KR100903904B1 - 1차원 등가 열팽창 계수를 이용한 곡 빌트업 자동 역 설계방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 1차원 등가 열팽창 계수를 이용한 곡 빌트업 자동 역 설계 기술에 관한 것으로, 형상구성 포인트들에 대한 정보를 포함하는 설계 파일에 대한 읽기를 수행하고, 웨브를 구성하는 최 외곽선을 인식하여 면을 구성한 뒤, 플랜지의 방향을 선택하며, 웨브의 재질 및 두께를 입력받고, 입력 받은 웨브 정보로 웨브 요소를 생성하며, 웨브 요소를 토대로 플랜지를 인식하고, 웨브의 폭을 결정하며, 인식된 플랜지 부분에 요소를 생성시키고, 1차원 요소에 적용된 등가의 열 팽창 계수 값을 포함하는 물성 정보를 매핑 시키며, 역 설계 전의 형상 좌표를 메모리상에 저장하고, 역 설계를 위한 열탄성 해석을 수행하며, 해석 결과 이동한 좌표 값을 계산하여 수정된 설계 파일을 생성하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 1차원 등가 열팽창 계수를 이용하여 곡 형성 부재의 정확한 등가 하중계산을 자동으로 수행함으로써, 정확하게 산출된 용접 변형량을 통하여 역설계 소요시간을 감소시키며, 원래의 설계 형상으로의 오차 없는 환원을 가능하게 한다.

곡 빌트업, 플랜지, 웨브, 견통선

Description

1차원 등가 열팽창 계수를 이용한 곡 빌트업 자동 역 설계 방법{METHOD FOR DESIGNING OF AUTOMATIC CURVED BUILT UP BY USING 1 DIMENSIONAL EQUIVALENT THERMAL EXPANSION COEFFICIENTS}

도 1은 일반적인 선수 곡 블록의 곡 빌트업 부재를 도시한 도면,

도 2는 곡 빌트업 부재의 제작 방법을 도시한 도면,

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유한 요소법을 이용한 곡 빌트업 역 설계 시스템의 동작 절차를 도시한 흐름도,

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플랜지 방향 결정 및 웨브 폭 결정 방법을 도시한 도면,

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 웨브 부재와 용접될 부재의 강성 및 용접정보를 포함하는 1차원 요소를 도시한 도면,

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 SDB법에 이종요소를 활용한 동작절차를 도시한 흐름도,

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 곡 빌트업 역 설계 시스템의 사용자 인터페이스를 도시한 도면,

도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 ESSI 파일의 읽기 수행후의 곡 빌트업 형상을 도시한 도면,

도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 곡 빌트업 웨브 자동 인식방식을 도시한 도면,

도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 곡 빌트업 웨브 자동 요소 생성방식을 도시한 도면,

도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플랜지 위치의 자동 선택 방식을 도시한 도면,

도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플랜지의 자동 요소 생성방식을 도시한 도면,

도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 해석 완료 및 해석 결과의 매핑을 도시한 도면,

도 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 변형량 그래프를 도시한 도면.

본 발명은 선체 외판에 부착되는 보강재에서의 곡 빌트업 역 설계 기술에 관한 것으로서, 특히 1차원 등가 열팽창 계수를 이용한 곡 빌트업 자동 역 설계를 수행하는데 적합한 곡 빌트업 자동 역 설계 방법 및 장치에 관한 것이다.

선체 외판에 부착되는 보강재는 앵글, 빌트업, 플랫바 등 여러가지가 있다. 이중 선수미 곡 블록에 주로 부착이 되는 T 형 보강재를 통상 곡 빌트업 부재라 부른다.

도 1은 일반적인 선수 곡 블록의 곡 빌트업 부재를 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 참조번호 100 부분에서 곡 빌트업이 부착되어 있는 선수 곡 블록의 형상을 보여주고 있다. 이와 같이 곡 빌트업 부재는 선수 방향과 곡 외판의 형상에 따라 그 모양이 결정되며, 특히 선수, 선미 만곡부에서 그 곡량이 매우 크게 된다.

도 2는 곡 빌트업 부재의 제작 방법을 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 곡 빌트업 부재는 웨브(web)와 플랜지(flange)의 용접으로 제작된다. 용접이 되는 길이에 비해 상대적으로 단면이 작고 길이가 긴 빌트업 형상의 특성으로 인해, 용접 부에서 발생한 수축력은 전체 형상을 굽어지게 하는 굽힘 변형을 유발한다. 즉, 곡 빌트업 부재는 제작 공정 상 필연적으로 용접에 의한 굽힘 변형이 발생하게 되며, 발생한 굽힘 변형량은 견통실(견통선 마킹 시작점과 끝점을 팽팽하게 이어서 사용함)을 이용하여 측정한다.

