부유식 해상 풍력 발전기의 운동 방정식 구성 자동화를 위한 Multibody Formalism 개발

구남국,조아라,Martin Friebe,이규열 대한조선학회 2011 대한조선학회 학술대회자료집 Vol.2011 No.6

본 논문에서는 부유식 해상 풍력 발전기의 설계와 생산 계획 단계에서 필요로 하는 동적 거동 및 동적 하중 계산을 위하여, 다물체계 동역학을 기반으로 multibody formalism 을 개발 하였다. 부유식 해상 풍력 발전기는 부유식 플랫폼 위에 타워(tower), 낫셀(nacelle), 허브(hub), 그리고 3 개의 블레이드(blade)가 고정 관절(fixed joint) 또는 회전 관절(revolute joint)로 연결되어 있는 다물체계 시스템(multibody system)으로 정의할 수 있다. 본 논문에서는 다물체계 동역학 기반의 recursive formulation 을 이용하여 운동 방정식을 구성하고 있다. 본 연구에서 개발한 multibody formalism 은 그래프 이론을 바탕으로 하여 다물체계 시스템을 구성하고 있는 물체의 형상정보, 속성정보, 그리고 물체들 간의 연결관계를 입력 받아 운동방정식을 자동으로 구성하고, 수치적 해를 계산하는 기능을 한다. 부유식 해상 풍력 발전기의 보다 정확한 동역학적 거동해석을 위하여 부유식 풍력 발전기의 임의자세를 고려한 비선형 유체 정역학적 힘(hydrostatic force with non-linear effects)과 3D Rankine panel 방법을 이용하여 계산한 선형 유체 동역학적 힘(linearized hydrodynamic force), blade element method(BEM)을 이용하여 계산한 풍력(aerodynamic force), 그리고 계류력(mooring force) 계산 모듈을 개발하였다. 그리고 외력 계산 모듈을 multibody formalism 과 통합하여 다물체계 시스템의 운동 방정식과 동시에 풀어 부유식 해상 플랫폼에 작용하는 동적 하중을 계산 하였다.

LNG FPSO 의 Liquefaction Process 을 위한 장비의 최적 다층 배치

구남국,이준채,황지현,노명일,이규열 대한조선학회 2011 대한조선학회 학술대회자료집 Vol.2011 No.6

LNG FPSO 경우 선박 위에 Topside process system 들이 배치되어야 하므로, 육상에 비해 면적에 관련된 제약조건이 좀 더 중요하게 다루어 지고 있다. 그러므로 LNG FPSO 의 Topside 의 장비배치는 Single-deck 이 아닌 Multi-deck 로 설계하여야 하며, 설계 시 FEED 단계에서 Topside 에 배치된 장비가 차지하는 면적을 최소화하기 위한 최적의 Layout 이 결정되어야 한다. 본 논문에서는 LNG FPSO 의 Topside process system 중에서도 Liquefaction process system 에 대해 Facility layout optimization 를 수행하였으며, 여러 종류의 Liquefaction cycle 중 최근 LNG FPSO 에 적용 검토되고 있는 Dual Mixed Refrigerant(DMR) cycle 을 대상으로 하였다. 이와 관련된 연구에는 Multi-floor 로 이루어진 화학공장에 대한 Layout 최적화와 화학공장의 Safety 를 위해 장비간의 최소허용거리를 제약조건으로 고려하여 Layout 최적화를 수행한 것이 있다. 이에 본 논문에서는 Heat exchanger 와 같이 높이 방향으로 긴 장비가 Deck 을 관통하여 여러 Deck 에 걸쳐 배치되는 것을 추가로 고려하여 Liquefaction process system 에 대한 최적의 Layout 을 도출하였다. 위 사항들을 고려하여 DMR cycle 의 Layout 에 대한 수학적 모델을 구성하였으며, 589 개의 설계 변수와 365 개의 등호 제약조건 및 907 개의 부등호 제약조건을 도출하였다. 이러한 수학적 모델은 등호제약 조건의 개수 보다 설계 변수의 개수가 많은 최적화 문제로 볼 수 있으며, 최적 Layout 의 기준으로 Total layout cost 최소화를 목적함수로 정의하였다. 이러한 최적화 문제를 GA(Genetic Algorithm) 방법과 SQP(Sequential Quadratic Programming) 방법을 혼합한 Hybrid 최적화 방법을 사용하여 최적의 Layout 을 결정하였다.

