Development of a 6-DOF Real-Time Hybrid Simulation Platform for Evaluating Dynamic Response of Floating Structures under Wind-Wave Loads = 부유식 구조물의 풍-파랑 하중 응답 특성 평가를 위한 6자유도 실시간 하이브리드 실험 플랫폼 구축

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

With the accelerating global paradigm shift towards carbon neutrality, floating structures have become essential technologies for utilizing vast resources in deep-water environments. These structures, including Floating Offshore Wind Turbines (FOWTs), floating bridges, and offshore platforms, are subjected to complex environmental loads where aerodynamics and hydrodynamics are fully coupled. Therefore, accurately evaluating these coupled dynamic responses during the design phase is a prerequisite for ensuring system stability and fatigue life.
Conventional performance evaluation methods, such as numerical simulations and physical model testing, present distinct limitations. Numerical tools often rely on simplified aerodynamic models, struggling to predict unsteady phenomena, while physical model tests in wave basins face challenges in generating high-quality wind fields and cannot physically reproduce complex mooring dynamics in wind tunnels. Although Real-Time Hybrid Simulation (RTHS) has emerged as a powerful alternative, its successful implementation has been hindered by critical challenges, particularly actuation time delays and signal distortion caused by the moving experimental specimen.
To address these challenges, this study develops a robust 6-DOF RTHS framework for the precise aero-hydrodynamic evaluation of floating structures. The proposed system integrates a physical substructure (the upper structure located in a wind tunnel) with a numerical substructure (the floating body and mooring system). The numerical substructure is built upon Cummins equation and a lumped-mass mooring model to simulate nonlinear global behavior in real-time. To bridge the numerical and physical domains, a 6-DOF actuating system driven by electric linear motors was developed. To ensure high-fidelity testing, a Cartesian-space Adaptive Time Series (ATS) compensator and a Virtual Control Node (VCN) strategy were implemented to minimize time delays and dynamic coupling. Furthermore, a robust force identification strategy was established to isolate pure aerodynamic loads in real time by analytically compensating for the gravitational and inertial disturbances inherent to the load cell attached to the moving platform.
The validity of the developed framework was rigorously verified through a series of experimental tests using a floating offshore wind turbine model as a case study. The numerical model was validated against commercial software (OrcaFlex, Ansys AQWA). Proof-of-concept tests demonstrated that the proposed force compensation algorithm effectively eliminated inertia-induced period errors (NRMSE < 0.03%) and achieved high tracking accuracy under irregular wave conditions (NRMSE < 1.8%). Finally, wind-on tests successfully reproduced the coupled drift response induced by aerodynamic loads, demonstrating the feasibility of the proposed RTHS framework as an effective tool for the performance evaluation of floating structures.

국문 초록 (Abstract)

