<응용논문> pISSN 1226-0606 eISSN 2288-6036
조선 기본구조설계 단계에서의 3D CAD/CAE 인터페이스 개발
손명조† · 이정렬 · 박호균 · 김종오 · 우정재 · 이정현 (사)한국선급 기술본부 연구소 IT융합연구팀
Development of 3D CAD/CAE Interface in Initial Structural Design Phase of Shipbuilding
Myeong-Jo Son†, Jeong-Youl Lee, Ho Gyun Park, Jong-Oh Kim, Jengjae Woo, and JoungHyun Lee
IT Convergence Research Team, R&D Center, Technical Division, Korean Register Received 11 February 2016; received in revised form 3 March 2016; accepted 5 March 2016
ABSTRACT
The finite element modeling of a ship for hull structural analysis on the basis of new harmo- nized common structural rules (CSR-H) is to be extended to the cargo holds in fore and after body of a ship. Unlike the parallel middle-body where the external and internal features of hull are equal along to the longitudinal direction of a ship, in fore and after body, the external and internal features of hull vary linearly or even irregularly in forms of a surface or a curve along to the longitudinal direction of a ship. Thus, it needs lots of design man-hours for the modeling for structural analysis. In order to save man-hours in initial structural design phase of a ship, the specified 3D CAD system has been adopted in shipbuilding industry. Through the interface between CAD and CAE (rule scantling and direct strength assessment), design man-hour in ini- tial design phase can be saved even under the environment of CSR-H.
Key Words: Auto Finite Element Modeling, CAD/CAE Interface, Direct Strength Assessment, Initial Structural Design, Rule Scantling, Ship 3D CAD
1. 서 론
국제선급연합회(IACS)에서 채택한 공통구조규 칙(CSR; Common Structural Rules) 기반에서 산 적화물선과 탱커선의 구조해석을 위한 모델링은 중앙평행부에 위치한 화물창을 대상으로 하였으 나, 새로운 통합 공통구조규칙(CSR-H; Harmonized CSR)의 채택 및 적용으로 선수미부의 화물창까지
그 범위가 확장되었다[1]. 선체 외부 및 내부 형상 이 선박의 길이방향으로 균일한 중앙평행부와는 달리, 선수미부는 외부 및 내부 형상이 선박의 길 이방향으로 선형적으로 변화하거나 심지어 곡면 및 곡선을 이루면서 불균일하게 변하고 있어, 구 조해석을 위한 FE(Finite Element; 유한요소) 모델 링에 기존대비 3~5배 이상의 설계시수가 요구된다[2].
기본, 상세, 생산 설계로 이어지는 조선 구조설 계단계[3]에서 이러한 구조설계 및 평가에 대한 시 수 증감은 주로 기본구조설계 단계에 집중된다. 이 와 같은 시수 증가에도 불구하고, 세계적인 해운
†Corresponding Author, mjson@krs.co.kr © 2016 Society of CAD/CAM Engineers
경기 침체와 선복량 과잉으로 인해 선박 발주는 급감하여 조선소는 선박계약 후 인도까지 약 9~
12개월 정도의 건조기간을 가지는 단납기 선박도 수주하는 실정이다. 이에 따라 기본구조설계 단계 에서 설계 생산성을 향상할 수 있는 방안에 대한 연구 필요성이 산업계로부터 대두되었다.
본 연구에서는 모델링 시수를 절감을 위해 국내 조선 구조설계 분야에서 주로 사용되는 CAD (Computer-Aided Design) 시스템과 CAE(Computer- Aided Engineering) 시스템의 인터페이스를 개발 한 결과를 제시한다. 구현된 인터페이스는 한국선 급에서 개발한 Rule Scantling 및 구조강도평가 소 프트웨어(S/W)인 SeaTrust-HullScan에 적용되어, 현재 국내 전 조선소 기본구조설계 부서에서 사용 되고 있다[4].
