수냉 효과를 고려한 선상가열에 의한 판 변형의 시뮬레이션

고대은(Ko, Dae-Eun),하윤석(Ha, Yun-Sok) 한국산학기술학회 2011 한국산학기술학회논문지 Vol.12 No.6

실험적인 방법과 수치적인 방법의 장점을 취한 고유변형도법은 선상가열에 의한 판의 변형을 예측하는데 매 우 유용하다. 고유변형도법을 이용한 선상가열에 의한 판 변형의 예측을 위해서는 고유변형도의 크기와 영역을 적절 하게 결정하는 것이 중요한데, 선상가열 후의 실제 냉각속도에 따라 강의 상변태 특성이 달라지므로 이 또한 고유변 형도 결정에 있어서 고려되어야 한다. 조선 현장에서 많이 사용되는 수냉과정을 모사하기 위해 충돌제트, 막비등, 복 사 효과를 포함하는 열전달 해석법을 제안하였으며, 이를 통해 고유변형도 영역의 실제 냉각속도와 상변태 분율을 구 할 수 있다. 상변태 분율에 따른 재료의 물성치를 반영함으로써 선상가열에 의한 판의 변형을 보다 정도 있게 예측하 는 것이 가능하다. Inherent strain method, a hybrid method of experimental and numerical, is known to be very efficient in predicting the plate deformation due to line heating. For the simulation of deformation using inherent strain method, it is important to determine the magnitude and the region of inherent strain properly. Because the phase of steel transforms differently depending on the actual speed of cooling following line heating, it should be also considered in determining the inherent strain. A heat transfer analysis method including the effects of impinging water jet, film boiling, and radiation is proposed to simulate the water cooling process widely used in shipyards. From the above simulation it is possible to obtain the actual speed of cooling and volume percentage of each phase in the inherent strain region of a line heated steel plate. Based on the material properties calculated from the volume percentage of each phase, it should be possible to predict the plate deformations due to line heating with better precision.

곡가공 자동화 시스템을 위한 선상가열에 의한 변형의 실시간 시뮬레이션

고대은(Dae-Eun Ko),장창두(Chang-Doo Jang),서승일(Seung-Il Seo),이해우(Hae-Woo Lee) 대한조선학회 1999 大韓造船學會 論文集 Vol.36 No.4

8m급 고속 활주선형 레저보트의 구조강도 평가

고대은(Dae-Eun Ko) 한국산학기술학회 2018 한국산학기술학회논문지 Vol.19 No.10

최근 국내에서는 해양레저 산업의 활성화와 세계 해양레저 시장 진출을 위해 고부가가치 레저선박에 대한 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 레저선박의 소재로는 물성이 우수하고 경량선체의 제작이 가능한 FRP(Fiber Reinforced Plastic) 복합재료가 널리 사용되고 있으며, FRP 복합재료로 제작되는 레저선박의 구조안전성 확보를 위한 설계기술 개발이 중요한 연구개발 목표중의 하나가 되고 있다. 본 연구에서는 RTM(Resin Transfer Molding) 공법으로 제작되는 FRP 복합재료 소재의 샌드위치 판넬을 주 구조부재로 하는 8m급 고속 활주선형 레저보트의 설계안에 대하여 구조강도를 평가하였다. 한국선급의 고속 경구조선 규칙 및 적용지침에 의거하여 선체 구조 안전성 검증을 위한 선저 슬래밍 충격하중 분포를 구하고, 샌드위치 구조의 복합재료 판을 등가의 굽힘 강성을 갖는 단일 재료의 등방성 판으로 치환하여 구조 해석을 수행하였다. 해석 결과를 실 제작 부재 시험편에 대한 강도 시험 결과와 비교한 결과 모든 내부 구조부재가 요구 강도를 충분히 만족함을 확인하였다. Recently, research and development of high-value leisure vessels has been carried out in Korea to revitalize the marine leisure industry and tap into the global maritime leisure market. FRP composite materials, which have excellent physical properties and are available for the manufacture of light hulls, are used widely. One of the most important design technologies is to secure structural safety of leisure vessels made from FRP composite materials. In this study, the structural strength was assessed for the design of an 8-meter high-speed planing leisure boat made from FRP composite materials. The design loads to verify the structural safety were calculated according to the rules for the classification of high speed light craft (KR, 2015), and structural analysis was conducted using a finite element model composed of an isotropic shell element, which has equivalent bending rigidity with the FRP sandwich panel. The analysis results were compared with the results of the strength test for fabricated specimens, and all internal structural components are sufficiently satisfied with the structural strength.