전 세계적인 탄소 중립 기조에 따라 해양 공간 활용의 중요성이 증대되면서, 심해 환경에서의 자원 개발 및 에너지 활용을 위한 부유식 구조물(floating structures) 기술이 핵심으로 대두되고 있다. 부유식 해상 풍력 터빈, 부유식 교량, 해양 플랫폼 등으로 대표되는 이러한 구조물들은 바람, 파도, 조류 등 복합적인 환경 하중 하에서 공기역학(aerodynamics)과 유체역학(hydrodynamics)의 상호 작용에 의해 복잡한 거동을 보인다. 따라서 설계 단계에서 부유식 구조물의 연성된 동적 응답을 정확하게 평가하는 것은 시스템의 안정성과 피로 수명을 확보하는데 필수적이다.
기존의 성능 평가 방법인 수치 해석과 물리적 모형 실험은 각각 명확한 한계를 가진다. 수치 해석은 계산 비용의 문제로 공기역학 모델을 단순화하여 비정상(unsteady) 현상을 정확히 예측하기 어렵고, 조파 수조 실험은 양질의 바람장을 생성하는 데 제약이 따르며, 풍동 실험은 파도와 계류 시스템을 물리적으로 구현할 수 없다. 이러한 문제를 해결하기 위해 수치 해석과 물리 실험의 장점을 결합한 실시간 하이브리드 시뮬레이션(Real-Time Hybrid Simulation, RTHS)이 대안으로 제시되었으나, 기존 연구들은 구동 시스템의 시간 지연(time delay)과 움직이는 실험체로 인한 신호 왜곡 문제를 완전히 해결하지 못해 실험의 신뢰성을 확보하는 데 어려움이 있었다.
이에 본 연구에서는 부유식 구조물의 정밀한 공기-유체역학적 연성 해석을 위해 풍동 실험 기반의 6자유도(6-DOF) RTHS 프레임워크를 개발하였다. 제안된 시스템은 풍동 내의 물리적 구조물(상부구조)과 실시간으로 계산되는 수치적 구조물(부유체 및 계류 시스템)로 구성된다. 수치적 하부 구조는 Cummins 방정식과 집중 질량 모델 (lumped mass line model)을 기반으로 구축하여 부유체와 계류 라인의 비선형 거동을 실시간으로 모사한다. 이를 물리적 세계와 연결하기 위해 전기 리니어 모터 기반의 6자유도 가진 시스템을 개발하였으며, 직교 좌표계 기반의 적응형 시계열 (Adaptive Time Series, ATS) 보상기와 가상 제어점 (Virtual Control Node, VCN) 전략을 도입하여 구동 지연과 동적 간섭을 최소화하였다. 특히, 움직이는 플랫폼에 부착된 로드셀에서 발생하는 실험체에 의한 관성력과 중력을 실시간으로 제거하기 위해 시스템 식별법에 기초한 힘 보상 (Force identification)을 수행하여 순수 공기역학적 하중만을 수치 모델로 피드백하는 기술을 구현하였다.
개발된 프레임워크의 타당성을 입증하기 위해 부유식 해상 풍력 터빈 모델을 적용 대상으로 선정하여 단계적인 검증 실험을 수행하였다. 수치 모델은 상용 소프트웨어(OrcaFlex, Ansys AQWA)와의 상호 비교를 통해 신뢰성을 확보하였으며, 1:100 축소 모델을 이용한 개념 증명(Proof-of-Concept) 실험을 수행한 결과, 제안된 힘 보상 알고리즘은 관성력에 의한 주기 오차를 0.03% 이내로 감소시켰다. 또한, 불규칙 파랑 조건에서도 1.8% 미만의 낮은 오차율(NRMSE)로 수치 모델의 거동을 정확히 추종하였다. 최종적으로 풍동 환경에서의 실험을 통해 공기역학적 하중이 부유체의 운동에 실시간으로 반영되는 연성 거동을 성공적으로 재현함으로써 본 연구에서 제안한 RTHS 프레임워크가 향후 다양한 부유식 구조물의 성능 평가에 효과적으로 활용될 수 있는 가능성을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Study Background 1
• 1.2. Research Objectives 5
• 1.3. Organization 7
• Chapter 2. Development of an Analytical Floating Subsystem 9
• 2.1. Introduction 9
• 2.2. Floating Body Dynamics 11
• 2.2.1. Linear Hydrodynamic Forces 11
• 2.2.2. Second-Order Wave Loads 15
• 2.2.3. Viscous Hydrodynamic Loads 16
• 2.3. Mooring Line Dynamics 18
• 2.4. Configuration of the Numerical Analysis Model 22
• 2.5. Verification of the Numerical Floating Structure 25
• 2.5.1. Description of the Target Structure 25
• 2.5.2. Static Offset Test 27
• 2.5.3. Free Decay Test 28
• 2.5.4. Regular Wave Tests 30
• 2.5.5. Irregular Wave Tests 32
• Chapter 3. Development of a 6-DOF Actuating System 35
• 3.1. Introduction 35
• 3.2. System Configuration 37
• 3.2.1. Mechanical Design and Hardware Specifications 37
• 3.2.2. Signal Interface and Real-Time Controller 38
• 3.3. Kinematic Analysis 40
• 3.3.1. Coordinate Systems 40
• 3.3.2. Inverse Kinematics 40
• 3.3.3. Forward Kinematics 42
• 3.3.4. Workspace Analysis 43
• 3.4. Control Scheme and Time-Delay Compensation 47
• 3.4.1. System Dynamics and Time Delay Characteristics 47
• 3.4.2. Time-Delay Compensation Strategy 47
• 3.4.3. Evaluation of Control Performance 51
• Chapter 4. Force Identification and Compensation 54
• 4.1. Introduction 54
• 4.2. Force Measurement Model 56
• 4.3. Identification of System Parameters 58
• 4.3.1. Static Tilt Test 58
• 4.3.2. Forced Motion Test 59
• 4.4. Real-Time Force Compensation and Coordinate Transformation 61
• Chapter 5. Proof-of-Concept Test 63
• 5.1. Introduction 63
• 5.2. Numerical Substructure and Experimental Setup 64
• 5.2.1. Numerical Substructure 65
• 5.2.2. Physical Specimen and Scaling Laws 65
• 5.3. Experimental Results 67
• 5.3.1. Verification of Force Compensation (Free Decay Test) 67
• 5.3.2. Validation under Irregular Wave Excitation 68
• 5.3.3. Response under Aero-Hydro Coupled Loading 70
• Chapter 6. Conclusions 72
• Bibliography 76
• Abstract in Korean 78