위상 최적설계를 활용한 캔틸레버식 헬리데크 경량화 연구

정태원,김병모,하승현,Jung, Tae-Won,Kim, Byung-Mo,Ha, Seung-Hyun 한국전산구조공학회 2017 한국전산구조공학회논문집 Vol.30 No.5

In the offshore industry, helicopters are mainly used for transportation of goods or operating personnel between offshore sites and onshore facilities. A helideck is a structure that is required for landing and take-off of helicopters on the offshore structure. There are several shapes of helidecks depending on the type of offshore structures or installation location. Among them, cantilever-type helidecks usually provide more space on the topside of offshore structures and it is safer against potential accidents like fire or explosion. In this paper, the cantilever-type helideck is selected for the research object and topology design optimization is applied for lightweight design of the helideck. A finite element model is then created from the optimal layout of truss structures of the helideck, and structural analysis is performed under various landing conditions and wind loads. Based on the analysis results, the detailed section dimensions of structural members are determined so that the maximum stress at each structure member does not exceed the allowable stress of the structural material. Also, the final optimal design shows significant decrease in the total weight of the helideck. 해양구조물 등에서 해상 현장과 육상시설 사이에 물자나 운용 인력을 수송하기 위한 수단으로 헬리콥터가 주로 이용된다. 헬리데크는 헬리콥터가 해양구조물에 착륙하기 위해 필수적으로 탑재되는 구조물로서, 해양구조물의 종류나 탑재되는 위치 등에 따라 다양한 형태의 헬리데크가 존재한다. 그 중에서 캔틸레버식 헬리데크는 해양구조물의 탑사이드 공간 확보에 용이하며, 헬리콥터와의 충돌 등의 미연의 사고로부터 보다 안전하다. 본 논문에서는 캔틸레버식 헬리데크를 연구대상으로 선정하고, 이를 구성하고 있는 하부 트러스 구조에 대해서 위상 최적설계를 적용하였다. 또한 상용 구조해석 프로그램을 이용하여 유한요소 모델을 생성하고, 다양한 착륙 상황과 풍하중을 적용하여 구조해석을 수행하였다. 이를 바탕으로 헬리데크의 각 구조 부재에 발생하는 응력이 사용 재료의 허용응력을 넘지 않도록 부재의 세부 단면 치수를 결정하여, 보다 안전하면서도 경량화된 헬리데크 설계를 얻을 수 있다.

위상 최적설계를 활용한 캔틸레버식 헬리데크 경량화 연구

정태원,김병모,하승현 한국전산구조공학회 2017 한국전산구조공학회논문집 Vol. No.

해양구조물 등에서 해상 현장과 육상시설 사이에 물자나 운용 인력을 수송하기 위한 수단으로 헬리콥터가 주로 이용된다. 헬리데크는 헬리콥터가 해양구조물에 착륙하기 위해 필수적으로 탑재되는 구조물로서, 해양구조물의 종류나 탑재되는 위치 등에 따라 다양한 형태의 헬리데크가 존재한다. 그 중에서 캔틸레버식 헬리데크는 해양구조물의 탑사이드 공간 확보에 용이 하며, 헬리콥터와의 충돌 등의 미연의 사고로부터 보다 안전하다. 본 논문에서는 캔틸레버식 헬리데크를 연구대상으로 선정 하고, 이를 구성하고 있는 하부 트러스 구조에 대해서 위상 최적설계를 적용하였다. 또한 상용 구조해석 프로그램을 이용하 여 유한요소 모델을 생성하고, 다양한 착륙 상황과 풍하중을 적용하여 구조해석을 수행하였다. 이를 바탕으로 헬리데크의 각 구조 부재에 발생하는 응력이 사용 재료의 허용응력을 넘지 않도록 부재의 세부 단면 치수를 결정하여, 보다 안전하면서도 경량화된 헬리데크 설계를 얻을 수 있다. In the offshore industry, helicopters are mainly used for transportation of goods or operating personnel between offshore sites and onshore facilities. A helideck is a structure that is required for landing and take-off of helicopters on the offshore structure. There are several shapes of helidecks depending on the type of offshore structures or installation location. Among them, cantilever-type helidecks usually provide more space on the topside of offshore structures and it is safer against potential accidents like fire or explosion. In this paper, the cantilever-type helideck is selected for the research object and topology design optimization is applied for lightweight design of the helideck. A finite element model is then created from the optimal layout of truss structures of the helideck, and structural analysis is performed under various landing conditions and wind loads. Based on the analysis results, the detailed section dimensions of structural members are determined so that the maximum stress at each structure member does not exceed the allowable stress of the structural material. Also, the final optimal design shows significant decrease in the total weight of the helideck.