VLCC 축계 시스템의 유연성 확보 방안에 관한 연구

신상훈(Sang-Hoon Shin),고대은(Dae-Eun Ko) 한국산학기술학회 2017 한국산학기술학회논문지 Vol.18 No.12

VLCC 추진축계의 선미관 후부 베어링에서 주로 발생하는 발열 사고는 프로펠러 하중이 추진축을 처지게 하여 후방부에 과도한 국부압착압력이 작용하는 것이 주된 원인이다. 최근 VLCC는 엔진 출력이 크고 축 직경이 증가하는 반면 선미관전부 베어링과 후부 베어링 사이의 간격이 상대적으로 짧아져 축계 시스템의 유연성이 저하되는 경향이 있으며, 이로 인해 발열 사고 가능성에 대한 우려가 커지고 있다. 본 연구에서는 선체의 변형에 대한 축계의 유연성을 확보하기 위한 방안으로 선미관 전부 베어링을 삭제하고 선미관 후부 베어링만을 설치한 새로운 축계 시스템의 적용 가능성을 검토하였다. 국부압착압력의 계산에 있어서는 접촉 너비를 따라 반 타원 형상의 압력 분포를 가정한 Hertzian 접촉 조건을 도입하였으며, 엔진가동 상태의 프로펠러 하중, 열 효과 및 선체 변형을 고려하였다. 제안된 축계 시스템에 대한 해석을 통해 선미관 후부 베어링의 축 접촉면 재료인 화이트 메탈에 부분 경사를 추가 시공함으로써 설계 요구 조건이 만족됨을 확인하였다. 제안된 축계시스템의 적용을 통해 발열 사고 예방을 위한 축계 유연성 확보 뿐 만 아니라 시스템의 단순화를 통한 설치비용의 감소 등 부가적인 효과도 기대할 수 있다. The main reason for heat accidents occurring at the after stern tube bearing (STB) is excessive local pressure caused by the deflection of the propulsion shaft due to propeller loads. The probability of a heat accident is increased by the low flexibility of the shaft system in very large crude oil carriers (VLCCs) as the engine power and shaft diameter increase and the distance decreases between the forward and after STBs. This study proposed shaft system with only an after STB and no forward STB for a flexibility acquisition method for a VLCC shaft system under hull deformation. A Hertzian contact condition was applied, which assumes a half-elliptical pressure distribution along the contact width for the calculation of the local squeeze pressure. The propeller loads, heat effect, and hull deflection under engine operating conditions are also considered. The results show that the required design criteria were satisfied by building a partial slope at the white metal, which is the material at the axial contact side in the after STB. This system could reduce building cost by simplification of the shaft system.

선박 주기관에 의한 횡진동 저감을 위한 구조보강 연구

신상훈(Sang-Hoon Shin),고대은(Dae-Eun Ko),임홍일(Hong-Il Im) 한국산학기술학회 2019 한국산학기술학회논문지 Vol.20 No.8

다양한 형태의 선체 진동 중, 선체 선미 및 거주구의 횡방향 진동은 대부분 주기관의 횡기진력으로부터 유발되는데, 주기관과 연결된 주변 구조물과의 공진이 발생 할 수 있으므로 공진회피 설계가 반드시 필요하다. 공진 회피를 위한 가진 주파수는 주기관 및 프로펠러 사양으로부터 추정 가능하나, 기관실 주변 구조물의 고유 진동수는 형상의 다양성등에 의해 추정이 쉽지 않고 경험을 위주로 한 방진 설계가 수행되고 있는 현실이며, 이로 인해 시운전 중에 발생하는 진동 문제는 공정지연, 현장 인력의 과다 투입 및 설계의 반복 수행 등 많은 문제점이 발생하고 있다. 본 연구에서는 8,600TEU급 컨테이너선을 대상으로 유연한 설계를 위해 선체 구조배치의 변경 없이 주기관만 12기통에서 10기통으로 변경하는 경우에 대해 주기관 횡진동에 의한 공진 문제를 다루었다. 연구 결과로서, 주기관 횡기진력과 기관실 주변 구조와의 공진 회피를 위한 효율적인 구조보강 설계지침을 제시하였으며, 설계 현장의 실제적인 방진설계 지침으로 활용이 기대된다. Transverse vibrations of a ship"s aft end and deckhouse are mainly induced by transverse exciting forces from the main engine. Resonance should be avoided in the initial design stages when there is a prediction of resonance between the main engine and transverse modes of the deckhouse. Estimates of frequencies for resonance avoidance are possible from the specifications of the main engine and propeller, but the inherent vibration frequency of the structure around the engine room is not easy to estimate due to the variation in the shape. Experience-oriented vibration design is also carried out, which results in many problems, such as process delay, over-injection of on-site personnel, and iterative performance of the design. For the flexible design of 8,600 TEU container vessels, this study addressed the resonance problem caused by the transverse vibration of the main engine when only the main engine was changed from 12 cylinders to 10 cylinders without modification of the hull structure layout. Efficient structural reinforcement design guidelines are presented for avoiding resonances with the main engine lateral vibration and the structure around the engine room. The guidelines are expected to be used as practical design guidelines at design sites.

