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해양 환경 데이터를 이용한 150톤 윈치의 동특성 해석
이창호
1· 민천홍
1*· 김형우
1· 장진우
2· 황동환
2· 류용석
21선박해양플랜트연구소 해양플랜트산업기술센터
(34103) 대전광역시 유성구 유성대로1312번길 32
2EK중공업주식회사
(46742) 부산광역시 강서구 과학산단1로 60번길 30
A Dynamic Analysis of 150 ton Winch using Ocean Environment Data
Chang-Ho Lee
1, Cheon-Hong Min
1*, Hyung-Woo Kim
1, Jin-Woo Jang
2, Dong-Hwan Hwang
2, and Yong-Suk Rhyu
21Technology Center for Offshore Plant Industries, Korea Resaerch Institute of Ships &
Ocean Engineering, KIOST, Daejon 34103, Korea
2EK Heavy Industry Co. Ltd., Leading Corporation Joint Research Center, Busan Techno Park Busan 46742, Korea
Abstract : This paper seeks to provide a dynamic analysis of a 150 ton winch based on ocean environmental data. The winch model that was subjected to analysis was modeled from CAD to each subsystem by the commercial software DAFUL. The winch model has tree brake systems (disk brake, band brake and ratchet brake). The rotation motion of the motor and contact elements of the brake are applied to the winch model in order to analyze its dynamic characteristics. In addition, a crane-barge was modeled to apply ocean environmental data. The motion data of the crane-barge was produced by means of the RAO(Response Amplitude Operator) of the barge and wave spectrum. The reaction force of the translational joint was measured instead of the tension of the cable. The brake performance of the winch was produced and assessed based on the operating motion of the crane-barge.
Key words : analysis model of winch, ocean environment data, subsystem modeling, integrated framework for winch analysis
1. 서 론
최근 국내 해양플랜트산업은 원천기술, FEED, 핵심기 자재 등 고부가가치 영역의 기술역량 중요성이 증가되고 있지만 국내 산업기반 및 전문 인력 인프라는 매우 취약 한 상황이다. 또한 국내 기업은 시공관련 경쟁력은 우수하 나, 핵심기술력 부족에 따른 과당경쟁 및 저가수주 등으로 수익성이 점차 악화되고 있다.
이를 타개하기 위한 해양플랜트 기자재 부품의 원천기 술 개발에는 많은 시간과 예산이 필요하다. 또한 해양플랜 트 기자재부품 국산화를 위해서는 CAE 기반 해양플랜트 기자재 부품 설계 엔지니어링 기술 확보가 매우 중요하 다. 그러므로 Modeling & Simulation을 활용한 기자재 부 품의 모델링-해석-최적설계-검증 등 일련의 기법에 대한 연구가 필요하다. 이러한 연구를 통해 CAE 기반 설계 기 술이 제품생산에 직접 적용되기 위해서 가변 하는 해양환 경을 고려할 수 있는 신뢰성 기반 설계 기술 확보가 매우 중요하다.
*Corresponding author. E-mail : [email protected]
선박해양플랜트연구소에서는 이러한 해양플랜트 기자 재부품의 국산화를 위해 과제를 통해 해양플랜트 중소 기 자재 업체에 대한 기술 지원을 수행하고 있다. 본 논문에 서는 해양플랜트 기자재 업체인 EK 중공업에서 개발 중 인 150톤 윈치에 대한 동특성 해석을 지원한 내용에 대하 여 설명하고자 한다.
2. 해석을 위한 모델링
150톤 윈치 모델링
다음의 Fig. 1은 EK 중공업에서 개발하고 있는 150톤 윈치에 대한 모습이다. 이 시스템은 두 개의 모터와 기어 박스, 그리고 3가지 타입의 브레이크로 구성되어 있다. 1차
브레이크는 모터에 연결되어 있는 디스크 브레이크 타입 이며, 2차 브레이크는 드럼 옆에 구성되어 있는 밴드 브레 이크 타입이고, 마지막으로 3차 브레이크는 한방향 회전 만 하도록 하는 라쳇 타입의 브레이크이다.
해석을 위한 윈치 모델링을 위하여 4001개의 강체로 구 성된 CAD 파일을 불러와 모터-기어박스 부분과 드럼 그 리고 밴드브레이크 등 부분시스템 별로 분류하여 모델링 을 하였다. Fig. 2는 동역학 상용 소프트웨어인 DAFUL (Virtual Motion Inc 2015) 에서 CAD모델을 불러온 모습 이며, Fig. 3은 각각의 부분 시스템 별로 분류되어 모델링
Fig. 1. 150 ton Winch System of EK Heavy Industry Fig. 2. 150 ton Winch modeling using DAFUL
Fig. 3. Subsystem model of Winch
된 해석 모델을 나타내고 있다. 전체 무게는 대략 140톤 이다.