이와 같이 발생된 굽힘 변형을 제어하기 위해서는 플랜지가 용접된 웨브의 반대쪽에 삼각 가열 및 수냉을 이용한 곡직 작업으로 원래 설계 형상으로 수정하는 작업을 수행할 수 있다. 용접에 의한 굽힘 변형량은 곡 빌트업 부재의 형상, 곡량, 용접 입열량, 재질에 따라 다양한 값으로 나타나며, 이렇게 발생한 변형량을 수정하는 방법도 작업자의 기량과 경험에 의존하여 최종 형상의 정확성 및 품질의 균일성 확보가 어려운 실정이다.

현재의 곡 빌트업 제작 공정을 구체적으로 살펴보면, 설계 단계에서 원하는 설계 치수대로 디자인 된 웨브를 절단한 뒤, 플랜지를 용접하게 되며, 설계 치수로 디자인 하는 공정 중에 견통선을 삽입함으로써 최종 제품의 제작 정도를 판단하기 위한 기준으로 사용한다. 이에 모든 공정이 끝난 뒤 견통선이 일직선이 되면 최종 제품이 원 설계 치수대로 작업 되었다고 간주한다. 그러나 용접 공정에 의해 발생한 굽힘 하중은 웨브를 더 굽어지게 하는 방향으로 변형을 발생시킨다. 이에 따라 최초 직선이었던 견통선도 곡선으로 휘게 된다. 용접 후에 이와 같이 발생한 휨 변형량은 견통실과 견통선 간의 단차를 측정하여 판단하고, 측정된 굽힘 변형을 수정하기 위해 삼각 가열 방식을 사용한다.

삼각 가열은 용접이 된 웨브의 반대쪽에 삼각형 형상으로 가열해주는 것으로, 용접에 의해 발생한 수축 변형(용접부의 수축에 의해 굽힘 변형이 발생함)에 상당하는 수축 변형을 반대편에 유발시켜 원래의 설계 형상으로 수정해주는 역할을 수행한다. 이후 최종 작업이 완료된 제품의 견통선 변형을 측정하여 정도 관리 기준을 만족하면 후 공정으로 보내지는 것이다.

이와 같이 발생되는 굽힘 변형량을 제어하기 위해 최초 설계 단계에서부터 용접 변형량을 고려하여 웨브를 디자인 하는 방법에 대해 여러 연구가 진행된 바 있다. 그 중 한 방법이 빌트 업 형강재 설계 장치(특허 등록번호: 10-0693996)에 관한 것으로서, 이 방법은 용접의 수축을 모사(표현)하기 위해 용접 변형량을 등가의 하중으로 산출하여 적용하는 방법으로, 정확한 등가의 하중 계산을 위하여 여러 번 반복 계산을 해야 하는 단점이 있었다. 그리고 여러 번의 계산을 수작업으로 수행해야 하는 번거로움이 있어 한 부재의 역 설계를 위해 두세 시간 이상 소요되었다.

또한 웨브 요소에 하중 경계 조건으로 입력되어 형상에 의한 오차가 발생할 가능성이 많다는 문제점이 있었다. 따라서 이러한 곡 형상 부재에는 다른 방법의 하중 입력 방법이 필요하며, 이를 개선하기 위해 다른 개념의 해석법을 적용해야 한다. 그리고 정확한 용접 변형량이 산출되어 입력되어야 하며, 계산 등의 일련의 과정들을 자동화하여 역 설계에 소요되는 시간을 줄여야 하나 종래에는 이에 대한 별다른 방안이 없었다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 한계를 극복하기 위한 것으로, 곡 형상 부재에 대한 설계시 정확한 하중 입력 방법을 통하여 용접 변형량을 측정하며, 원래의 설계 형상으로 돌아가도록 하는 일련의 과정을 자동화 할 수 있는 1차원 등가 열팽창 계수를 이용한 곡 빌트업 자동 역 설계방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 곡 빌트업 역 설계 시, 용접에 의해 발생하는 굽힘 변형량을 웨브를 디자인 하는 과정에 적용함으로써, 삼각 가열에 의한 별도의 수정 작업 없이도 용접 수축하중에 의해 원래의 설계 형상으로 돌아가도록 할 수 있는 1차원 등가 열팽창 계수를 이용한 곡 빌트업 자동 역 설계방법 및 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 일 관점에서는, 1차원 등가 열팽창 계수를 이용한 곡 빌트 업 자동 역 설계 방법으로서, 형상구성 포인트들에 대한 정보를 포함하는 설계 파일에 대한 읽기를 수행하는 과정과, 웨브를 구성하는 최 외곽선을 인식하여 면을 구성한 뒤, 플랜지의 방향을 선택하는 과정과, 상기 웨브의 재질 및 두께를 입력받는 과정 과, 상기 입력 받은 웨브 정보로 웨브 요소를 생성하는 과정과, 상기 웨브 요소를 토대로 상기 플랜지를 인식하는 과정과, 상기 웨브의 폭을 결정하는 과정과, 상기 인식된 플랜지 부분에 요소를 생성시키며, 1차원 요소에 적용된 등가의 열 팽창 계수 값을 포함하는 물성 정보를 매핑 시키는 과정과, 상기 역 설계 전의 형상 좌표를 메모리상에 저장하는 과정과, 상기 역 설계를 위한 열탄성 해석을 수행하는 과정과, 상기 해석 결과 이동한 좌표 값을 계산하여 수정된 설계 파일을 생성하는 과정을 포함한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 발명은 곡 형상 부재에 대한 설계시 정확한 하중 입력 방법을 통하여 용접 변형량을 측정하며, 이에 대한 일련의 과정을 자동화하기 위한 것이다.

