전역탐색알고리즘 기반 이산설계변수 근사최적화를 이용한 FPU계류 장치 하부구조의 다목적 최적화 = Multi-objectives Optimum Design of FPU Mooring Foundation Using Global Search Algorithms-Based Discrete Design Variable Approximate Optimization.|RISS 상세보기

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서 고려한 계류장치 하부구조는 80,000ton급 FPU 선미부의 계류 시스템에 설치하기 위해 개념설계(Concept design)되었다. 계류장치 하부구조의 강도성능을 검토하기 위한 하중조건은 BV 선급 규정과 IACS UR 규정을 토대로 운송(Maneuvering 및 escort)과 계류 상태에 대한 설계하중을 산정하였다. 강도 성능은 유한요소해석을 이용하여 하중조건별 최대 조합응력을 평가하였으며, 선급 규정 최대허용응력의 만족 여부를 검토하였다.
계류장치 하부구조의 다목적 근사최적화는 다음과 같은 순서로 수행하였다. 우선 계류 장치 하부구조의 부재 두께를 설계변수로 정의하였고, 하중조건별 중량 최소화, 최대응력 전체 하부구조의 중량을 응답함수로 설정하였다. 설계변수의 변동범위는 개념설계의 초기 두께를 기준으로 약 20%의 하한과 상한 변동을 고려하여 실제 제조가능한 두께로 설정하였다. 직교배열 실험계획법을 이용하여 설계변수 변동에 따른 계류장치 하부구조의 민감도 해석, 최소중량, 최대응력 및 내부 성능 검증에 대해서 분석하였다.
본 연구에서 고려한 계류장치 하부구조의 근사 최적 설계에 적합한 근수모델을 결정하기 위해 Response surface model, Kriging model, 체비쇼프 직교 다항식 모델, 그리고 RBF Neural network model의 3가지 근사모델을 생성하여 정확도를 비교하였다. 이산설계변수 근사 다목적 최적화를 위한 정식화는 하중조건별 최대응력이 선급 규정 최대허용응력 이하인 제한조건과 Winch 및 Sheave 하부구조의 내구성능을 만족하면서 목적함수인 Chain stopper 하부구조의 중량최소화, 최대응력 및 내구성능 검증될 수 있는 이산변수로 정의된 부재 두께의 설계변수를 결정할 수 있도록 정의하였다. 최적화 알고리즘은 이산설계변수 탐색이 가능한 다양한 전역탐색알고리즘을 적용하였다.
본 연구에서 사용한 전역탐색알고리즘은 Simulated Annealing, Particle Swarm Optimization, 그리고 NSGA-II이다. 다목적 근사최적화 결과는 수치 계산 비용과 정확도를 전역탐색알고리즘별로 비교하여 가장 적합한 최적 설계 방법을 검토하였다.

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본 논문에서 고려한 계류장치 하부구조는 80,000ton급 FPU 선미부의 계류 시스템에 설치하기 위해 개념설계(Concept design)되었다. 계류장치 하부구조의 강도성능을 검토하기 위한 하중조건은 BV ...

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this paper, the considered mooring substructure was concept designed to be installed in the mooring system at the aft part of the 80,000 ton class FPU. The load conditions for reviewing the strength performance of the mooring substructure were calculated based on the BV Classification Regulations and the IACS UR Regulations for the design loads for transportation (manoeuvring and escort) and mooring conditions. For strength performance, finite element analysis was used evaluate the maximum combined stress for each load condition, the satisfaction of the maximum permissible stress in the classification rules was reviewed.
Multipurpose approximate optimization of the mooring substructure was performed in the following order. First, the member thickness of the mooring device substructure was defined as a design variable, the weight minimization and maximum stress for each load condition the weight of the entire substructure was set as the response function. The variation range of the design variable was set to the actual manufacturable thickness by considering the variation of the lower limit and the upper limit of about 20% based on the initial thickness of the conceptual design. Sensitivity analysis of mooring substructure according to design variable variation, minimum weight, maximum stress, and internal performance verification were analyzed using the orthogonal array experimental design method.
In order to determine a logistical model suitable for the approximate optimal design of the mooring substructure considered in this study, three approximate models, Response surface model, Kriging model, Chebyshev orthogonal polynomial model, and RBF neural network model, were created and their accuracy was compared. The formalization for discrete design variable approximation multi-purpose optimization satisfies the limiting condition that the maximum stress for each load condition is less than the maximum allowable stress specified by the classification society and the durability performance of the winch and sheave substructures, while minimizing the weight of the chain stopper substructure, the maximum stress and it was defined to be able to determine the design veriable of member thickness defined as a discrete variable that can be verified for durability performance. The optimization algorithm applied various global search algorithms capable of searching for discrete design variables.
The global search algorithms used in this study are Simulated Annealing, Particle Swarm Optimization and NSGA-II. As for the results of multipurpose approximate optimization, the most appropriate optimal design method was reviewed by comparing the numerical calculation cost and accuracy for each global search algorithm.

