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직교배열실험을 이용한 해양플랜트 플로트오버 설치 작업용 능동형 DSF의 민감도해석과 근사모델 비교연구
김훈관,송창용 한국융합학회 2021 한국융합학회논문지 Vol.12 No.3
본 연구에서는 해양플랜트의 플로트오버 설치 작업을 위해 개발된 능동형 갑판지지 프레임(Deck support frame, DSF)의 구조설계에 대해 직교배열실험 방법을 이용한 민감도해석과 다양한 근사모델의 적용에 따른 설계공간 의 근사화 특성에 관한 비교연구를 수행하였다. 본 연구의 목적은 효율적인 최적설계안 탐색과 높은 정확도의 근사모델 을 생성할 수 있는 직교배열실험 기반의 설계 방법론을 제안하는 것이다. 설계인자는 주요 구조부재의 두께 치수를 적용 하였고, 응답함수는 중량과 강도성능을 선정하였다. 직교배열실험을 이용하여 설계인자 별 응답함수에 대해 정량적인 영향도가 분석되었고, 최소중량설계를 실현할 수 있는 최상 설계조건이 탐색되었다. 직교배열실험 결과로부터 반응표면 모델, 크리깅 모델, 체비쇼프 직교 다항식 모델, 그리고 방사기저함수 신경망 모델과 같은 다양한 근사모델이 생성되었 다. 근사모델의 결과를 통해 직교배열실험 결과의 타당성을 검증하였으며, 능동형 DSF의 설계공간에 대해 방사기저함 수 신경망 모델이 가장 높은 정확도로 근사화할 수 있는 것으로 나타났다. The paper deals with comparative study for characteristics of approximation of design space according to various approximate models and sensitivity analysis using orthogonal array experiments in structure design of active type DSF which was developed for float-over installation of offshore plant. This study aims to propose the orthogonal array experiments based design methodology which is able to efficiently explore an optimum design case and to generate the accurate approximate model. Thickness sizes of main structure member were applied to the design factors, and output responses were considered structure weight and strength performances. Quantitative effects on the output responses for each design factor were evaluated using the orthogonal array experiment. Best design case was also identified to improve the structure design with weight minimization. From the orthogonal array experiment results, various approximate models such as response surface model, Kriging model, Chebyshev orthogonal polynomial model, and radial basis function based neural network model were generated. The experiment results from orthogonal array method were validated by the approximate modeling results. It was found that the radial basis function based neural network model among the approximate models was able to approximate the design space of the active type DSF with the highest accuracy.
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해양플랜트 플로트오버 설치 공법용 수동형 갑판 지지 프레임의 최소중량설계와 민감도 평가를 위한 실험계획법 응용
김훈관,이강수,송창용 해양환경안전학회 2021 해양환경안전학회지 Vol.27 No.1
본 연구에서는 20,000 톤급 해양플랜트 상부구조물(Topside)의 플로트오버 설치작업을 위해 개발된 수동형 갑판 지지 프레임 (Deck support frame)의 구조설계에 대해 다양한 실험계획법을 이용한 최소중량설계와 민감도 평가의 비교연구를 수행하였다. 수동형 갑판 지지 프레임의 주요 구조부재의 두께 치수 변수는 설계인자로 고려하였고, 응답치는 중량과 강도성능으로 선정하였다. 최소중량설계와 민감도 평가의 비교연구에 사용한 실험계획법은 직교배열설계법, Box-Behnken 설계법, 그리고 Latin hypercube 설계법이다. 실험계획법의 설계공간 탐색의 근사화 성능을 평가하기 위해 반응표면법을 각 실험계획법 별로 생성하여 근사화 정확도 특성을 검토하였다. 또한 최소 중량설계를 위해 최상 설계안의 결과로 부터 실험계획법의 특성에 따른 수치계산 비용, 중량감소 효과 등을 평가하였다. 수동형 갑판 지지 프레임의 구조설계에 대해 Box-Behnken 설계법이 가장 적합한 설계 결과를 나타내었다. This paper presents the findings of a comparative study on minimum weight design and sensitivity evaluation using different experimental design methods for the structural design of an active-type deck support frame (DSF) developed for the float-over installation of an offshore plant topside. The thickness sizing variables of the structural members of a passive-type DSF were considered the design factors, and the output responses were defined using the weight and strength performances. The design of the experimental methods applied in the comparative study of the minimum weight design and the sensitivity evaluation were the orthogonal array design, Box– Behnken design, and Latin hypercube design. A response surface method was generated for each design of the experiment to evaluate the approximation performance of the design space exploration according to the experimental design, and the accuracy characteristics of the approximation were reviewed. Regarding the minimum weight design, the design results, such as numerical costs and weight minimization, of the experimental design for the best design case, were evaluated. The Box– Behnken design method showed the optimum design results for the structural design of the passive-type DSF.
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실험계획법을 이용한 해양플랜트 플로트오버 설치 작업용 능동형 DSF의 구조설계 민감도 해석
김훈관,송창용,이강수 중소기업융합학회 2021 융합정보논문지 Vol.11 No.2
본 연구에서는 해양플랜트의 플로트오버 설치작업을 위해 개발된 능동형 갑판 지지 프레임 (Deck support frame, DSF)의 구조설계에 대해 다양한 실험계획법을 이용한 민감도해석의 비교연구를 수행하였다. 능동형 DSF의 주요 구조부재의 두께 치수 변수는 설계인자로 고려하였고, 응답치는 중량과 강도성능으로부터 선정하였다. 민감도해석의 비교연구에 사용한 실험계획법은 직교배열설계법, Box-Behnken 설계법 그리고 Latin hypercube 설계법이다. 실험계획법의 설계공간 탐색의 근사화 성능을 평가하기 위해 반응표면법을 각 실험계획법 별로 생성하여 근사화 정확도 특성을 검토하였다. 또한 최상설계안 의 결과로부터 실험계획법의 특성에 따른 수치계산 비용, 중량감소 효과 등과 같은 설계향상 효과를 비교하였다. 능동형 DSF의 구조설계에 대해 직교배열설계법이 가장 향상된 결과를 나타내었다. The paper deals with comparative study on sensitivity analysis using various methods regarding to design of experiments for structure design of an active type DSF (Deck support frame) that was developed for float-over installation of offshore plant. The thickness sizing variables of structure member of the active type DSF were considered the design factors. The output responses were defined from the weight and the strength performances. Various methods such as orthogonal array design, Box-Behnken design, and Latin hypercube design were applied to the comparative study. In order to evaluate the approximation performance of the design space exploration according to the design of experiments, response surface method was generated for each design of experiment, and the accuracy characteristics of the approximation were reviewed. The design enhancement results such as numerical costs, weight minimization, etc. via the design of experiment methods were compared to the results of the best design. The orthogonal array design method represented the most improved results for the structure design of the active type DSF.
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