2. 조선 기본구조설계 단계에서의 CAD/CAE 인터페이스 개요
선박 구조설계에서는 Fig. 1과 같이 각 설계단 계에서 요구되는 선박 모델 수준과 관점이 상이하 여 단계별로 특화된 S/W가 사용되고 있다. 특히, 기본구조설계 단계에서는 잦은 설계 변경이 이뤄 지고, 설계 결과물이 2D 형태의 구조도면이기 때 문에 3D CAD 모델 기반의 설계가 아닌 2D 제도
기반의 CAD 시스템이 주로 사용되고 있었다[5]. 최근, 기본구조설계 단계에서 3D 모델링이 사용 될 수 있도록 모델링 범위를 선박 전선을 대상으 로 하고, 초기 중량 산출, 유한요소모델 자동생성 기능을 갖춘 기본구조설계용 3D 조선 CAD 시스 템이 개발되어 설계 생산성을 향상시킬 수 있는 기반이 마련되었다. 대표적으로는 NAPA社의 NAPA Steel[6]과 타임텍㈜의 TTM ISD[7]가 있다.
한편, 선급 성능해석 S/W와 유한요소해석 S/W 를 이용한 Rule Scantling 및 구조해석도 기본구조 설계 단계에 필수적이다. 이러한 이종 S/W는 모 델의 상호 호환 및 연계가 원활하지 못하여 동일 한 선박의 모델을 여러 번 다른 형식으로 중복 모 델링을 하고 있는 실정이다.
본 연구에서 제안하는 기본구조설계 단계에서 의 일관된 3D모델 사용 방안은 다음과 같다(Fig.
1). 기본계산 S/W인 NAPA(NAPA Basic)으로부터 선형 3D 곡면 모델과 선박의 주요 제원 및 치수, FR(Frame; 선박 고유의 길이방향 위치 정보) 등을 전달받아, 기본구조설계용 3D CAD 시스템에서 3D 전선 모델링을 수행한다. 설계 결과가 선급규 칙에 부합되는지 평가하기 위해, 평가할 위치의 선 체횡단면 2D 모델을 생성한다. 생성된 모델은 선 급 Rule Scantling S/W에 입력되어 강도평가에 사 용된다.
Fig. 1 Outline of CAD/CAE Interface in Ship Initial Design Process
강도평가 결과 설계 변경이 필요할 경우, 선급 Rule Scantling S/W 안에서 모델의 설계 변경을 수 행하고 선급규칙을 만족할 때까지 평가 및 모델 변경을 반복한다. 규칙을 만족하는 설계 모델이 확 정된 경우, 선체횡단면 모델을 개발된 인터페이스 파일형식으로 Export하여, 기본구조설계 3D CAD 시스템으로 Import한다. 이 때, 설계자는 수정된 설계 정보를 식별하여 CAD 모델에 반영여부를 결 정하고, 그 결과에 따라 3D 모델이 자동으로 변경 된다.
이와 같이 수정된 3D 모델은 상세설계 및 생산 설계용 조선 CAD 시스템인 AVEVA Marine 또는 Smart Marine 3D로 변환되어 사용된다. 또한 전체 모델은 SeaTust-HullScan의 직접구조강도평가 (DSA; Direct Strength Assessment) 모드에 Import 되어 Yield, Buckling 및 Ultimate Strength, Fatigue Strength 평가에 사용되기 위해, 각 목적에 맞는 유 한요소모델로 자동 생성된다.
본 논문의 개발범위는 Fig. 2와 같다. 기본구조 설계 단계에서의 CAE(Rule Scantling 및 직접구조 강도 평가) S/W로서 SeaTrust-HullScan이 있고, 조선 기본구조설계용 3D CAD 시스템로서 TTM ISD, S3D(SM3D의 기본구조설계 모듈), NAPA Steel 있으며, 조선 생산설계용 3D CAD 시스템으 로 AVEVA Marine, Smart Marine 3D가 있다. 본 논문은 이러한 이종 CAD/CAE 사이의 3D 모델 인터페이스 개발과 그 모델을 활용하여 구조해석 모델을 생성하기 위한 추가기능 개발, 그리고 TTM ISD와 SeaTrust-HullScan간의 Rule Scantling을 위 한 양방향 인터페이스와 관련 추가 기능 개발로 이루어져 있다.