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목차 (Table of Contents)

제1장 서 론 1
제1절 연구 배경 1
제2절 국내외 연구 동향 4
1. 국외 연구 동향 4
2. 국내 연구 동향 6

제1장 서 론 1
제1절 연구 배경 1
제2절 국내외 연구 동향 4
1. 국외 연구 동향 4
2. 국내 연구 동향 6
제3절 연구 목표 및 주요 연구내용 7
1. 연구 목표 7
2. 주요 연구내용 8
제4절 실험계획법(DOE) 이론 9
1. 실험계획법(DOE) 9
2. 직교 배열법 12
3. 민감도 해석 13
제5절 근사모델 이론 14
1. 반응표면모델 14
2. Kriging 모델 14
3. 체비쇼프 직교 다항식 15
4. 신경망 16
제6절 다목적 최적화 16
1. 전역탐색알고리즘 16
제7절 최적화 기법 17
1. Simulated Annealing 17
2. Particle Swarm Optimization 18
3. NSGA-II 18
제8절 이산설계변수 이론 19
제9절 강도해석 이론 19
1. 피로강도 19
2. 피로손상 계산 20
제2장 본 론 22
제1절 FPU 계류장치 하부구조 다목적 최적설계 이론 및 규정 22
1. 서 언 22
2. FPU 계류장치 시스템 22
3. BV 선급/IACS UR Rule 26
제2절 FPU 계류장치 초기설계 구조해석 27
1. 서언 27
2. 초기설계 구조해석 27
3. FPU 계류장치 하부구조 Load case 28
4. FPU 계류장치 하부구조 Calculated Stress Summary 31
제3절 FPU 계류장치 하부구조 초기모델 피로해석 37
1. 서언 37
2. 피로요건에 대한 규칙 적용 37
3. 피로수명 계산을 위한 선급 규칙 39
4. 전체 피로손상 및 피로수명 43
5. 피로해석 이론-Goodman 43
6. FPU 계류장치 하부구조 피로해석을 위한 물성치 44
7. FPU 계류장치 하부구조 피로해석을 위한 하중 45
8. FPU 계류장치 하부구조 초기모델 피로해석 46
제4절 실험계획법 기반 민감도 해석 49
1. 서언 49
2. 실험계획법(DOE) 구성 49
3. 실험 설계행렬(Design matrix) 수행 52
4. 실험 설계행렬(Design matrix) 결과 58
5. 민감도 평가 결과 58
제5절 근사모델링 62
1. 서언 62
2. 근사모델 생성 및 근사 정확도 검토 62
3. 근사모델 생성 및 근사 정확도 분석 실행 63
4. 근사모델 생성 및 근사 정확도 분석 비교 결과 68
제6절 이산설계변수 다목적 최적화 69
1. 서언 69
2. Simulated Annealing 분석법을 통한 다목적 최적화 검토 69
3. Particle Swarm Optimization 분석법을 통한 다목적 최적화 검토 77
4. NSGA-II 분석법을 통한 다목적 최적화 검토 85
5. 전역탐색알고리즘 분석법을 통한 다목적 최적화 결과 93
6. Pareto Plot Result 96
7. FPU 계류장치 하부구조 다목적 최적화에 대한 피로성능 검증 98
제3장 결 론 103
참 고 문 헌 106
국 문 초 록 112

참고문헌 (Reference)

1. Adaptive Weighted Sum Method for Bi-objective Optimization, Kim I. Y., Vol. 21, No.9, , 2004

2. A Study on Control System Design for Ship Mooring Winch System, Kim Y. B., Jeong J. H., Kang C. n., Vol. 17, No. 3, pp, 89~98, , 2013

3. lMinimum Weight Design of Transverse Strength Member by using Finite Element Method, Na, S. S. Kim, K. S., Shin, D. H, Urm, H. S., 22(3) pp.27~37, , 1985

4. Study of Heat Transfer and Safety Evaluation for Heating Coils in the Fuel Tank of a Ship, Yoo W. S., Moon, J. G., Kwon, Y. H., Park, J. C., Ahn, S. W., 24(5), 22-30, , 2010

5. Multi-objective robust optimization of foam-filled tapered multi-cell thin-walled structures, Fang. H., Wen, G., Yin, H., Xiao, Y., Qing. Q, Vol.52 No.6, , 2015

6. Low cycle fatigue and ratcheting failure behavior of AH32 steel under uniaxial cyclic loading, Ping Yang, Qin Dong, 11 671-678, , 2019

7. Mooring Layout Angle and Maximum Tension for Spread Moored FPSOs in Various Metocean Conditions, Chung Y. S., Lee M. K., Lee S. J., Park S. B., Jung K. H., 30(4), 253-259 August, 2016, , 2016

8. Study of Reliability-Based Robust Design Optimization Using Conservative Approximate Meta-Models, Lee, J., Song, C. Y., Choi, H., Sim, H. M., 26(6), 80-85, , 2012

9. lStudy of Reliability-Based Robust Design Optimization Using Conservative Approximate Meta-Models, Sim. H. M., Song. C. Y., Lee. J., Choj. H., 26(6), 80-85, , 2012

10. Hull-form optimization of semi-submersible FPU considering seakeeping capability and structural weight, Jang, Kim, JeongDu Elsevier Science B. V., Beom-Seon, Park, Yongman, Amsterdam Vol.104 No, , 2015