KR101634990B1 - 역설계 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

역설계 시스템 및 방법이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 역설계 시스템은 대상 부재의 설계 정보 파일을 파싱하여 상기 대상 부재의 용접선 위치, 개선 정보 및 재질을 추출하는 기초 정보 추출부; 상기 용접선 위치, 개선 정보 및 재질을 기초로 상기 용접선 위치에 적용할 입력 온도를 도출하는 입력 온도 도출부; 및 상기 용접선 위치, 재질 및 입력 온도를 기초로 상기 대상 부재의 용접 변형 해석을 수행하여 상기 대상 부재의 역형상을 도출하는 역형상 도출부를 포함한다.

Description

역설계 시스템 및 방법{System and method for reverse design}
본 발명은 역설계 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 개선 정보에 따른 용접 변형을 고려한 역설계 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 선박의 건조는 블록의 형태로 나누어 제작된다. 이때, 선박의 건조를 위해 블록은 수십 ~ 수백 개가 필요하다. 그리고, 블록은 또 수십 ~ 수백 개의 소조립 부재로 조립된다.
소조립 부재는 블록의 형상에 따라 매우 다양한 형태로 존재한다. 예컨대, 소조립 부재는 맛대기 용접의 대상이 되는 다수의 플레이트 및 플레이트에 필렛(Fillet) 또는 티-버트(T-Butt) 용접되는 보강재 등의 조합으로 구성된다.
소조립 부재를 제작하는 과정에서 용접 작업이 수반되며, 용접에 의한 수축 변형이 필연적으로 발생한다. 이러한 수축 변형으로 인해 소조립 부재는 원래 의도했던 타겟 형상과 다른 형상으로 제작된다.
통상적으로 수축 변형된 소조립 부재를 타겟 형상으로 돌리기 위해 소조립 부재를 열 가공하여 수정하는 곡직 작업이 수행된다. 이러한 곡직 작업을 수행하는 경우, 추가 비용이 발생하고, 생산성이 떨어지는 문제가 발생한다.
최근 이러한 곡직 작업의 감소를 위해 역설계 방법이 사용되고 있는 실정이다. 이러한 역설계 방법은 용접에 의한 변형을 미리 예측하여 이를 설계에 반영함으로써 곡직 작업을 생략하거나 최소화 할 수 있다. 그런데 종래 역설계 방법은 플레이트에 보강재를 용접할 때 발생하는 변형을 미리 예측하는 수준에 머물러 있다.
소부재를 구성하는 플레이트 간 맛대기 용접의 경우, 플레이트가 개선 가공된다. 그런데 개선의 형태나 스펙에 따라 용접 변형의 정도가 달라지는데 이러한 개선에 따른 용접 변형을 고려한 역설계 방법은 현재 존재하지 않는다.
공개특허공보 제10-2008-0096873호(2008.11.4)
본 발명의 실시예는, 개선에 따른 용접 변형을 고려한 역설계 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 대상 부재의 설계 정보 파일을 파싱하여 상기 대상 부재의 용접선 위치, 개선 정보 및 재질을 추출하는 기초 정보 추출부; 상기 용접선 위치, 개선 정보 및 재질을 기초로 상기 용접선 위치에 적용할 입력 온도를 도출하는 입력 온도 도출부; 및 상기 용접선 위치, 재질 및 입력 온도를 기초로 상기 대상 부재의 용접 변형 해석을 수행하여 상기 대상 부재의 역형상을 도출하는 역형상 도출부를 포함하는 역설계 시스템을 제공할 수 있다.
상기 입력 온도 도출부는, 상기 용접선 위치, 개선 정보 및 재질을 입력받아 상기 용접선 위치에 적용될 초기 온도를 도출하고, 상기 초기 온도를 기초로 상기 용접선 위치에 대한 용접 변형 해석을 수행하여 HAZ 영역을 도출하고, 상기 HAZ 영역을 기초로 두께를 변수로 하는 HAZ 영역 회귀식을 도출하고, 상기 HAZ 영역 회귀식을 기초로 상기 용접선 위치에 적용할 상기 입력 온도를 도출할 수 있다.
상기 용접 변형량 도출부는, 상기 설계 정보 파일을 기초로 요소망을 생성하고, 상기 용접선 위치에 대응하는 용접선 요소에 상기 입력 온도를 입력하고, 상기 재질에 따른 선팽창 계수에 음의 부호를 적용하여 상기 용접선 요소에 입력하여 유한요소해석할 수 있다.