3. Rule Scantling 용 양방향 인터페이스
본 연구에서는 기본설계 단계에서 선형 모델이 완성된 후 3D 선형 모델을 CAD 중립파일인 IGES 형태로 받아들여 기본구조설계를 3D 모델링하는 조선전용 기본구조설계 CAD로는 TTM ISD를 선 정하였다. TTM ISD의 주요 기능으로는 선박으로 부터 Compartment, Block, Panel, Part 단계로의 Top-Down 방식의 쉬운 모델링 방법과 GUI기반의 Interactive 모델링을 지원하고, 도면 자동 생성, 중 량 산출, 용접각장 및 도장면적 산출, Part List(물 량) 자동 작성 등의 다양한 3D 모델 활용이 가능 하다. 또한 TTM ISD는 대표적 조선 생산설계 CAD 인 AVEVA Marine, Tribon으로 변환되고, 자체 생 산설계 CAD인 TTM HPD로 연계되기 때문에 일 관된 3D CAD 모델링을 사용할 수 있는 기반으로 활용될 수 있다[7].
CAD/CAE 인터페이스는 TTM ISD에서 정의한 3D 모델로부터 사용자가 지정한 FR 위치별로 선 체횡단면 모델을 SeaTrust-HullScan 조선 CAD 호환포맷(SSI: SeaTrust-HullScan & ShipCAD Interoperable model)으로 생성하는 것으로부터 시 작된다. 이 파일을 SeaTrust-HullScan에서 읽어들 여 Rule Scantling을 수행하고, 그 결과에 따라 판 의 두께 및 재질 또는 부재의 사이즈, 타입 등을 변경하여 다시 SSI 파일로 내보낸다. 이를 TTM ISD에서 읽어들이면 변경된 부재의 위치 및 변경 내역 등을 설계자가 3D 모델에서 확인하고 자동 으로 변경사항을 반영할 수 있다.
구체적으로 살펴보면, Fig. 3와 같이 TTM ISD 에서 생성한 3D 모델로부터 FR을 입력하여 원하 는 위치에서의 선체횡단면을 SSI 파일형태로 생 성한다.
생성된 파일을 SeaTrust-HullScan에서 Fig. 4과 같이 Import하면 Rule Scantling 모드에서 선체횡 단면의 위치 및 기하형상모델과 판 및 보강재의 속성(두께, 재질, 사이즈 등)을 확인할 수 있다.
이종 CAD/CAE 인터페이스 개발 후 현업 적용 시 두 시스템 간의 공차문제로 인해 발생할 수 있 는 곡선 정합 문제 (미소 중첩 또는 이격)와 직선/
곡선 모델 혼용 문제가 식별되었다. 곡선 정합 문 제는 CAD에서 모델 표현 및 각종 CAD 연산에서 는 문제가 발생하지 않는 공차였으나, Rule Scantling Fig. 2 Development Scope of This Research
에서 요구되는 다양한 Rule 계산에서 수치적 오류 를 야기하였다. 따라서 이에 따른 기하모델상의 공 차 재조정 과정을 추가 반영하였다.
직선/곡선 모델 혼용 문제는 직선이 경우에 따 라 여러 점을 지나는 B-Spline 곡선으로 정의되어 CAD로부터 인터페이스되는 문제를 말한다. 여러 점을 Control Points로 가지는 B-Spline 곡선으로 근사된 모델은 직선 모델에 비해 직관적인 수정이 용이하지 않다. 따라서, 본 논문에서는 초기설계 단계에서의 잦은 설계 변경에 대응할 수 있도록 B-Spline 곡선은 곡률 체크를 통해 직선 여부를 추 가 판단하여 모델 변환 과정을 거쳤다.
이와 같이 조정된 선체횡단면 2D 모델을 이용 하여 Rule Scantling 평가를 수행한다. Rule 요구 치를 만족할 때까지, 선체횡단면 모델의 판 두께, 보강재 사이즈, 보강재 타입을 변경하고, 평가를 Fig. 3 Exporting Cross-Section Model from TTM ISD
Fig. 4 Importing Cross-Sections to SeaTrust-HullScan Fig. 5 Modification on Properties of Plates and Stiffener after Rule Scantling
Fig. 6 TTM ISD Import: Checking Part Information Changes from SeaTrust-HullScan
만족시키면 최종 선체횡단면 모델을 Fig. 5와 같 이 SSI 파일로 Export한다.
