KR101086761B1 - 저변형 용접 순서 도출을 위한 해석방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저변형 용접 순서 도출을 위한 해석방법에 관한 것으로서, 구조물 내의 용접부 숫자를 N곳으로 확인하는 과정과, 용접부의 일부를 묶어서 제 1 그룹화 하고 남은 나머지 용접부를 제 2 그룹화 하는 과정과, N곳의 용접부가 만들어 내는 N! 가지의 용접 순서의 조합이 N번의 해석으로 결정되도록 제 1 그룹과 제 2 그룹을 여집합 형태로 순차적으로 그룹화하는 과정과, 제 1 그룹들과 제 2 그룹들의 용접 변형을 파악하여 용접 순서를 설정하는 과정을 포함한다. 따라서 본 발명에 의하면 대형 쉘 구조물의 용접 변형을 최소화할 수 있는 해석 및 계산 방법에 따라 최적의 용접부 순서를 찾는 과정이 대폭 단축될 수 있으며, 이러한 해석시간 단축에 의하여 선박의 조립과정의 변형 제어에 해석 결과를 실제적으로 활용할 수 있는 효과를 가진다.

용접, 용접변형, 해석, 도출, 순서

Description

저변형 용접 순서 도출을 위한 해석방법{A METHODOLOGY OF ANALYSIS FOR WELDING SEQUENCE INDUCING LOW DISTORTION}

본 발명은 저변형 용접 순서 도출을 위한 해석방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 용접의 조립 과정에서 용접부의 변형을 최소화할 수 있도록 용접 순서 도출을 위한 해석방법에 관한 것이다.

일반적으로 선박과 같은 대형의 쉘 구조물은 주로 용접에 의해 조립된다.

이 용접 과정에서 고온의 열이력을 수반하게 되고, 주변부의 구속으로 인해 용접부는 자유로운 열팽창/열수축을 겪을 수 없기에 영구 변형이 남게 된다. 따라서 선박과 같은 용접구조물은 반드시 잔류변형을 수반하게 되며, 이를 수정하기 위한 방법들이 사용되고 있다.

용접부가 여러 곳일 경우에는 그 변형을 막기 위해서 열간가공에서, 특히 자동화를 목표로 하는 공정에서는 이러한 열변형(Thermal distortion)에 대한 해석을 정확하고도 능률적으로 수행할 수 있어야 한다.

이러한 열변형 해석을 위해서 주로 상용 유한요소해석 코드(Nastran, Marc, Ansys, Abaqus 등)가 이용되는데, 이제까지의 해석방법으로는 크게 열탄소성해석법(Thermal elasto-plastic analysis)과 등가하중법(Equivalent forces method, '간이해석법' 이라고도 불린다)이 주를 이루었다.

1980년대부터 열변형 해석을 위해 가장 표준적인 해석법으로 자리해온 열탄소성해석법은 열을 입력인자(Input parameter)로 하여 응력(Stress) 및 변형도(Strain)을 결과물로 도출해내는 방법이다. 열탄소성해석법은 열전달(Heat transient)과 탄소성(Elato-Plastic)을 연성 해석하는 방법으로서, 실제의 물리적 메커니즘을 파악하여 변형 결과물을 비롯한 결과물에 존재하는 잔류응력(Residual stress)까지도 알 수 있게 해준다.

하지만, 이러한 열탄소성해석법은 과도한 해석시간을 요구한다. 현재의 컴퓨터 연산 조건하에서는 대략 1m의 용접선을 해석하는데 1시간이 소요되므로, 단 하나의 선체블록을 분석하기 위해 일단위/주단위의 해석시간이 요구된다. 게다가 장시간의 해석시간을 투자하여도 온전한 수렴성을 보장받기가 힘들며, 용접과 같은 고온이력을 가지는 해석에서 강(Steel)의 상변태(Phase transformation)와 같은 금속적 성질을 쉽게 반영하지 못하여 비교적 적은 가정을 두고 수행되어도 결과물은 정성적인 부분부터 만족시키지 못하는 경우가 빈번하였다.

한편, 1990대에 등장한 등가하중법은 현실적으로 대형구조물의 열변형에 적용시킬 수 있는 유일한 대안으로 각광 받아왔다. 등가하중법은 가상의 하중을 입력인자로 갖는데, 이때의 하중이란 열영향부(HAZ: Heat affect zone)에 최종 잔류하 는 고유변형도(Inherent strain)를 외력으로 만들어 내기 위하여 가하는 것이다.