HCSR 기반 T형 조립부재의 최소중량설계

신상훈(Sang-Hoon Shin),고대은(Dae-Eun Ko) 한국산학기술학회 2017 한국산학기술학회논문지 Vol.18 No.6

선체구조의 보강재로서 비대칭 단면재인 L 형강재가 대칭 단면재인 T형 조립부재(built-up T)에 비해 단면 비틀림 현상 등 다소 불리한 강도 특성에도 불구하고 오랜 관습과 자재 구입의 용이성 등으로 널리 사용되어 왔다. 그러나 근래 선박이 대형화 되어감에 따라 보강재의 형태는 압출 형강재의 사용이 줄고 다양한 설계 치수를 반영하여 용접을 통해 직접 제작하는 조립부재의 적용이 늘어가는 추세이다. 본 연구의 목적은 점차 사용량이 증대되고 있는 조립형 보강재의 효율적인 적용을 위한 최적설계 프로그램을 개발하는데 있다. 최적화 알고리즘으로는 선박 및 해양구조물의 최적설계에 많이 적용되고 있는 진화전략 기법을 선정하였다. 최적설계 결과의 실용성을 위해 부식여유를 고려한 총두께 개념을 설계변수와 목적함수에 도입하였고, 제한조건에는 최근 발효된 통합공통구조규칙(HCSR, Harmonized Common Structural Rules)을 적용하였다. 개발된 최적화 프로그램을 이용하여 최근 수주된 300K VLCC와 158K COT의 실선 설계를 수행한 결과 각각 144톤, 60톤의 중량 절감 효과를 얻었으며 대형 선박일수록 중량 절감 효과가 크게 나타남을 확인하였다. In a conventional ship structure, stiffeners with an asymmetric section, such as inverted angles, are used widely despite the disadvantage of strength compared to the stiffeners with a symmetric section, such as a built-up T. On the other hand, T-type built-up members are attracting more attention than L-type inverted angles due to the increased size of ships. The purpose of this study was to develop an optimal design program for a built-up T, and apply an evolution strategy as an optimization technique. In the optimization process, the gross thickness concept was adopted for the design variables and objective function, and the constraints are set up based on HCSR (Harmonized Common Structural Rules). Using the developed program in this study, the optimal stiffener design was carried out for 300K VLCC and 158K COT of which the orders were obtained lately. The optimal results revealed the weight reduction effect of 144 tons and 60 tons, respectively.