이 파일을 다시 TTM ISD에서 Import하면 Fig.
6와 같이 선체횡단면에 대한 형상 정보와, 속성 이 변경된 판 및 보강재의 이름, ID, 변경 내역 등이 표시된다. 해당되는 판 및 보강재를 선택하 면 모델 상에서 어떠한 부재인지 확인이 가능하 며 3D 모델에 반영할 지 여부를 사용자가 선택 할 수 있다.
Fig. 7에서는 인터페이스 파일의 변경내역을 반 영하여 3D 모델이 자동 수정된 것을 확인할 수 있다. 이렇게 변경된 3D 모델로부터 다시 다양한 위치의 선체횡단면을 생성하여 Rule Scantling을 반복적으로 수행할 수 있기 때문에, 최적설계를 위 한 Rule Scantling 작업이 한결 효율적으로 진행될 수 있다.
TTM ISD에서는 완성된 기본구조설계 3D 모델 로부터 2D 구조도면이 자동으로 생성되어, 설계 자의 확인 및 터치업 과정을 거쳐 빠르게 도면이 완성될 수 있다. 아울러, 기본구조설계 3D 모델의 형상정보는 구조해석모델 생성 및 상세설계 및 생 산설계용 3D 모델로 활용될 수 있다.
4. 3D CAD 형상모델 인터페이스
SeaTrust-HullScan에서는 3D CAD 중립 포맷 (IGES), 조선 기본구조설계 3D CAD인 TTM ISD, Smart Marine 3D의 기본구조설계 모듈인 S3D, 조 선 생산설계 3D CAD인 AVEVA Marine과 Tribon 의 3D 형상 모델을 읽어 들일 수 있게 3D CAD Interface를 개발하였다. 형상 모델은 DSA 모드에 서 구조해석을 위한 FE 모델을 생성하는데 활용 될 수 있다.
AVEVA Marine과 Tribon의 3D 모델 인터페이 스는 XML기반의 TXHSTL(Tribon XML Hull Steel)을 기반으로 동작한다. Fig. 8은 여러 블록으 로 구성된 산적화물선의 선수미부 화물창 모델을 SeaTrust-HullScan에서 Import한 결과이다.
판 모델의 인터페이스는 경계곡선을 이용하여 곡면을 재생성한 후, 판의 속성을 추가하여 완성 한다. 판 모델은 평판과 곡판으로 구분되어 인터 페이스되며, 평판은 경계곡선 정보를 이용하여 해 당 평면을 생성하고 그 곡선 정보로 경계정보를 한정하여 생성한다. 곡판은 크게 두 가지 방법으 로 인터페이스 가능한데, 개개의 곡면 형상 자체 Fig. 7 Automatic 3D Model Modification Using Change Information on 2D Section Model
를 IGES 파일로 받는 방법과 B-Spline 경계 곡선 정보를 이용하여 B-Spline Surface를 Coons Patch 로 생성하는 방법이 적용되었다. 후자는 공개용 3D CAD 커널인 Open CASCADE(OCC v.6.7.1) 에서 제공하는 라이브러리(GeomFill_Constrained Filling)를 사용하였다[8].
보강재 모델의 인터페이스는 경로곡선(Trace Line)을 이용하여 B-Spline 곡선을 생성하고 그 곡 선을 기본으로 보강재 속성을 가지는 Size 1D Element(Beam)으로 생성하여 완성한다.
Fig. 9은 3장에서 설명한 TTM ISD 3D 모델을 TTM 자체 3D Export 형식인 THS 파일로 변환 하고, 이를 SeaTrust-HullScan에서 불러들인 결과
를 나타내고 있다. 이러한 형상 모델은 점, 곡선, 곡면의 기하모델에 더하여 선체 구조의 재질 특징 인 판, 보강재 정보를 포함하고 있다.
S3D의 3D 모델 인터페이스는 Intergraph社가 제 공하는 XML기반으로 동작한다. 기하형상모델과 CAD에서 정의한 계층적 모델 구조를 포함하며, 구조해석 목적에 맞는 Mesh 생성을 위해, 선체 Opening 모델 및 브라켓 모델을 선택적으로 포함 할 수 있다(Fig. 10).