해상 시추선의 Heave Compensation System의 동적 거동 해석

구남국,조아라,박광필,이규열,노명일 대한조선학회 2012 대한조선학회 학술대회자료집 Vol.2012 No.5

본 논문에서는 해상 시추선의 heave compensation system의 동적 거동 해석을 수행 하였다. 우선 시뮬레이션을 위하여, 다물체계 동역학 kernel을 개발하였다. 다물체계 동역학 kernel은 입력 받은 heave compensation system 시뮬레이션 모델의 운동학적 정보를 이용하여 recursive Newton-Euler formulation 방법을 기반으로 운동방정식을 자동으로 구성하고, 수치적으로 해를 계산하는 기능을 한다. 그리고 해상 시추선에 작용하는 외력을 계산하기 위하여 유체 정역학적 힘과 유체동역학적 힘을 계산하는 모듈을 개발하였다. 또한 heave compensation system의 기능을 시뮬레이션 하기 위하여 유공압힘을 계산할 수 있는 모듈을 개발하였다. 이와 같이 개발한 커널과 모듈들을 적용하여 해상 시추선의 hoisting system 동적 거동 해석을 수행하고, 관절에서의 구속력을 계산하였다.

다물체계 동역학 기반의 해상크레인을 이용한 선박 진수 사례 시뮬레이션

구남국,하솔,이규열,노명일 대한조선학회 2012 대한조선학회 학술대회자료집 Vol.2012 No.5

There are several kinds of mechanical systems that are under event-triggered conditions. For the dynamic analysis of such mechanical systems, a dynamics kernel that can generate equations of motion for mutibody systems in the simulation program was developed. For complex multibody systems, a multibody dynamics kernel was developed to generate the equations of motion for multibody systems. To generate the equations of motion, the recursive formulation method was used. Using the developed dynamics kernel, the dynamic responses of multibody systems can be carried out. For the dynamic response analysis, an external force calculation module was developed. The developed module calculates the hydrostatic force considering the nonlinear effects and the linearized hydrodynamic force by using the 3D Rankine panel method for the forces exerted on the floating crane. The kernel can also be used for the dynamic response analysis of a general multibody system operating in ocean waves. With the use of the dynamics kernel developed in this paper, a dynamic response simulation of lunching process of the ship using two floating crane was carried out.

역학 기반 이산 사건 시뮬레이션을 위한 다물체계 동역학 커널 개발

구남국,조아라,Martin Friebe,이규열,노명일 대한조선학회 2011 대한조선학회 학술대회자료집 Vol.2011 No.11

There are several kinds of mechanical systems that are under event-triggered conditions. For the dynamic analysis of such mechanical systems, a simulation program that can generate equations of motion for mutibody systems in the discrete-event simulation framework was developed. For complex multibody systems, a dynamics kernel was developed to generate the equations of motion for multibody systems based on multibody dynamics. To generate the equations of motion, the recursive formulation method was used. Using the developed dynamics kernel, the dynamic responses of multibody systems can be carried out under continuous conditions. The general multibody dynamics kernel, however, cannot deal with discontinuous-state variables and event-triggered conditions. The multibody dynamics kernel, therefore, was integrated into the discrete-event simulation program to deal with multibody systems in discontinuous environments. The discrete-event simulation program was developed based on the discrete-event system specification (DEVS) formalism, which is a modular and hierarchical formalism for analyzing systems under event-triggered conditions.

다물체계 동역학 기반의 해상크레인을 이용한 선박 진수 사례 시뮬레이션

구남국,하솔,이규열,노명일 한국해양환경·에너지학회 2012 한국해양환경공학회 학술대회논문집 Vol.2012 No.5

There are several kinds of mechanical systems that are under event-triggered conditions. For the dynamic analysis of such mechanical systems, a dynamics kernel that can generate equations of motion for multibody systems in the simulation program was developed. For complex multibody systems, a multibody dynamics kernel was developed to generate the equations of motion for multibody systems. To generate the equations of motion, the recursive formulation method was used. Using the developed dynamics kernel, the dynamic responses of multibody systems can be carried out. For the dynamic response analysis, an external force calculation module was developed. The developed module calculates the hydrostatic force considering the nonlinear effects and the linearized hydrodynamic force by using the 3D Rankine panel method for the forces exerted on the floating crane. The kernel can also be used for the dynamic response analysis of a general multibody system operating in ocean waves. With the use of the dynamics kernel developed in this paper, a dynamic response simulation of lunching process of the ship using two floating crane was carried out.