원통 확장부를 갖는 구형 LNG 탱크의 동적 설계하중 산출식 개발

신상훈(Sang-Hoon Shin),고대은(Dae-Eun Ko) 한국산학기술학회 2017 한국산학기술학회논문지 Vol.18 No.5

LNG 운반선용 구형 탱크의 제작을 위해서는 탱크의 크기에 따라 별도의 공장 설비가 필요하며 시설 투자의 한계로 인해 현실적으로 조선소에서 다양한 크기의 완전 구형 LNG 탱크를 제작하는 것은 매우 어려운 일이다. 다양한 용량의 LNG 탱크 제작을 위해서는 기존 구형 탱크의 중앙부에 원통 형태의 확장부를 삽입하여 적재 용량을 키우는 방법이 효과적이다. 본 연구에서는 원통 확장부를 갖는 구형 LNG 탱크에 대하여 수평 가속도에 의한 동적 압력분포 산출식을 유도하였다. 본 논문에서 유도한 압력 분포 산출식을 이용함으로써 원통 확장부를 갖는 구형 탱크를 화물창 형식으로 하는 LNG 운반선의 구조설계 시 구조 안전성 평가를 위한 동적 설계하중을 간편하게 구하여 해석에 적용할 수 있다. 또한, 이미 개발되어 있는 원통 확장부를 갖는 구형 LNG 탱크의 정적 하중에 대한 설계하중 산출식과 결합함으로써 정적 및 동적하중을 모두 고려한 정도 높은 간이해석법의 개발이 가능하며, 이를 통해 초기 견적 시 많은 시간과 비용을 소요하는 유한요소 해석을 대신하여 짧은 시간에 정도 높은 물량 산출이 가능할 것으로 기대된다. The number of shops needed for the fabrication of a sphere type cargo tank for an LNG carrier is proportional to the size of the tank to be constructed. Due to the limitations of facility investment, it is difficult to fabricate various size tanks with a perfectly spherical shape in the (factory). An efficient method of increasing the capacity of the cargo tank is to extend the conventional sphere type LNG tank vertically by inserting a cylindrical shell structure. In this study, equations for the dynamic pressure distribution due to horizontal acceleration are derived for a sphere type LNG tank with central extension. The derived equations can be easily applied to the design and structural assessment of a sphere type LNG tank with central extension. Furthermore, the results of this study can be combined with the static design loads previously reported by Shin & Ko [9], in order to establish a simplified analysis method which enables a precise initial estimate to be obtained, thereby obviating the need for a time consuming finite element analysis.

지지조건에 따른 FPSO 상부 모듈의 구조적 거동에 관한 연구

장범선(Beom-Seon Jang),고대은(Dae-Eun Ko) 한국산학기술학회 2018 한국산학기술학회논문지 Vol.19 No.11

FPSO는 원유의 생산을 위한 플랜트가 기능별로 모듈화 되어있는 상부구조(topside)와 생산된 원유의 저장 및 상부구조의 지지 기능을 하는 하부구조(hullside)로 구성된다. FPSO 상부 모듈과 이를 지지하는 선체의 구조적 거동은 이들을 연결하는 인터페이스 구조에 따라 달라지며, 인터페이스 구조의 형식은 MSS(Module Support Seat)라고 하는 개별 단위 지지구조들의 조합으로 구성된다. 인터페이스 구조의 형식이 다양하고 이에 따라 FPSO 상부 모듈 구조의 기본 설계가 크게 영향 받으므로 초기 설계 단계부터 다양한 설계 방안을 검토해야 한다. FPSO 상부 모듈의 구조 설계 시에는 선체와의 상호 작용을 고려하여 MSS의 개수, 연결 형식을 결정해야 하고, 구조 강도 검증을 위한 유한요소 모델의 범위, 하중 조건, 경계 조건 등 구조 해석 옵션을 신중히 고려해야 한다. 본 연구에서는 상기 고려 사항들에 대한 비교 조합 Case들을 도출하고 강도 평가를 수행하였으며, 해석 결과의 상세한 고찰을 통해 상부 모듈의 구조적 거동 특성을 비교 분석하였다. 본 연구 결과는 보다 신뢰성 있는 상부 모듈 구조 설계를 위한 좋은 참고 자료가 될 것으로 판단된다. FPSO consists of topside modularized plants for production of crude oil, and hullside structures that serve as support for the topside and storage of produced crude oil. The structural behavior of the FPSO topside module and its supporting hull depends on the interface structure that connects them, and the interface structure consists of a combination of individual unit support structures called Module Support Seat (MSS). Types of interface structures are various and, accordingly, the basic design of the FPSO topside module structure is greatly influenced, so various design methods should be considered from the initial design phase. Structural design of FPSO topside module requires consideration of the number of MSSs, connection type, and structural analysis options such as the range of finite element models, load conditions, and boundary conditions for verification of structural strength. In this study, the comparison combination cases for the above considerations were derived and the strength evaluation was performed, and the structural behavior characteristics of the topside module were compared and analyzed through a detailed review of the analysis results. The results of this study are considered to be a good reference for designing a more reliable topside module structure.