이러한 3D 모델은 다음 장에서 소개할 FE 모델 링에 활용될 뿐만 아니라, 앞장에서 소개한 Rule Scantling 평가용 모델 생성에도 활용될 수 있다.
5. 3D CAD 모델을 이용한 FE Modeling
4장에서 설명한 3D CAD 모델은 FE 모델링 시 수를 절감하는데 활용된다. CAD에서 이미 정의 한 3D 형상을 FE 모델링에 재사용함으로써 모델 링 중복 시수를 방지할 수 있고, CAD 대비 3D 형 상 정의가 어려운 CAE 시스템의 사용성을 제고 할 수 있다.
CAD 3D 모델을 이용한 FE 모델링을 위하여 SeaTrust-HullScan에서는 다음과 같은 추가기능을 개발하였다.
1) 판: 곡면, 보강재: 보(Beam)으로 생성 2) Grouping: Block별, Panel별 Group 생성 3) 판 두께로 인한 Gap 자동 수정 기능 4) 판/판 자동 분할 기능
5) 판 소속 보강재로 자동 분할 기능 Fig. 8 CAD/CAE 3D Model Interface - AVEVA Marine
(Tribon)
Fig. 9 CAD/CAE 3D Model Interface - TTM ISD
Fig. 10 CAD/CAE 3D Model Interface - S3D
판 부재는 메쉬 생성을 위한 곡면으로 생성하여 SeaTrust-HullScan의 DSA 모드에서 제공하는 메 쉬자동생성 기능(Auto-Mesh)를 사용할 수 있도록 하였다. 또한, 보강재는 타입, 사이즈 등을 이용하 여 보(Beam)으로 생성한다. 이 때, SeaTrust- HullScan에 속성이 정의되지 않은 보강재는 속성 이 없는 빔으로 생성한다. 빔은 속성 유무에 따라 색상이 구분되기 때문에, 사용자 확인 후 속성을 수정할 수 있다.
FE 모델링을 더욱 효과적으로 하기 위해서는 모 델링 범위를 한정해서 작업하는 것이 좋은데 이를 위해 Fig. 11과 같이 선체 Block별, Panel별로 별 도 그룹화하였다.
또한 생산설계 CAD 3D 모델은 몰드선(Mould Line)으로부터 방향을 가진 판 두께를 함께 표현 하는데[5], FE 모델링에서는 몰드선을 기준으로 모 델을 생성하며 두께는 메쉬의 속성 정보로만 존재
한다. 따라서, 판과 판 또는 판과 부재가 직교하는 부분에 판의 두께만큼 Gap이 발생하게 되며 이 때 문에 FE 모델링에 많은 추가 수정 작업이 발생하 게 된다. 이를 해결할 수 있도록 SeaTrust-HullScan 에서는 판을 의미하는 여러 곡면들을 일괄선택하 여 Gap을 찾고 이를 고려하여 곡면을 수정하는 기 능을 개발하였다[9].
Gap이 수정된 모델은 FE 모델링을 위한 준비가 된 모델로서, Auto-Mesh를 통해 메쉬를 생성하여 도 되지만, 정교한 모델링을 위해 판과 판이 만나 는 부분을 고려하여 판을 분할하고, 분할된 판을 다시 보강재로 분할한 후 Auto-Mesh를 적용할 수 있게 곡면 분할 기능을 개발하였다. Fig. 12에서는 하나의 평판이 판과 보강재를 고려하여 78개로 분 할된 것을 볼 수 있다. 분할된 판들을 이용하여 Auto-Mesh를 수행하면 판과 보강재가 고려된 품 질높은 메쉬가 손쉽게 모델링된다. 본 논문에서는
Fig. 11 Grouping of 3D Model By Block and Panel
Fig. 12 Constraint-based Auto Mesh Generation using Surface Split
곡면의 Quad Mesh 자동 생성을 위한 Auto-Mesh 알고리즘은 상용 라이브러리인 CM2 QuadMesh[10]
를 사용하였다.