인공 신경망을 사용한 시뮬레이션 기반 헬리데크 손상 추정

김찬영,하승현 한국전산구조공학회 2020 한국전산구조공학회논문집 Vol.33 No.6

본 논문에서는 전산구조 해석 데이터를 기반으로 인공 신경망을 활용하여 헬리데크 구조물에 대한 손상 추정 기법을 제안하였다. 헬리데크를 구성하는 트러스와 서포트 부재들에 대해서 절점을 공유하는 부재들을 70개의 모델로 그룹화 하였으며, 최대 3가지 부재 그룹에 무작위로 손상을 부여하여 총 37,400개의 손상 시나리오를 생성하였다. 이들 각각에 대해서 구조 해석 프로그램을 통해 모드 해석을 수행하였으며, 전체 손상 시나리오를 사용 목적에 따라 학습, 유효성 검사, 그리고 검증 시나리오로 분리하였다. 헬리데크의 손상 및 비손상 상태의 동적 응답 특성에 대한 패턴 인식을 위해 PyTorch 프로그램을 활용하여 3개의 은닉층을 가지는 인공 신경망을 구성하였으며, 이에 대해서 다양한 손상 시나리오를 반복 학습함으로써 손실 함수를 최소로 하는 인공 신경망을 도출하였다. 최종적으로 총 400개의 검증 시나리오에 대해서 인공 신경망이 추정한 손상률과 실제 부여된 손상률을 비교하였으며, 그 결과 본 연구를 통해 얻어진 인공 신경망이 손상 부재의 위치와 손상 정도를 매우 높은 정확도로 예측하는 것을 확인하였다. In this study, a simulation-based damage estimation method for helidecks is proposed using an artificial neural network. The structural members that share a connecting node in the helideck are regarded as a damage group, and a total of 37,400 damage scenarios are numerically generated by applying randomly assigned damage to up to three damage groups. Modal analysis is then performed for all the damage scenarios, which are selectively used as either training or validation or verification sets based on the purpose of use. An artificial neural network with three hidden layers is constructed using a PyTorch program to recognize the patterns of the modal responses of the helideck model under both damaged and undamaged states, and the network is successively trained to minimize the loss function. Finally, the estimated damage rate from the proposed artificial neural network is compared to the actual assigned damage rate using 400 verification scenarios to show that the neural network is able to estimate the location and amount of structural damage precisely.