Fig. 3의 각 부분시스템별 모델링을 위해서 조인트, 기 어, 힘, 접촉 모델이 포함되어야 한다. 이 때 드럼과 밴드 브레이크간의 접촉 모델은 정확한 물성치가 없기 때문에 제작사의 요구 성능에 해당하는 토크를 직접 인가하는 방 식을 사용하였으며, 윈치의 드럼이 회전이 멈추었을 경우 에는 토크인가가 되지 않도록 설정한 모델을 사용하였다.
또한 기어셋에 포함된 캘리퍼 브레이크는 다음의 상용 제
품을 사용하였기 때문에 제품 특성에 해당하는 물성 값을 적용하였다.
바지 및 크레인 모델링
다음의 Fig. 6은 윈치가 사용되는 크레인 바지선에 대 한 모델을 나타내고 있으며, Fig. 7은 크레인 바지선 모 델에 대한 토폴로지를 나타내고 있다. 해상 상황에 대한 응답 모션을 인가하여 윈치의 작동여부를 확인하기 위한 모델이다. 크레인 바지선의 케이블은 단순화하기 위하여 병진조인트로 모델링하였고, 케이블에 작용하는 장력을 확인하기 위하여 조인트 반력을 측정하여 결과를 확인하 였다. 이 때 짐 조건은 150 ton으로 가정하였다. 선박의 모션을 인가하면서, 동시에 크레인 붐을 상하로 움직이 는 모션을 인가하였으며, 또한 짐을 지지하고 있는 케이 블도 상하로 움직이도록 모션을 인가하였다. 모션의 속 도는 윈치의 최고 속도를 고려하여 28 m/min으로 인가 하였다.
Fig. 4. Band brake model
Table 1. Technical data of band brake
Code CSB-CB-345-SA-36000 Nominal braking force
@ mu=0.4 [N] (Fe) 36000 Disc diameter [mm] (D2) 630 Brake pad width [m] (BPW) 0.13
Braking torque [Nm] (Me) Me=Fe × (D2-BPW) / 2
Fig. 5. CAD data of barge
Fig. 6. Crane-Barge model
Fig. 7. Topology of Barge and Crane model
해양 가진 데이터
크레인 바지선에 해양 가진 데이터를 적용하기 위해서 선박의 RAO(Response Amplitude Operator) 데이터와 해 역의 관측데이터를 이용한다. 해양 가진 데이터를 구하는 방법은 우선 파주기를 분석하고(Goda 2003), 해양파 스펙 트럼을 TMA 스펙트럼 계산식(Goda 2000)을 통해 계산 한다. 요청지역은 Fig. 8에 나와있는 거제도 지역이며, Table 2는 이 지역의 파고 및 파주기를 나타낸 것이다. 그 결과 Fig. 9에서와 같이 해당 지역의 해양 스펙트럼 및 해
양 파고 데이터를 생성할 수 있다.
또한 선박 RAO 데이터로부터 응답 함수를 구하고, 해 양 스펙트럼과의 관계식에 의하여 선박 모션 응답 스펙트 럼을 계산할 수 있다. 이를 시간 영역에서의 데이터로 변 환하면 랜덤한 해양파 가진에 의한 선박 모션 데이터를 구할 수 있다(Goda 2000, 2003).
Fig. 10은 선박의 RAO 데이터로부터 얻어진 선박의 응 답 특성 곡선을 나타내며, Fig. 11은 Fig. 9에서 구한 해양 파 가진 데이터를 이용하여 구한 각 축의 선박 응답 모션 을 나타낸 그림이다.
3. 윈치 성능 해석 및 선박 응답 시뮬레이션
기술지원 업체에서 요구한 윈치 성능 해석은 윈치가 작 Fig. 8. Request area for ocean data
Table 2. Wave height and wave period data
Month
Wave height Wave period Significant Maximum Mean Maximum
m m sec sec
2015/Oct. 0.9 2.1 6.0 8.5
Sep. 1.3 3.0 6.3 7.7
Aug. 1.0 2.1 7.0 9.1
Jul. 1.3 2.8 6.7 8.3
Jun. 0.8 1.8 6.1 7.5
May 0.6 1.5 5.2 7.5
Apr. 1.2 2.8 5.7 7.3
Mar. 0.9 2.0 6.5 8.9
Feb. 1.1 2.5 6.9 8.7
Jan. 1.1 2.5 6.9 9.0
2014/Dec. 1.0 2.2 6.7 8.8
Nov. 0.9 2.1 6.1 8.1
Average 1.0 2.3 6.3 8.3
※Reference : Korea Meteorological Administration
Fig. 9. Spectral density and wave amplitude from wave
height and wave period data
Fig. 10. RAO and frequency characteristics data of barge
Fig. 11. Input motion data of barge
동 도중에 브레이크 동작에서 얼마만큼의 케이블 움직임 이 발생하는지를 알아보는 것이었다.