이를 위해 본 발명의 곡 빌트업 역 설계 시스템에서는 용접에 의해 발생하는 굽힘 변형량을 웨브를 디자인 하는 과정에 적용하여, 용접 수축하중에 의해 원래의 설계 형상으로 돌아가도록 한다. 따라서 삼각 가열에 의한 별도의 수정 작업이 필요 없게 된다.

이러한 역 설계를 위해서는 용접에 의한 굽힘 변형을 사전에 예측해야 하며, 이를 위해 유한 요소법(Finite Element Method, 이하 FEM이라 한다)을 이용한다. 유한 요소법에 의한 변형 예측 방법은 여러 가지가 있으며, 본 발명의 역 설계 시스템에서는 용접 변형 해석 방법으로서 간이 열탄성 해석법이 적용될 수 있다.

다만, 유한 요소법을 이용한 해석 방법은 모델링, 경계조건 입력 등의 전처리 과정 및 계산 과정, 그리고 해석 결과를 분석하고 반영하는 후처리 과정 등 일련의 복잡한 과정을 거치게 된다. 이러한 복잡한 과정은 곡 빌트업 재 하나를 역 설계 하더라도 매우 많은 노력과 시수를 요구하게 되므로 본 발명에서는 이러한 일련의 해석 과정을 자동화하는 것이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유한 요소법을 이용한 곡 빌트업 역 설계 시스템의 동작 절차를 도시한 흐름도이다.

도 3을 참조하면, 302단계에서 사용자에 의해 선택된 ESSI 파일과 같은 설계 파일에 대한 읽기를 수행하며, 수치 제어(Numerical Control, 이하 NC라 한다) 머신(Machine)에 의해 절단되는 순서와 동일하게 커브와 포인트가 생성된다. 이후 304단계에서 웨브를 구성하는 최 외곽선을 자동으로 인식하고, 306단계에서는 인식한 웨브 라인을 이용하여 면을 구성한 뒤, 시스템 상에서 플랜지 방향을 자동으로 결정하며, 308단계에서 웨브의 재질 및 두께를 입력하게 된다. 여기서 입력된 웨브의 재질 및 두께 정보는 310단계에서 면(surface) 생성 및 웨브의 형상을 나타내는 웨브 요소 생성 후 각 요소에 자동으로 매핑된다.

이후 312단계에서는 플랜지가 자동으로 선택되나, 사용자가 잘못된 선택으로 판단된 경우에는 사용자의 직접 입력으로 플랜지 선택을 가능하게 할 수 있다. 314단계에서는 웨브의 폭을 자동으로 계산하여 작업자가 볼 수 있도록 디스플레이 하며, 316단계에서는 312단계에서 찾아낸 플랜지 부분에 자동으로 요소를 생성시켜 주며, 요소 생성과 동시에 해당 물성 정보(단면 이차 모멘트 값 및 면적, 재질, 역 변형량에 대응되는 등가 열 팽창 계수 값)를 매핑 시킨다.

318단계에서는 곡 빌트업 역 설계가 수행되기 전의 형상 좌표를 메모리 상에 기억하고, 320단계에서는 역 설계 해석단계로서, 역 설계를 위한 열탄성 해석을 수행하여 해석이 완료되도록 하고, 이때, 해석상의 에러 발생시는 그에 대한 메세지를 디스플레이하여 사용자가 인지할 수 있도록 한다. 322단계에서는 해석 결과 이동한 좌표 값을 계산하고, 324단계에서 새로 생성될 파일의 이름 및 위치를 지정하여 메모리 상에 기억한 후, 326단계에서 수정된 ESSI 파일과 같은 설계 파일을 자동으로 생성한다.

상기와 같은 곡 빌트업 역 설계 시스템에서는 사용자에 의해 입력되는 파라메타를 최소화하기 위해 306단계에서 플랜지의 방향을 결정하거나 314단계에서 웨브의 폭을 결정하는 작업이 시스템상에서 자동으로 수행될 수 있도록 구현하는 것이 가능하다.