한편, CSR-H기반에서는 Fatigue 강도평가를 위 한 Opening, Bracket Toe 부분 등에 대한 Fine Mesh Analysis 적용부위가 대폭 확대되었고[2], 이에 대 한 Fine Mesh 모델링 시수를 절감하기 위해 자동 Fine Mesh 기능을 개발하였다. 선박에서 자주 적 용되는 Opening 및 Bracket 형상에 대해 파라메트 릭 기반의 모델링을 지원하여 Fine Mesh Modeling 을 자동으로 수행하고 인접 Coarse Mesh에 자동 Transition 모델링을 수행해준다. Fig. 13은 다양한 형태의 Opening이 인접된 구조에 개발된 기능을 사용하여 Fine Mesh 모델링을 수행한 된 결과를 나타내고 있다. 이 기능을 통해 30분에서 1시간정 도 소요되는 Fine Mesh 모델링이 1~5분내에 완료 되어 80~90%의 시수 절감이 가능하다.
6. 결론 및 향후 연구 계획
최근 조선 구조설계 분야에서는 단계별 이종 CAD/CAE 시스템 간의 3D 모델 호환 또는 재사 용이 가능한 시스템적 저변이 마련되었고, CSR-
H의 적용으로 인해 설계 프로세스 개선의 동인도 마련되었다.
이에 본 연구에서는 조선 기본구조설계 단계에 서 사용되는 3D CAD 시스템(TTM ISD)과 Rule Scantling 및 구조해석 S/W(SeaTrust-HullScan)와 의 인터페이스에 대한 개념을 제안하고 개발결과 를 제시하였다.
개발된 인터페이스를 통해, 기본설계의 3D 선형 데이터부터 기본구조설계 3D 모델, 선급 Rule Scantling 2D 모델, FE 모델, 생산설계 3D 모델이 일관된 선체 3D 모델로부터 생성될 수 있어 설계 시수 절감 및 설계/해석의 정확성 향상이 기대된다.
향후 연구로는 선체 3D 전선 CAD 모델로부터 일괄 전선 FE 모델링 생성 기능과, 운동해석 및 CFD 해석 S/W와의 인터페이스 개발을 수행할 계 획이다.
감사의 글
본 논문은 산업통상자원부 산업핵심기술사업 (과제번호: 10052708) “3D모델기반의 선박설계지 원 일관시스템 개발” 연구 결과의 일부임을 밝히 며, 이에 감사 드립니다.
Fig. 13 Auto Fine Mesh Generation for Various Openings in a Ship
References
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손 명 조
2004년 서울대학교 조선해양공학과 학사
2004년~2005년 한진중공업 특수선 선체설계팀 설계원
2013년 서울대학교 조선해양공학과 박사
2013년~2014년 서울대학교 해양시 스템공학연구소 선임연구원/연구 조교수
2014년~현재 (사)한국선급 연구소 IT융합연구팀 책임연구원 관심분야: 조선CAD/CAM, CAD/
CAE 인터페이스, PLM, M&S, 인 공지능기반 decision making, BPM, 조선 선체 기본/생산설계
박 호 균
1998년 울산대학교 조선해양공학과 학사
2001년 울산대학교 조선해양공학과 석사
2007년~현재 (사)한국선급 연구소 책임연구원
관심분야: CAE, CAD, Computer Graphics
이 정 렬
1985년 서울대학교 조선해양공학과 학사
2000년 충남대학교 선박해양공학과 석사
2006년 충남대학교 선박해양공학과 박사
1985년~1990년 대우조선공업 기술 연구소 대리
1990년~현재 (사)한국선급 연구소 IT융합연구팀 팀장
관심분야: 조선 CAD/CAE, 선박설 계, 조선IT융합
김 종 오
2005년 한양대학교 자동차공학과 석사
2005년~2009년 아이너스기술 선임 연구원
2009년~현재 (사)한국선급 연구소 IT융합연구팀 책임연구원 관심분야: CAD, CAE, 3D Surface
Construction, Buckling Strength
우 정 재
2002년 한국해양대학교 기계공학 학사
2004년 한국해양대학교 기계공학 석사
2011년~현재 (사)한국선급 연구소 IT융합연구팀 책임연구원 관심분야: 선급기술규칙 SW
이 정 현
2003년 순천향대학교 화학과 학사 2005년~2011년 아이너스기술 책임
연구원
2011년~현재 (사)한국선급 연구소 IT융합연구팀 책임연구원 관심분야: 조선CAD/CAE
