 동역학 커널을 이용하여 계산하였다. 향후 이러한 연구 결과를 기반으로 본 논문에서 구성한 “규칙 기반 최적 러그 배치 모델”을 개발할 예정이다. 감사의 글 본 연구는 a) 지식경제부 산업원천기술개발사업(10035331, 시뮬레이션 기반의 선박 및 해양플랜트 생산기 술 개발) b) 국방과학연구소 수중운동체기술특화센터 SM-11 과제 "수중 운동체의 체계/부체계 기능 및 성능 시뮬레이션을 위한 네트워크 기반의 가상 복합 시스템 모델 구조 연구" c) 서울대학교 BK21 해양 기술 인력 양성 사업단 d) 서울대학교 해양시스템공학연구소의 지원을 받아 연구되었음을 밝히며, 이에 감사드립니다. 참고문헌 김상일 (2006) 블록 리프팅 시 Hopper Tank부 균열 발생 가능성 검토를 위한 구조해석, 한국해양공학회지, 제 20권, 제 1호, pp.16～19 연정흠, 김신형, 전석희, 강중규, 허주호 (2006) 대형 블록 구조물의 리프팅 시 구조 안정성 평가에 관한 연 구, MSC Software 2006 Korea Users Conference, 쉐라톤워커힐호텔, 서울
이수범, 신상범, 김정수, 곽병만 (2001) CAD를 이용한 선박 블록의 이동 및 반전 시뮬레이터 DS/Block의 개발, 대한기계학회 2001년도 춘계학술대회논문집 C, pp. 164～169
구남국, 차주환, 박광필, 조아라, 이규열 (2010) Recursive Formulation을 이용한 부유식 풍력 발전기 동적 거동 해석, 2010년 한국풍력에너지학회 추계학술대회
Lee, K. Y., Cha, J. H., and Park, K. P. (2010) Dynamic Response of a Floating Crane in Waves by Considering the Nonlinear Effect of Hydrostatic Force, Ship Technology Research, Vol. 57, No. 1, pp. 62-71.
차주환, 박광필, 구남국, 이규열 (2010) 3D Rankine Panel Method를 이용한 전진속도가 없는 선박의 시간 영역 운동 해석, 서울대학교 선박설계자동화 연구실 내부 연구 보고서.
Park, K. P., Cha, J. H., and Lee, K. Y., (2011) Dynamic Factor Analysis for the Heavy Lifting Operation Considering an Elastic Boom Effects, Ocean Engineering, in 3rd review