이는 도 4에 도시한 바와 같다. 플랜지의 방향을 자동으로 선택하는 방법은, 웨브 상에 존재하는 홀(hole)등의 도심을 구한 다음 도심의 반대 방향 끝에 항상 플랜지가 존재하는 것이다. 일부 홀 등이 존재하지 않는 부재에 대해서는 사용자가 직접 선택할 수 있게 구성한다. 현재 곡 빌트업 물량 중 95% 이상의 물량의 내부에 홀 등이 존재하므로, 사용자가 직접 입력하게 되는 물량은 극히 일부가 된다. 그리고 웨브의 폭을 자동으로 결정하는 방법은, 웨브 상에 가상의 수직선 4개를 긋고 이와 최 외곽선과의 만나는 길이를 계산하고, 이 중 최대 값을 선택하도록 하였다. 이렇게 계산된 웨브의 폭과 실제 웨브의 폭을 비교해보면 거의 같은 값을 계산해 냄을 알 수 있으며, 이를 따로 GUI(Graphic User Interface) 상에 표기해 주어 작업자가 한 번 더 확인 할 수 있도록 한다.

그리고 추가 자동화 단계는 수작업으로 역 설계 시 가장 많은 시수를 투입하게 되는 원래 형상의 좌표 계산 및 역 설계 후 좌표의 계산이다. 역 설계 시스템의 최종 목적은 내부적으로 보면, 원래 형상의 좌표가 역 설계 후 어떻게 변하는지를 계산해 내는 것이다. 이를 위해서는 역 설계 전의 좌표를 기록해두고, 역 설계 해석 후의 좌표를 계산한 뒤 매핑하는 방법을 사용한다.

종래의 원래 형상 좌표값은 절대 좌표가 아니라 해당 좌표의 증분만 표기되므로 일련의 수작업으로 진행하였으나, 본 발명의 실시예에서는 320단계의 역 설계 해석 전에 좌표 값을 엘리먼트(element) 상에서 매핑시키는 방법으로 미리 계산하고 이를 메모리 상에 저장해 두는 방법을 사용한다.

곡 빌트업 역 설계 시스템에서 입력 받는 ESSI 파일과 같은 설계 파일에는 형상을 구성하는 포인트들에 대한 정보 밖에 없으며, 이를 이용하여 일련의 작업을 수행해야 한다. 우선 이렇게 입력된 포인트들을 이용하여 외곽 형상을 구현하였으며, 구현된 외곽 형상에 대해 면을 생성하고 요소를 자동 생성하게 된다.

다만, 외곽 형상 기술의 구현에서 에러 발생 여지가 매우 높으며, 특히 외곽 선의 끝단에서 CAD상의 오차가 발생할 여지가 상당히 높다. 실제 이러한 현상은 개발 과정에서 빈번히 발생하였으며, 이를 위해 면(surface) 생성 방법을 일반화하고, 에러를 발생 시킬 수 있는 파라메타에 대한 공차(tolerance)를 조절함으로써 CAD 상의 숫자에서 발생하는 에러를 줄일 수 있게 시스템을 구성한다.

본 발명에는 역설계 시스템의 효율을 극대화하기 위하여, 열변형 해석법의 하나인 변형도 직접경계법(SDB method)에 이종요소를 이식하는 방법을 고안하였다. 이 개념의 고안은 아래 두 가지를 해결해 줄 수 있다.

첫째, 시스템이 안정적으로 자동화되기 위해서는 내부적인 FEM 계산시 요소분할을 사용자에 의존하지 않고 완전 자동화되는 것이 필요하다. 그런데 등가의 물성치(열 팽창 계수) 개념으로 빠른 계산시간을 보장해주는 열변형 해석법인 SDB법은 열영향부의 크기를 FEM 요소분할의 입력인자로 받고 있어서, 획기적인 개정이 뒤따르지 않으면 완전 자동화되기 어렵다.

둘째, 시스템이 역설계의 목표로 잡고 있는 빌트 업 부재는 곡판재의 변형을 구속하는 주부재인 웨브와 웨브의 면 외 방향으로의 변형을 구속하는 플랜지로 구성된다. 현재의 역설계 발명은 웨브를 기준으로 할 때의 면내변형인 부재의 전체적인 곡률의 변화에 관심을 두고 있고, 주부재만 고려한다면 시스템은 내부에서 2차원 평면(Plane)상에서의 모델링만 가지면 된다. 실재로 본 발명에서도 웨브 부재의 변화만 절단 시스템에 반영시키고 있다. 그러나 이와 같이 용접되어 마지막에는 하나의 부재가 될 플랜지의 강성이 무시될 수 없는데, 이로 인해 시스템이 모든 모델링을 포함하려고 한다면 고안된 시스템은 기준 시간 내에 원하는 기능을 수행하기 어렵게 된다.

이 두 문제는 2차원 FEM 요소에 대해 독립적으로 용접수축이라는 기능을 수행하면서 스스로의 강성도 잃지 않아야 하는 개념으로 귀속되는데, 본 발명에서는 이를 용접선을 전담하는 전용 1차원 가상 요소의 개발로서 포함한다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 웨브 부재와 용접될 부재의 강성 및 용접정보를 포함하는 1차원 요소를 도시한 도면이다.