이러한 윈치의 브레이크 성능을 확인하기 위하여 최대 속도로 회전하는 모터의 rpm을 입력하였고, 그때 작용하 는 토크를 측정하여 윈치의 드럼에 입력하였다. 윈치에 있 는 3개의 브레이크는 Caliper Brake, Band Brake, Ratchet 순으로 약 0−1초 안에 작동한다. 그렇기 때문에 본 논문 에서는 브레이크가 동시에 동작하도록 실린더의 모션을 입력하였다. 그때 윈치가 작동하는 것을 그래프를 통하여 확인하고, 브레이크의 성능을 분석하였다.
다음의 Fig. 12는 윈치의 브레이크 성능을 확인하기 위 한 시뮬레이션 결과를 나타내는 표이다. Fig. 12의 (a)에서 보듯이 초기에 윈치는 멈춰있는 상태에서 토크를 인가받 아서 회전을 하게 되고, 최대 회전 각속도는 0.3426 rad/
sec 가 되었다. 이 때 윈치 케이블이 9층으로 적재되었다고 가정하였을 경우 케이블의 지름은 2.77 m가 되며 케이블 의 선속도는 0.34 × 2.77/2 = 0.4709 m/sec, 즉 28.254 m/
min 가 되므로 설계 시 최대 정격 속도 28 m/min을 만족함 을 확인할 수 있다.
또한 8초에서 브레이크 토크를 인가하였다. 그 결과 대 략 0.05초만에 윈치가 완전히 정지함을 확인할 수 있었으 며, 브레이크가 작동 후 정지까지 케이블은 0.4709 m/sec × 0.05 sec = 0.023545 m, 즉 대략 23.5 mm가 움직임을 시 뮬레이션을 통해서 확인할 수 있었다.
다음은 이러한 윈치를 바지 선박에 적용하였을 경우 사 용 가능한지를 파악하는 해석을 수행하였다. 이때 해양 환 경 상황을 고려하기 위하여 앞서 구한 선박 가진 데이터 를 입력하였고, 실제 해양플랜트를 설치 회수할 때의 시나 리오를 모사하여 입력하였다. 또한 이 시뮬레이션에서 사 용된 하중은 FAT(Factory Acceptance Test)시 조건인 최 대하중의 110%인 165 ton을 적용하였다. 그 때 크레인을 움직이는 붐과 해양플랜트 장비를 움직이는 케이블의 장 력을 측정하였고, Fig. 13에 나타내었다.
Fig. 13 의 (a)에서 보듯이 총 5가지 경우로 나누어 짐과 크레인의 케이블에 모션을 인가하였다. 크레인만 움직이 는 경우와 짐만 움직이는 경우를 상승과 하강의 경우로 나누어 인가하였고, 또한 두 개의 케이블이 동시에 움직이 Fig. 12. Simulation result for performance of winch
brake
Fig. 13. Simulation result for tensions of barge
는 상황을 묘사하도록 모션을 인가하였다.
해석 결과 짐에 의한 케이블 장력은 Fig. 13의 (b)에서 와 같이 짐의 움직임과 크레인의 움직임에 의한 영향 보 다는 주로 선박의 모션에 따른 영향을 지속적으로 받는 것을 확인할 수 있었으며, 반면 Fig. 13의 (c)에서와 같이 크레인 케이블 장력은 크레인의 움직임에 가장 큰 영향을 받음을 알 수 있다. 또한 짐 케이블의 최대 장력은 대략 2500 kN 이고, 최소 2개 이상의 윈치가 필요함을 알 수 있 다. 크레인 케이블의 경우 최대 장력은 대략 5800 kN이며 최소 4개 이상의 윈치가 필요함을 알 수 있다. 이는 극한 상황을 가정한 해석에 의한 결과이며, 실제 제작 시에는 케이블에 도르래를 사용하기 때문에 보다 정확한 설계가 필요하다.
4. 결 론
본 논문에서는 해양플랜트 중소 기자재 업체에 대한 CAE 기술 지원을 목적으로 실제 제작중인 150톤급 윈치 시스템에 대한 해석 지원에 관한 내용을 설명하였다. 해양 파를 이용한 가진데이터를 생성하고, 크레인 바지선 모형 에 인가하여 윈치가 적용될 선박에 대한 해석을 수행함은 물론 윈치에 대한 모델링을 통해 동적 해석을 수행하였다.
향후에는 본 논문에서의 결과 뿐만 아니라 다학제 기반 의 해석 결과(우와 김 2016) 등을 바탕으로 다음의 Fig.
14 와 같이 윈치 해석에 특화된 통합해석 프레임워크를 구 축할 예정이다.
사 사
본 연구는 한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연
구소의 지원으로 수행된 “CAE 기반 해양플랜트 기자재 부품설계 핵심기술 개발(PES8940)” 과제와 해양수산부의 국가연구개발사업인 “해양플랜트 산업지원센터 구축 및 운영(4/4)(PMS3520)” 과제에 의해 수행되었습니다.
참고문헌