논-스캘럽 블록 조인트 용접법 개발

김호경(Kim, Ho-Kyeong),고대은(Ko, Dae-Eun) 한국산학기술학회 2014 한국산학기술학회논문지 Vol.15 No.9

용접 스캘럽은 작은 사분원 또는 반원 형상의 구멍으로서 용접의 작업성 향상을 위한 목적으로 용접선이 교차하는 위치에 시공된다. 선체 블록의 탑재 단계에서는 수많은 T-bar 조인트 용접이 수행되어야하며, 플랜지-웨브의 교차용접이 완료된 후에 육성용접을 통해 모든 스캘럽을 메공하는데 많은 생산시수가 소요된다. 본 연구에서는 특별한 타입의 CBM(ceramic backing material)을 고안하여 T-bar 조인트 용접 시 플랜지-웨브의 교차용접 지점에 시공되던 스캘럽을 삭제 함으로써 논-스캘럽 블록 조인트 용접 공법을 개발하였다. 플랜지간 용접 시 플랜지 이면에 접촉한 웨브의 V 용접개선에 삽입이 용이하도록 CBM을 웨지 형상으로 제작하였고 웨브간 용접 개선의 루트갭에 맞추어 불필요한 부분의 절단이 용이하 도록 예비 절단면들을 톱니 형상으로 배치하였다. 조선소의 실제 용접조건에 기초한 일련의 실험을 통하여 개발된 논-스캘럽 용접 공법의 유용성을 확인하였다. A weld scallop is a small quadrant or half circle type hole installed in the weld line cross area for easy welding operation. Many types of T-bars with a scallop can be welded in a block assembly stage in shipbuilding. The difficulties arise from the fact that scallops are to be filled by build-up welding after welding of the cross line is complete. In this study, a non-scallop block joint welding method was developed using special type CBM (ceramic backing material). The wedge shaped CBM was devised to insert a CBM into just the V groove of weld line cross area without weld scallop. A saw-toothed shape was adopted for easy cutting of the unnecessary part in the CBM fitting process. The applicability of the developed method was verified through welding experiments based on the yard welding conditions.

화학제품 운반선 수평 파형격벽의 최소중량설계에 관한 연구

신상훈(Sang-Hoon Shin),고대은(Dae-Eun Ko) 한국산학기술학회 2016 한국산학기술학회논문지 Vol.17 No.9

파형격벽은 보강격벽에 비해 많은 장점을 갖고 있어 살물선, 정유운반선, 화학제품 운반선의 화물창 격벽으로 사용되고 있다. 살물선 파형격벽의 최적 파형을 구하기 위한 연구는 비교적 활발하게 수행되어 왔으나, 고가의 재질로 구성되어 최적설계 시 경제적 효과가 가장 클 것으로 예상되는 화학제품 운반선에 대한 연구는 거의 찾아보기 어렵다. 화학제품 운반선의 파형격벽은 크게 수직 파형격벽과 수평 파형격벽으로 구분할 수 있으며, 수평 파형격벽은 다른 선종에서는 볼 수 없는 특별한 형태의 격벽으로 30K급 실적선의 경우 전체 파형격벽의 30% 정도를 차지하고 있다. 본 연구의 목적은 화학제품 운반선의 수평 파형격벽에 대한 최소중량설계 방법을 개발하는 것으로, 최적화 기법으로는 진화전략 기법을 도입하여 전체 최소점을 신뢰성 있게 탐색하였고 최적의 결과를 주는 설계변수 값이더라도 현장의 작업성을 위반하면 도태되도록 하여 현장 적용성을 높였다. 또한, 유한요소법에 의한 구조해석을 통해 도출된 최적설계 결과에 대한 구조 안전성을 검증하였다. 최적화 결과에 따른 수평 파형격벽의 설계는 실적선과 비교하여 동등 수준의 구조강도를 확보하면서도 약 14%의 중량 절감 효과를 보였으며, 이에 따라 설계 및 제작 공수를 줄이는데도 크게 기여할 것으로 기대된다. Corrugated bulkheads have many advantages compared to stiffened bulkheads, and they have thus been used for the cargo tank bulkheads of commercial vessels, such as bulk carriers, product oil carriers, and chemical tankers. Various studies have been carried out to find the optimum corrugation shape for bulk carriers, but optimum design studies for chemical tankers with bulkheads made of high-priced materials are scarce. The purpose of this study is to develop a minimum weight design method for horizontal corrugated bulkheads for a chemical tanker. An evolution strategy (ES) that searches for a reliable global optimum point was applied as an optimization technique, and the structural safety of the optimum design was verified through structural analysis using the finite element method (FEM). The results were compared with those of an existing ship, which showed a weight reduction of about 14% with equivalent structural strength.