도 5를 통해 용접 및 용접부재의 역할을 동시에 담당해야 하는 1차원 가상 요소의 운용방식을 표현한다. 이 요소는 용접 수축을 담당해야하므로 열영향부(Heat Affected Zone, 이하 HAZ라 한다) 단면적에 해당하는 가상의 단면적을 가지며, 플랜지 부재 자체를 담당해야 하므로 플랜지 부재 자체의 강성을 가져야 한다. 상용 FEM 코드의 요소 일람은 이 기능에 적합한 1차원 형상의 2차원 공간상에서 역할을 수행하는 빔(Beam) 요소를 가지고 있다. 이를 활용하여 본 발명에서는 초기에 생성된 웨브 부재의 엣지(edge)로부터 요소를 전환 생성한다. 또한 이 요소의 생성 위치가 플랜지와의 중심축과는 부재 두께만큼 차이가 있는 곳에 위치하는 구조적 불일치를 해결하는 방식으로 두 가지를 고안하였다.

첫째, 상용 코드의 빔 오프셋(Beam offset) 기능을 활용하여 플랜지의 두께 절반만큼 고안된 부재의 중립축을 이동시켜서 사용하는 방법이다.

둘째, 상기 요소의 생성 위치와 플랜지의 중심축 위치를 고려하여, 생성된 요소를 플랜지 두께의 절반만큼 이동시킨 뒤, 상기 웨브의 6자유도를 구속하는 링크를 설정하는 방법이다.

이 둘은 역학적으로 동일한 결과를 도출하게 되어 있으며, 유일한 차이는 이것을 시각적으로 확인할 수 있는가에 대한 것뿐이다. 또한 주부재의 요소분할에 무관하게 1차원 용접요소를 활용한다는 고안은 맞대기 용접처럼 굽힘강성을 대체할 필요가 없는 용접의 경우에도 그에 해당하는 트러스(Truss) 요소를 사용하여 본 고안의 사용이 가능하다.

상기와 같은 SDB법에 이종요소를 활용한 동작절차는 도 6을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 602단계에서 주부재의 구조를 모델링하고 604단계에서 용접선 엣지를 1차원 요소로 전환하여 생성하고, 606 단계에서 주부재의 굽힘 강성 담당여부를 판단하여 굽힘 강성을 가져야하는 경우라면, 614단계로 진행하여 빔 요소로 지정하고, 616단계에서 플랜지 부재에 대한 굽힘 강성을 부여한다. 이후 618단계에서 단면적으로 HAZ 단면적을 갖도록 HAZ 단면적을 입력한다.

620단계에서는 중립측 위치 고려 방법을 선정하여 상용 코드의 빔 오프셋 기능을 활용하는 경우는 622단계로 진행하여 플랜지의 두께 절반만큼 모든 해당 1차원 요소의 두 절점들을 글로벌(Grobal) z방향으로 오프셋 하도록 한다. 이후 628단계에서 용접부 기준 온도로 1도를 부여하고 SDB 해석을 수행하게 된다.

그러나 620단계에서 링크 기능을 활용하는 경우는 624단계로 진행하여 생성된 요소를 플랜지 두께의 절반만큼 이동시킨 뒤, 모든 해당 1차원 요소들을 글로벌 z 방향으로 쉬프트를 수행하고, 626단계로 진행하여 이동된 절점들과 기존 자리의 절점들과의 링크를 설정한다. 그리고 628단계에서 용접부 기준 온도로 1도를 부여하고 SDB 해석을 수행하게 된다.

한편 606단계에서 굽힘강성이 필요없는 용접의 경우는 608단계에서 트러스 요소로 지정하여, 610단계에서 기준요소 크기 대 사용요소 크기 비로 기준 온도를 낮춰서 적용하고, 612단계에서 단면적으로 HAZ 단면적을 최고 온도(Top Temperature)로 나눈값을 입력하여 630단계에서 SDB 해석을 수행하게 된다.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 곡 빌트업 역 설계 시스템의 사용자 인터페이스를 도시한 도면이다.

도 7을 참조하면, 사용자는 702단계의 파일 선택에서부터 716단계에서의 최종 수정된 ESSI 파일과 같은 설계 파일의 출력까지 이와 같은 사용자 인터페이스를 사용하게 된다. 이때, 사용자가 입력해야 할 입력부분은 702단계의 역 설계 대상 파일의 선택 부분, 706단계에서 웨브의 물성 선택 및 웨브의 두께 입력 부분, 그리고 716단계에서 수정 후 최종 역 설계된 파일의 이름을 지정하는 부분이 될 수 있다. 나머지 일련의 과정은 자동으로 진행되며 사용자는 오른쪽의 각 버튼을 클릭함으로써 진행되는 과정을 확인할 수 있다. 각각의 버튼을 클릭하였을 때 발생하는 이벤트(event)를 간략히 설명하면 아래와 같다.