알루미늄 헬리데크 최종강도 거동에 영향을 미치는 변수에 대한 고찰

장호윤,서광철,박주신 한국마린엔지니어링학회 2019 한국마린엔지니어링학회지 Vol.43 No.7

Recently, various examples of eco-friendly materials have been used to study their potential applications in naval and offshore industries. In particular, the applicability of aluminium alloy materials has been actively studied. Aluminium alloys have high rigidity and strength compared with their mass, and are widely applied in helideck structures, flare towers, platforms, and living quarters. In the case of helideck structures, structural and safety considerations are needed because the helicopter is constantly exposed to the weight and impact load when the helicopter is landing or take-off action. In this study, to analyze the ultimate strength characteristics of the aluminium alloy deck according to the modelling technique, the strength analysis depends on linear and nonlinear analysis methods was performed. The elements used in this study are shell and solid elements, and the effect of structural strength according to geometric shape is reflected. The initial yielding load and ultimate load converges at an element size of 25 mm or more, and a round shape is required for solid modelling. The results of this study will serve as good reference data for structural engineers performing similar studies in the future. 최근, 조선 및 해양 구조 분야에서 친환경 소재를 적용한 각종 사례가 연구되고 있다. 특히, 알루미늄 합금 소재의적용성 연구가 활발하게 진행되고 있다. 알루미늄 합금은 질량에 비교해 높은 강성과 강도를 갖고 있으며, 헬리데크, 플레어 타워, 플랫폼 및 거주구등에서 많이 적용되고 있다. 이 중에서도 헬리데크의 경우에는 헬리콥터의 이/착륙 시 중량및 충격하중에 상시 노출되기 때문에, 상세한 구조 안전성 검토가 필요하다. 본 연구에서는 알루미늄 합금 갑판의 모형화 기법에 따른 압축 최종강도 특성을 분석하기 위하여, 선형 및 비선형 해석방법에 따른 거동 분석을 수행하였다. 이때사용한 요소는 셀과 솔리드 요소이며, 실제 형상의 반영 유/무에 따른 구조 강도 영향도 검토하였다. 초기항복 하중 및최종강도 하중은 요소 크기가 25mm 이상의 조건에서 유사한 결과를 나타내고 있으며, 솔리드요소 적용한 모델링 시 라운드 형상의 반영이 필요하다. 이 연구의 주요 내용은 향후 유사 연구를 수행하는 구조 엔지니어에게 판단의 좋은 자료가 될 것으로 생각한다.

헬리콥터 고정용 안전장치 구조 안전성 평가

이명수,서광철,박주신 해양환경안전학회 2023 해양환경안전학회지 Vol.29 No.4

국제유가가 배럴당 85달러에서 하반기에는 최대 100달러까지 오를 것으로 예상하여 세계 시장에서 해양플랜트 발주가 늘어날 가능성이 크다. 해양플랜트의 주요 특징 중 한 가지는 탑사이드에 대형 헬리데크가 위치하며 경량화 및 내부식성을 위하여 알루미늄 합금을 구조의 기본 재료로 사용하고 있다. 선주사는 긴급 상황 발생 시 신속한 인명 대피를 위하여 헬리콥터 크기를 대형화하는 추세이고, 헬리콥터를 데크에 안정적으로 고박할 수 있는 장치의 안전사용하중도 증가가 필요하다. 알루미늄 재질의 특성상 용접에 의한 구조 강도 저하가 크기 때문에, 고정 장치는 데크에 매립하여 볼트로 고정하는 방식으로 설계가 필요하다. 본 연구에서는 대형 헬리데크(직경=28m)에 사용이 가능한 헬리콥터 고정 장치를 개발하기 위하여 알루미늄 합금 6082-T6를 적용한 모델을 개발하였다. 개발된 고정 장치는 실제 고박에 사용하는 하중 조건을 만족하도록 비선형구조 강도 계산을 통하여 검증하였다. 45도 경사각을 갖는 하중조건은 국부적인 소성 붕괴로 인하여 90도 조건에 비해 낮은 최종강도를 나타냈다. 최종 모델에 대한 비선형 구조 붕괴 거동은 강도 실험과 경향이 유사하게 나타났다. 본 연구에서 도출한 주요 내용은 유사 알루미늄 기자재의 구조 강도 검토 시 참고 문헌이 될 것으로 판단된다.