이러한 등가하중법은 근본적으로 탄성해석으로 수행되므로, 선체블록 단위의 열변형 해석에 필요한 시간이 일단위에서 초단위로 단축되는 혁신적인 프로세스가 가능해졌다. 게다가 최근 10년간 열변형부에 내재된 고유변형도를 수학적-역학적으로 평가할 수 있는 기술의 진보가 있어, 이러한 등가하중법을 이용하는데 상변태와 같은 재료적인 변형과 관계된 부분에 간편하게 고유변형도를 선(先) 반영시킬 수 있게 되었다.

하지만, 이러한 등가하중법에는 그 시작 시부터 커다란 한계점이 내재되어 있었다.

먼저, 열간가공부의 최종상태는 최고도달온도 이후 자진 수축에 의해 잔류인장응력-잔류압축변형도를 갖는다.

그러나 변형을 맞추기 위한 가상의 하중은 상기 언급한 바 있는 상용 유한요소해석 코드의 자연스런 결과로서 압축응력을 제공한다. 즉, 이러한 등가하중법은 응력장의 결과가 무의미하여 단순 열변형만을 보여줄 수 있을뿐 기타 다른 물리력(일 예로서 자중(自重)을 들 수 있다)과의 통합해석으로 확장되지 못한다. 이는 선박과 같은 대형 구조물일수록 자중에 의한 변형이 가장 크다는 점에 있어서 일차적인 문제점으로 작용한다.

그리고 등가하중법의 또 다른 문제점으로 구조물이 곡(曲)부재에 용접된 경우를 들 수 있다. 용접할 부재가 평평하고 용접선도 직선인 경우에는 용접선 양끝과 인근 절점들에 적용된 하중은 그 방향성이 동일하고, 만일 주어진 일정속도로 자동용접을 수행할 경우엔 그 값 역시 변하지 않는다. 그러나 용접선이 공간상에 곡선으로 존재하면 각 요소의 양끝에서 그 요소의 지역좌표계에 의거하여 놓인 형상대로 절점마다 다른 하중을 가해야 한다. 그리고 이를 전체좌표계로 변환할 경우 방향성과 값이 매 절점마다 다르게 처리되어야 한다. 그런데 일반적인 선체 블록 하나에 용접선과 관련된 절점이 평균적으로 1만개 이상 존재한다고 가정하면, 컴퓨터 연산 해석시간에서 절약된 시간을 하중 모델링에 모두 낭비하는 문제점이 있었다.

이에 등가하중법이 쉘요소를 대상으로 하는 빠른 해석이라는 장점은 살리면서도 벡터 입력 방식이라는 단점을 보완하는 변형도 경계법(특허 등록 번호: 879259 )이라는 방법이 고안되어 단일 해석에서의 입력과 계산에 따른 시간적인 문제는 큰 진전이 있었다. 이 방법은 쉘요소에 등가하중법의 입력인자인 탄성해석용 고유변형도를 적분한 가상의 하중(벡터)을 넣는 것 대신에, 고유변형도를 스칼라 값 그대로 가상의 물성치(열팽창계수)와 가상의 온도를 발현시키는 것이다. 입력값이 스칼라로 설계되었으므로, 지역좌표계 등 방향성을 고려할 필요없이 손쉽게 상용 코드에 입력이 가능하고, 무엇보다 용접수축부에 대하여 주변에서의 강제 수축력에 의한 수축이 아닌 Hook's Law에 독립인 열변형도에 의한 자체 수축으로 변형을 모사하였기에 열변형부가 인장응력 상태로 남는 것이 그대로 모사된다. 또한 변형도 경계법은 등가하중법에 입력인자로 사용되는 탄성해석용 고유변형도 대신, 열변형도와 열변형부의 응력-변형도 곡선을 입력인자로 제공하면 탄소성 해석이 가능하다. 따라서 변형도 경계법은 입열과정 순서 차이가 변형의 차이로 나타나는 것을 보일 수 없는 탄성해석의 한계를 극복하고, 쉘요소를 사용한 빠른 변형해를 제공하면서도 용접 등 입열 과정의 순서 차이에 의한 변형 차이를 모사할 수 있다.

본 발명은 상기와 같이 대형 구조물에서도 매우 신속하게 열변형 해석이 가능한 배경 기술을 바탕으로 한 것으로, 그 목적은 용접부의 변형을 방지할 수 있도록 논리적으로 순서를 정확히 파악할 수 있는 최소의 해석 및 계산하는 방법을 제공함으로써, 선박 건조시에 최소의 해석에 의한 용접 순서를 조절하여 변형을 제어할 수 있는 저변형 용접 순서 도출을 위한 해석방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 구조물 내의 용접부 숫자를 N곳으로 확인하는 과정과, 용접부의 일부를 묶어서 제 1 그룹화 하고 남은 나머지 용접부를 제 2 그룹화 하는 과정과, N곳의 용접부가 만들어 내는 N! 가지의 용접 순서의 조합이 N번의 해석으로 결정되도록 제 1 그룹과 제 2 그룹을 여집합 형태로 순차적으로 그룹화하는 과정과, 제 1 그룹들과 제 2 그룹들의 용접 변형을 파악하여 용접 순서를 설정하는 과정을 포함하는 저변형 용접 순서 도출을 위한 해석방법을 제공된다.