702단계에서는 사용자가 선택한 ESSI 파일과 같은 설계 파일을 읽으며, 도 8과 같이 NC 머신에 의해 절단되는 순서와 동일하게 커브와 포인트가 생성된다. 704단계에서는 곡 빌트업 웨브의 자동인식을 수행하는 것으로서, 웨브를 구성하는 최 외곽선을 자동으로 인식한다. 그 후 도 9에 도시한 바와 같이 견통선이 x축이 되도록 정렬하고, 웨브 외곽 형상 및 홀(hole)등을 표시하며, 필요한 경우 작업 부재의 사용자 확인을 수행하게 된다.

706단계에서는 도 10과 같이 앞서 인식한 웨브 라인을 이용하여 면을 구성한 뒤, 플랜지 방향을 자동으로 인식하고, 구성 파일에 미리 설정된 요소 크기로 자동으로 요소를 생성시킨다. 요소 생성 전에 웨브의 재질을 드롭 앤 다운 메뉴(drop down menu)로 선택할 수 있으며, 웨브의 두께를 사용자가 입력한다. 이 정보는 웨브 요소 생성 후 각 요소에 자동으로 매핑 된다. 708단계에서는 도 11과 같이 시스템 상에서 플랜지를 자동으로 선택하며, 만약 사용자가 판단하여 자동으로 선택된 플랜지가 올바르지 않은 경우에는 수작업으로 입력할 수 있다.

710단계에서는 도 12와 같이 선택된 플랜지 부분에 자동으로 요소를 생성시켜 주는 플랜지 메슁을 수행한다. 또한, 요소 생성과 동시에 해당 물성 정보(단면 이차 모멘트 값 및 면적, 재질, 역 변형량에 대응되는 등가 열 팽창 계수 값)를 매핑시키고, 웨브의 폭도 자동으로 계산하여 작업자가 볼 수 있도록 디스플레이 한다. 이후 712단계에서는 역 설계 되기 전 형상 좌표를 메모리 상에 기억하고, 해석 작업을 수행하여 역 설계를 위한 열탄성 해석을 수행하고, 도 13과 같이 해석 완료 및 에러 발생 시 그에 따른 메시지를 사용자에게 디스플레이 한다.

마지막으로 716단계에서는 역 설계를 위한 열탄성 해석결과 이동한 좌표 값을 계산하고 메모리 상에 기억한다. 이후 새로 생성될 파일의 이름을 지정하고 이 이름으로 수정된 ESSI 파일과 같은 설계 파일을 자동으로 생성한다.

전체 시스템이 구동되는 시간은 대상 파일의 선택에서 역 설계 된 최종 파일을 출력하기까지 약 20여 초가 소요된다. 보통 한 블록 내의 곡 빌트업 부재는 10여개 이상씩 존재하는 경우가 대부분이며, 블록 내에서는 형상의 변화가 크게 없 다. 따라서 설계 작업자가 입력해야 하는 역 설계에 관한 파라메타(웨브의 두께, 강종)들은 처음 한번의 역 설계 시에만 입력하고 나머지 부재에 대해서는 별도로 입력하지 않더라도 진행이 가능하도록 구성되며, 이러한 작업이 일괄처리(batch)로 이루어져 역 설계에 소요되는 시간은 더욱 줄어든다.

한편 곡 빌트업의 역 설계를 위해서 많은 파라메타들이 사용된다. 해석의 입력 값으로 사용되는 역 변형량이 가장 중요한 파라메타가 되며, 이 외에도 변형량을 일반화하기 위한 인덱스의 계산이 중요한 파라메타이다. 그리고 해석 과정에서 필요한 파라메타로 플랜지의 끝단을 찾기 위한 최소 앵글 값, 최소 요소 크기, 웨브 재질에 따른 항복 응력 값, 표면 생성을 위한 파라메타 등이 있다. 해석의 입력값으로 사용되는 역 변형량은 현업에서 측정한 결과를 사용하여 결정한다.

도 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 변형량 그래프를 도시한 도면이다.

즉, 도 14는 실제 생산 과정에서 나타난 변형량을 측정하여 도시한 것으로서, 용접에 의한 굽힘 변형이 발생한 결과를 앞서 설명한 인덱스를 X의 축으로 하여 도시한 결과이다. 본 발명이 바람직하게 적용되면 웨브와 플랜지를 용접한 뒤 웨브에 도시된 견통선의 변형량이 나타나지 않게 된다. 즉, 용접의 변형량을 미리 고려하여 웨브를 디자인 하였으므로, 용접에 의한 굽힘 변형은 미리 고려해 둔 변형량 만큼 발생하게 되고, 따라서 용접 후 실제 잔류하게 되는 변형량은 0이 된다. 따라서 본 발명의 바람직한 실시 결과로 변형량은 0에 근접하여 나타나게 된다.

도 14와 같이, 측정 결과 그래프의 x축은 또 다른 파라메타인 인덱스이다. 이하 인덱스의 계산 방법에 대해 구체적으로 설명하도록 한다. 인덱스에 따른 변형량 그래프는 선형 회귀식을 이용하여 만족스러운 오차 내에서 하나의 식으로 결정할 수 있다. 측정은 5월부터 7월 말까지 3개월간 측정된 것으로서, 계절의 영향을 고려하고자 한다면, 하절기의 그래프로 볼 수 있다. 측정 결과는 최소 자승법(least square fitting)을 이용하여 유추할 수 있다.