유전 알고리듬 및 AISC 표준 단면을 사용한 경량화 헬리데크 구조 최적설계

심기찬,김병모,김찬영,하승현 한국전산구조공학회 2019 한국전산구조공학회논문집 Vol.32 No.6

A helideck is one of the essential structures in offshore platforms for the transportation of goods and operating personnel between land and offshore sites. As such, it should be carefully designed and installed for the safety of the offshore platform. In this study, a structural design optimization method for a lightweight offshore helideck is developed based on a genetic algorithm and an attainable design set concept. A helideck consists of several types of structural members such as plates, girders, stiffeners, trusses, and support elements, and the dimensions of these members are typically pre-defined by manufacturers. Therefore, design sets are defined by collecting the standard section data for these members from the American Institute of Steel Construction (AISC), and integer section labels are assigned as design variables in the genetic algorithm. The objective is to minimize the total weight of the offshore helideck while satisfying the maximum allowable stress criterion under various loading conditions including self-weight, wind direction, landing position, and landing condition. In addition, the unity check process is also utilized for additional verification of structural safety against buckling failure of the helideck. 본 논문에서는 AISC 표준 단면을 설계 변수로 하는 캔틸레버 타입 헬리데크 모델의 유전 알고리즘 최적설계를 소개한다. AISC 표준 단면을 단면 형상별로 분류하고 단면적 순으로 정렬한 후 정수 단면 번호를 부여하여 설계 변수로 최적설계를 수행하였다. 이 과정을 통하여 이산화된 설계 변수를 가지는 최적설계 문제를 해결하기 위해 유전 알고리즘을 적용하였다. 또한, 제약조건으로 허용응력 및 허용응력비 검사 조건을 모두 고려하여 구조물의 구조 안정성을 고려한 설계를 수행하였다. 최적설계 과정중 매 반복계산 마다 수행되는 구조해석 시간을 단축시키기 위해 선형 중첩법을 사용하였고, 이를 통해 구조해석 시간을 약 75% 감소시킬 수 있었다. 또한 헬리데크 최적설계의 경량 효과를 높이기 위해 부재 그룹 세분화를 하였고, 그 결과를 선행 연구 모델, 기존의 부재 그룹 모델과 비교하였다. 그 결과 선행연구 대비 약 30톤의 부재를 절감할 수 있었으며, 구조적으로도 보다 안전한 헬리데크 설계를 얻을 수 있었다.

캔틸레버형 헬리데크에 대한 비선형 좌굴 안전성 평가

김병모(Byung-Mo Kim),임종제(Jong-Je Leem),하승현(Seung-Hyun Ha) 한국마린엔지니어링학회 2018 한국마린엔지니어링학회지 Vol.42 No.3

유한요소법을 이용한 헬리데크 상부구조물 해석방법에 관한연구

정원석,신민용,이승진,정명식,서형석 해양환경안전학회 2016 해양환경안전학회 학술발표대회 논문집 Vol.2016 No.11

헬리데크 설계를 위한 유한요소해석 기반 매개변수연구

박두환(Doo-Hwan Park),박용준(Yong-Jun Park),박주신(Joo-Sin Park),김정현(Jeong-Hyeon Kim),권병철(Byoung-Cheol Kweon),이제명(Jae-Myung Lee) 한국해양공학회 2014 韓國海洋工學會誌 Vol.28 No.5

A helideck is a very valuable offshore structure for the take-off and landing of a helicopter. In order to design a helideck, the design parameters and various loads defined by the regulations related to the design of a helideck should be applied. In this study, a risk analysis was performed based on the helicopter accidents for seven years, and the frequency and possible reasons for accidents involving helidecks were investigated. In addition, a finite element analysis of a steel helideck mounted on the upper deck of a ship (shuttle tanker) was performed with the load that should be considered when designing a helideck. Based on the results, a parametric study of helideck was carried out by applying a variety of design parameters, and an improved helideck design was presented. This improved helideck reduced the steel used by up to 24% compared to the initial helideck design, and the results of a finite element analysis were analyzed and compared with those of the initial analysis.

헬리데크용 소화 노즐의 분사패턴 연구

이봉희(Bong-Hee Lee),박재현(Jae-Hyoun Park),전영훈(Young-Hun Jeon),김현종(Hyoun-Jong Kim),김현지(Hyoun-Ji Kim),김정환(Jeong-Hwan Kim),김범석(Bum-Suk Kim),김정렬(Jeong-Ryul Kim),오세준(Sea-June Oh),김진구(Jin-Gu Kim) 대한기계학회 2014 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2014 No.11