본 발명의 저변형 용접 순서 도출을 위한 해석방법에 의하면, 대형 쉘 구조물의 용접 변형을 최소화할 수 있는 해석 및 계산 방법에 따라 최적의 용접부 순서를 찾는 과정이 대폭 단축될 수 있으며, 이러한 해석시간 단축에 의하여 선박의 조립과정의 변형 제어에 해석 결과를 실제적으로 활용할 수 있는 효과를 가진다.

이하 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 더욱 상세히 설명하기로 하지만, 이는 예시에 불과한 것이며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라 용접부의 수별 도출 가능한 용접순서 세트의 수를 나타내는 도표이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 저변형 용접 순서 도출을 위한 해석방법의 흐름도이다.

본 실시형태의 저변형 용접 순서 도출을 위한 해석방법은 최소의 해석으로 논리적인 순서를 정확히 파악하기 위한 것으로서, 수십 개의 용접부를 가지는 임의의 구조물이라도 일정한 설정 시간 내에 정확한 해석을 도출할 수 있다.

따라서 용접이 요구되는 구조물 내의 용접부 숫자를 N곳으로 확인하는 과정과, 용접부의 일부를 묶어서 제 1 그룹화 하고 남은 나머지 용접부를 제 2 그룹화 하는 과정과, N곳의 용접부가 만들어 내는 N! 가지의 용접 순서의 조합이 N번의 해 석으로 결정되도록 제 1 그룹과 제 2 그룹을 여집합 형태로 순차적으로 그룹화하는 과정과, 제 1 그룹들과 제 2 그룹들의 용접 변형을 파악하여 용접 순서를 설정하는 과정을 포함할 수 있다.

또한, 제 1 그룹들과 제 2 그룹들의 용접 변형을 파악하여 용접 순서를 설정하는 과정에서, 제 1 그룹을 동시에 용접한 다음에 후순위로 제 2 그룹에 대하여 용접이 실시될 수 있다.

또, 제 1 그룹들과 제 2 그룹들의 용접부에 대한 용접 상태를 해석 및 분석하고, 후순위 처리된 2 그룹들의 해석 결과가 나쁜 것부터 차례로 선순위화 하여 용접 순위를 설정할 수 있다.

이와 같은 본 발명에서의 저변형 용접 순서 도출을 위한 해석방법에 대해서 상세히 설명하고자 한다.

먼저, 도 1의 도표를 참고하여 설명하면, 대형 쉘 구조물들의 용접부 수를 나열하였으며, 이들 용접부 수에 대한 총 방법의 용접 순서에 대해서는 종래에 총 N!의 경우의 수가 존재하였다.

그러나 본 발명에 따르면 N곳의 용접부는 N번의 해석만으로 논리적이고 정확한 저변형 용접 순서를 도출할 수 있는 것이다.

이에 도 2의 흐름도에서와 같이, 구조물 내의 용접부 숫자를 확인하는 과정(S100)을 가지게 된다. 여기서는 설명의 편의를 위하여 용접부가 4곳인 구조물을 예를 들어 설명한다.

용접부가 4곳으로 확인되면, 다음으로 용접부의 일부를 묶어서 제 1 그룹화 하고 남은 나머지 용접부를 제 2 그룹화 하는 과정(S110)을 실시하게 되고, 이어서 이러한 제 1 그룹과 제 2 그룹을 모든 용접부에 대하여 여집합으로 그룹화하는 과정(S120)을 갖게 된다.

즉, 4곳의 용접부를 A, B, C,D 라 칭하고, {B,C,D}를 제 1 그룹으로 묶고 나머지 {A}를 제 2 그룹으로 설정하며, 이와 같은 방법으로 모든 용접부에 대하여 {A,C,D}, {A,B,D}, {A,B,C}를 또 하나의 제 1 그룹으로 묶고, 나머지들을 각각 제 1 그룹에 대응되도록 {B}, {C},{D}로 하여 제 2 그룹을 설정하게 된다.

이어서 묶인 제 1 그룹을 선행으로 제 2 그룹을 후순위로 하여 해석Job을 생성하는 과정(S130)이 이어진다.

따라서 제 1 그룹의 {B,C,D}를 동시에 용접하고 제 2 그룹의 {A}를 마지막에 용접하는 해석과, {A,C,D}를 동시에 용접하고 제 2 그룹의 {B}를 마지막에 용접하는 해석, {A,B,D}를 동시에 용접하고 제 2 그룹의 {C}를 마지막에 용접하는 해석, {A,B,C}를 동시에 용접하고 제 2 그룹의 {D}를 마지막에 용접하는 해석을 통하여 4가지 해석 방법이 이용될 수 있다.