이는 현업 측정 결과를 가장 잘 표현하는 커브로써, 현업 작업 시 용접 입열량의 불균일성이나 기타 사용자 에러(human error) 등을 감안 할 때, 커브의 가변 범위는 "maximum 변형량 곡선"이라고 표기된 직선에서 "minimum 변형량 곡선"이라고 표기된 직선까지로 볼 수 있다.

변형량 곡선 범위 내에서 설계에 입력하는 값이 결정되며, 변형량 데이터가 증가할수록 역 설계를 위한 파라메타 계산은 더 정확해진다. 이 그래프의 기울기에 근거하여 역 설계에 사용하는 선팽창 계수값은 그래프의 기울기와 재질의 항복응력의 곱으로 표현되는 함수로 정식화 할 수 있다.

이와 같이 측정된 변형량을 하나의 그래프 상에 도시하기 위하여 Timoshenko의 보 이론에 근거하여 인덱스를 개발하였다. 양단 고정보의 휨 변형식을 기초로 하여, 변형량에 영향을 주는 모든 인자들의 영향도를 평가하였다. 최초 구성한 기초식의 경우, 곡 빌트업 단면의 형상, 재질, 길이, 전체 곡량(곡률 반경), 끝단에서의 휨각, 탄성 계수 등이 영향을 줄 것으로 판단하였으며, 이 중 민감도 분석을 통해 끝단에서의 휨각이나 곡률 반경 등은 무시할 수 있는 파라메타 임을 알 수 있다.

그리고 플랜지를 자동으로 찾아내기 위한 알고리즘을 구성하기 위해 플랜지의 굽어진 각도를 파라메타로 사용한다. 플랜지의 끝단에서는 웨브와의 각도로 인해 인접 각이 매우 커지는 점에서 착안하였으며, 이 파라메타는 사용자가 수정이 가능하다.

또 다른 파라메타로는 유한 요소 해석을 위한 파라메타 들이 있다. 주로 면의 생성과 요소의 생성, 그리고 경계 조건의 생성과 관련된 파라메타 들이다. 사용자가 주로 에러를 만나게 되는 부분은 해석(analysis) 공정이다. 이 부분에서 발생한 에러는 거의 모두가 면과 요소 생성에 관련된 에러로, 대부분 요소 크기를 조절함으로써 에러를 해결할 수 있다. 요소 크기는 사용상에 제한이 없게 조절이 되나, 대부분 200~ 800 사이의 값을 사용하도록 권장하고 있다. 최초 설정된 값은 400이며, 이는 많은 테스트를 통해 가장 적은 에러를 발생한 값으로 정하도록 한다.

또한 사용자는 웨브와 플랜지의 물성을 선택해 줄 수 있다. 새로운 강재가 적용되더라도 구성 파일을 수정하여 적용할 수 있게 구성하였으며, 강재의 이름으로 항복 응력을 추출하도록 구성하였다. 유한 요소 해석을 위해 사용한 또 하나의 파라메타에는 플랜지 정보가 있다. 플랜지 정보는 ESSI 파일과 같은 설계 파일에 존재하지 않으며, 사용자가 입력하더라도 여러번 확인한 뒤 입력해야 하는 번거로움이 있다. 이에 본 연구에서는 플랜지 정보를 유추해 낼 수 있는 조건식을 개발하여 적용하였다.

상기와 같이 본 발명의 실시예에서는 곡 빌트업 부재를 이용한 역 설계에 대해서 나타내고 있으나, 직 빌트업/ 플랜지 형태로 부착되는 모든 소부재, 거더 등 과 같이 비슷한 형상의 다양한 부재에서도 역 설계 시스템의 적용이 가능한 것은 물론이다. 즉 플랜지 형태로 붙는 형상 특성에 의해 굽힘 변형이 발생하는 부재들은 본 발명과 같은 방법으로 곡직 작업에 의해 수정할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 1차원 등가 열팽창 계수를 이용하여 곡 형성 부재의 정확한 등가 하중계산을 자동으로 수행함으로써, 굽힘 변형된 부재의 형상을 원래의 설계 형상으로 돌아가도록 한다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 동작하는 본 발명에 있어서, 개시되는 발명 중 대표적인 것에 의하여 얻어지는 효과를 간단히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은, 1차원 등가 열팽창 계수를 이용하여 곡 형성 부재의 정확한 등가 하중계산을 자동으로 수행함으로써, 정확하게 산출된 용접 변형량을 통하여 역설계 소요시간을 감소시키며, 원래의 설계 형상으로의 오차 없는 환원을 가능하게 한다.