착용식 로봇 제어를 위한 Impedance Control의 시뮬레이션 및 실험적 고찰

구남국,권정한,차주환,이규열 제어로봇시스템학회 2010 제어로봇시스템학회 국내학술대회 논문집 Vol.2010 No.5

조선 생산 공정의 작업자는 오랜 시간 팔을 뻗고 위 보기 작업(overhead operation)을 수행하고 있으며, 이는 근 골격계 질환을 발생시킬 수 있다. 이를 예방하고자, 본 논문에서는 위 보기 작업 지원을 위한 착용식 로봇의 impedance control 시뮬레이션 및 하드웨어 실험을 수행하였다. 착용식 로봇은 총 6 개의 회전 관절(어깨 2 자유도, 팔꿈치 1 자유도, 손목 3 자유도)로 구성되며, 작업자가 착용식 로봇에 가하는 힘을 end-effector에서 계측하고, 이를 제어에 사용하였다. 운동방정식은 뉴턴역학을 기반으로 한 relative coordinate formulation 을 이용하여 구성하였으며, 각 관절에 설치되어 있는 motor의 관성력과 감쇠력을 모델링 하여 운동방정식에 반영하였다. 착용식 로봇에 작용하는 외력으로는 중력, 작업자와 로봇 사이의 접촉력, 그리고 각 관절에 작용하는 제어력을 고려하였다. 제어력은 로봇 암의 transient motion과 steady state motion을 제어할 수 있는 impedance control을 사용하여 구성하였으며, 수치적 시뮬레이션을 통하여 로봇 암의 transient motion을 제어할 수 있음을 확인하였다. 또한 3자유도 착용식 로봇(어깨 2 자유도, 팔꿈치 1 자유도)의 하드웨어를 제작하여 impedance control을 이용한 실제 제어 성능을 검증하였으며, 이를 통하여 조선 생산 공정 작업 지원을 위한 착용식 로봇에 impedance control을 적용할 수 있음을 확인하였다.

해상크레인으로 인양하는 중량물의 Tagline 제어를 위한 다물체계 동역학 시뮬레이션 및 실험

구남국,이규열,권정한,차주환,함승호,하솔,박광필,Ku, Nam-Kug,Lee, Kyu-Yuel,Kwon, Jung-Han,Cha, Ju-Hwan,Ham, Seung-Ho,Ha, Sol,Park, Kwang-Phil 한국시뮬레이션학회 2010 한국시뮬레이션학회 논문지 Vol.19 No.1

This paper describes tagline PD control for reduction of motion for the heavy cargo(load) suspended by a floating crane. The equations of motion are set up considering the 6-degree-of-freedom floating crane and the 6-degree-of-freedom load based on multi-body system dynamics. The tagline mechanism is applied to floating crane to control motion of the heavy cargo(load). The winch, mounted on the deck of floating crane, is used to control the tension of tagline. To generate control force, PD control algorithm is applied. Numerical simulation and experiment is executed to verify the tagline control mechanism. The numerical simulation and experiment shows that the tagline control mechanism reduces the motion of the load suspended by a floating crane.

Verification of Projection Welding Quality through Image Learning

구남국,박영도,고미혜 대한용접·접합학회 2019 대한용접학회 특별강연 및 학술발표대회 개요집 Vol.2019 No.5

해상 시추선의 Heave Compensation System의 동적 거동 해석

구남국,조아라,박광필,이규열,노명일 한국해양환경·에너지학회 2012 한국해양환경·에너지학회 학술대회논문집 Vol.2012 No.5

본 논문에서는 해상 시추선의 heave compensation system의 동적 거동 해석을 수행 하켰다. 우선 시뮬레이션을 위하여, 다물체계 동역학 kernel을 개발하였다. 다물체계 동역학 kernel은 입력 받은 heave compensation system 시뮬레이션 모델의 운동학적 정보를 이용하여 recursive Newton-Euler formulation 방법을 기반으로 운동방정식을 지동으로 구성하고, 수치적으로 해를 계산하는 기능을 한다. 그리고 해상 시추선에 작용하는 외력을 계산하기 위하여 유체 정역학적 힘과 유체 동역학적 힘을 계산하는 모듈을 개발하였다. 또한 heave compensation system의 기능을 시뮬레이션 하기 위하여 유공압 힘을 계산할 수 있는 모듈을 개발하였다. 이와 같이 개발한 커널과 모듈들을 적용하여 해상 시추선의 hoisting system 동적 거동 해석을 수행하고, 관절에서의 구속력을 계산하였다.