그리고 {B,C,D}+{A}, {A,C,D}+{B}, {A,B,D}+{C}, {A,B,C}+{D} 이들 4가지의 해석에 대한 Job의 생성여부를 확인하는 과정(S140)을 거치고, 이 과정(S140)에서 Job의 생성 여부가 확인된 모든 job에 대해서 해석 및 수치적으로 분석하는 과정(S150)을 갖게 된다.

다음으로 {B,C,D}+{A}, {A,C,D}+{B}, {A,B,D}+{C}, {A,B,C}+{D} 이들 4가지에 대한 용접부의 해석 및 분석이 완료되며, 후순위로 진행된 제 2 그룹 {A},{B},{C},{D}들의 용접 상태를 수치화하되, 용접부위의 변형이 클수록 수치를 크게 하여 큰 값부터 차례로 선순위로 결정함으로써, 저변형을 위한 최적의 용접순서를 찾을 수 있게 된다.(S160)

상술한 바에 따라, 예컨대 {B},{D},{A},{C}의 결과가 나왔다면, 이는 종래에 총 방법의 수가 24가지를 도출하여 변형 정도가 양호한 순서대로 나열한 결과와 같게 나타날 수 있음을 실험적으로 축적된 데이터를 통해 알 수 있다.

덧붙여, 본 발명에서는 단순히 24가지 방법의 해석이 4번으로 줄어든 것만을 의미하는 것이 아니라, N곳의 용접부는 단지 N번의 해석만으로 논리적이고 정확한 저변형 용접 순서로 도출할 수 있는 것이다. 또한, 용접부가 늘어나는 경우 각 해석은 종래의 경우 조합된 특정 하나 하나의 순서에 대하여 N번의 탄소성 해석이 진행되어야 했으나, 용접부가 아무라 많아도 후순위로 뺀 특정 용접부를 제외한 모든 용접부를 동시에 해석하는 과정과 나머지 후순위 용접부를 해석하는 것으로 가능할 수 있다.

그러므로 대형 쉘 구조물의 용접 변형을 최소화할 수 있는 해석 및 계산 방법에 따라 최적의 용접부 순서를 찾는 과정이 대폭 단축될 수 있으며, 이러한 해석시간 단축에 의하여 해석의 수렴성도 양호해질 수 있고, 전체 변형에 끼친 용접변형의 공헌도를 최소의 해석으로 가능케 하는 기술이다.

이상 본 발명에 따른 저변형 용접 순서 도출을 위한 해석방법의 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으 로 해석되어야 한다. 당업자는 각 구성요소의 재질, 크기 등을 적용 분야에 따라 용이하게 변경할 수 있으며, 개시된 실시형태들을 조합/치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라 용접부의 수별 도출 가능한 용접순서 세트의 수를 나타내는 도표이고,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 저변형 용접 순서 도출을 위한 해석방법의 흐름도이다.

Claims (3)

1. 열변형 해석을 위한 컴퓨터에 의해 실행되는 과정에 있어서,

   구조물 내의 용접부 숫자를 N곳으로 확인하는 과정과,

   상기 용접부의 일부를 묶어서 제 1 그룹화 하고 남은 나머지 용접부를 제 2 그룹화 하는 과정과,

   상기 N곳의 용접부가 만들어 내는 N! 가지의 용접 순서의 조합이 N번의 해석으로 결정되도록 상기 제 1 그룹과 상기 제 2 그룹을 여집합 형태로 순차적으로 그룹화하는 과정과,

   상기 제 1 그룹들과 상기 제 2 그룹들의 용접 변형을 파악하여 용접 순서를 설정하는 과정

   을 포함하는 저변형 용접 순서 도출을 위한 해석방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 그룹들과 상기 제 2 그룹들의 용접 변형을 파악하여 용접 순서를 설정하는 과정에서,

   상기 제 1 그룹을 동시에 용접한 다음에 후순위로 상기 제 2 그룹에 대하여 용접이 실시되는 저변형 용접 순서 도출을 위한 해석방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 제 1 그룹들과 상기 제 2 그룹들의 용접 변형을 파악하여 용접 순서를 설정하는 과정에서,

   상기 제 1 그룹들과 상기 제 2 그룹들의 용접부에 대한 용접 상태를 해석 및 분석하고, 후순위 처리된 상기 2 그룹들의 해석 결과가 나쁜 것부터 차례로 선순위화 하여 용접 순위를 설정하게 되는 저변형 용접 순서 도출을 위한 해석방법.

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