또한, 전체 곡 빌트업 역 설계 시스템이 구동되는 시간은 대상 파일의 선택에서 역 설계 된 최종 파일을 출력하기까지 약 20여 초가 소요된다. 보통 한 블록 내의 곡 빌트업 부재는 10여개 이상씩 존재하는 경우가 대부분이며, 블록 내에서는 형상의 변화가 크게 없으므로, 역 설계에 관한 파라메타들은 처음 한번의 역 설계 시에만 입력하고 나머지 부재에 대해서는 별도로 입력하지 않더라도 진행이 가능하도록 구성될 수 있으며, 이러한 작업이 일괄처리로 이루어져 역 설계에 소요되는 시간은 더욱 줄어들 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

1차원 등가 열팽창 계수를 이용한 곡 빌트 업 자동 역 설계 방법으로서,

형상구성 포인트들에 대한 정보를 포함하는 설계 파일에 대한 읽기를 수행하는 과정과,

웨브를 구성하는 최 외곽선을 인식하여 면을 구성한 뒤, 플랜지의 방향을 선택하는 과정과,

상기 웨브의 재질 및 두께를 입력받는 과정과,

상기 입력 받은 웨브 정보로 웨브 형상 요소를 생성하는 과정과,

상기 웨브 형상 요소를 토대로 상기 플랜지를 인식하는 과정과,

상기 웨브의 폭을 결정하는 과정과,

상기 인식된 플랜지 부분에 형상 요소를 생성시키며, 1차원 형상 요소에 적용된 등가의 열 팽창 계수 값을 포함하는 물성 정보를 매핑 시키는 과정과,

상기 역 설계 전의 형상 좌표를 메모리상에 저장하는 과정과,

상기 역 설계를 위한 열탄성 해석을 수행하는 과정과,

상기 해석 결과 이동한 좌표 값을 계산하여 수정된 설계 파일을 생성하는 과정

을 포함하는 1차원 등가 열팽창 계수를 이용한 곡 빌트업 자동 역 설계 방법.

제 1항에 있어서,

상기 열탄성 해석을 수행하는 과정은,

변형도 직접경계법(SDB)을 이용하여 등가의 열 팽창 계수를 상기 1차원 형상 요소에 적용하여 용접 변형 값을 계산하는 것을 특징으로 하는 1차원 등가 열팽창 계수를 이용한 곡 빌트 업 자동 역 설계방법.

제 2항에 있어서,

상기 열탄성 해석을 수행하는 과정은,

웨브 부재의 구조를 모델링하는 과정과,

상기 웨브 부재의 용접선 끝단을 1차원 형상 요소로 생성하는 과정과,

상기 웨브 부재가 굽힘 강성이 필요한 경우는 1차원 형상의 2차원 공간상에서 역할을 수행하는 빔(Beam) 형상 요소를 지정하여 굽힘강성을 부여하는 과정과,

상기 웨브 부재의 단면적으로 열영향부(HAZ) 단면적을 입력하는 과정과,

상기 1차원 형상 요소의 생성 위치와 플랜지의 중심축 위치를 고려하여 플랜지의 두께 절반만큼 고안된 부재의 중립축을 이동하는 과정과,

이동된 절점들과 기존자리의 절점들과의 링크를 수행하는 과정과,

용접부 기준온도를 부여하는 과정과,

상기 SDB 해석을 수행하는 과정

을 포함하는 것을 특징으로 하는 1차원 등가 열팽창 계수를 이용한 곡 빌트 업 자동 역 설계방법.

제 3항에 있어서,

상기 방법은,

상기 1차원 형상 요소의 생성 위치와 플랜지의 중심축 위치를 고려하여, 상기 1차원 형상 요소를 플랜지 두께의 절반만큼 이동시킨 뒤, 상기 웨브의 6자유도를 구속하는 링크를 설정하는 것을 더 포함하는 1차원 등가 열팽창 계수를 이용한 곡 빌트 업 자동 역 설계방법.

제 1항에 있어서,

상기 물성 정보는,

단면 이차 모멘트 값 및 면적, 재질, 역 변형량에 대응되는 등가 선 팽창 계수 값인 것을 특징으로 하는 1차원 등가 열팽창 계수를 이용한 곡 빌트업 자동 역 설계 방법.

제 1항에 있어서,

상기 플랜지의 방향을 선택하는 과정은,

상기 웨브 상에 존재하는 홀(hole)의 도심을 구하고, 상기 도심의 반대 방향 끝에 존재하는 플랜지를 선택하는 것을 특징으로 하는 1차원 등가 열팽창 계수를 이용한 곡 빌트 업 자동 역 설계방법.

제 1항에 있어서,

상기 웨브의 폭을 결정하는 과정은,

상기 웨브 상에 가상의 수직선들을 긋는 과정과,

상기 수직선들과 최 외곽선과의 만나는 길이를 계산하는 과정과,

상기 계산된 값들 중 최대 값을 선택하는 과정

을 포함하는 것을 특징으로 하는 1차원 등가 열팽창 계수를 이용한 곡 빌트업 자동 역 설계방법.

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