상기 역설계 시스템은 상기 역형상 도출부에서 도출된 역형상에 관한 정보를 저장하고 관리하는 역형상 관리부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 대상 부재의 설계 정보 파일에서 용접선 위치, 개선 정보 및 재질을 추출하는 단계; 상기 용접선 위치, 개선 정보 및 재질을 기초로 상기 용접선 위치에 적용할 입력 온도를 도출하는 단계; 및 상기 용접선 위치, 재질 및 상기 입력 온도를 기초로 상기 대상 부재의 용접 변형 해석을 수행하여 상기 대상 부재의 역형상을 도출하는 단계를 포함하는, 역설계 방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 개선에 따른 용접 변형을 고려하여 역형상을 도출할 수 있어 효과적인 역형상을 도출하고, 곡직 작업에 따른 추가 비용 및 생산성 저하를 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 역설계 시스템을 나타낸 블록도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 개선 형태를 나타내는 도면이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 개선의 기하학적 정보를 설명하기 위한 도면이고,
도 4는 HAZ 영역을 도출하는 과정을 설명하기 위한 도면이고,
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 역형상 도출부(70)가 대상 부재의 역형상을 도출하는 과정을 설명하기 위한 도면이고,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 역설계 방법을 나타내는 순서도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 역설계 시스템을 나타낸 블록도이다. 도 1을 참조하면, 역설계 시스템(1)은 파일 입출력부(10), 기초 정보 추출부(30), 입력 온도 도출부(50), 및 역형상 도출부(70)를 포함한다.
파일 입출력부(10)는 외부로부터 설계 정보 파일을 입력 받는다. 설계 정보 파일은 형상 정보 파일과 물성 정보 파일을 포함한다.
형상 정보 파일은 실제 제작하고자 하는 대상 부재의 타겟 형상을 반영한다. 대상 부재는 맛대기 용접의 대상이 되는 다수의 플레이트 등으로 구성되는데, 형상 정보 파일은 플레이트 등으로 구성된 대상 부재의 타겟 형상에 대한 정보를 가진다.
형상 정보 파일은 대상 부재의 형상, 용접선의 위치 및 개선 정보 등을 포함한다. 용접선은 맛대기 용접에 관한 것이다. 이러한 맛대기 용접의 경우, 맛대기 용접의 대상이 되는 플레이트들이 개선 처리되기 때문에, 용접선의 위치에 대응하는 개선 정보가 존재한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 개선 형태를 나타내는 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 개선의 기하학적 정보를 설명하기 위한 도면이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 개선 정보는 도 2와 같은 개선 형태 그리고 도 3과 같은 개선의 기하학적 정보를 포함한다.
예컨대, 개선 형태는 I형, V형, Y형, X형, K형를 가질 수 있으나 이에 국한되지 않는다. 그리고 개선의 기하학적 정보는 t(두께), 사잇각(θ1, θ2), g(갭)을 포함할 수 있으나 이에 국한되지 않는다.
일례로, 임의의 용접선 위치에 대응하는 개선 정보는, X 형, t(두께) = 10mm, θ1 = 120°, θ2 = 130°, g(갭) = 5mm를 포함할 수 있다.
물성 정보 파일은 대상 부재의 재질 등 대상 부재의 물성 정보를 포함한다. 본 실시예에 따르면, 물성 정보 파일은 맛대기 용접의 대상이 되는 플레이트의 재질을 포함할 수 있다.
형상 정보 파일은 DXF파일 또는 XML파일과 같이 사용 환경에 따라 서로 상이한 형태를 가질 수 있다. 물성 정보 파일은 BOM파일 또는 XML파일과 같이 사용 환경에 따라 서로 상이한 형태를 가질 수 있다.
이와 같이 역설계 시스템(1)이 다양한 형태의 물성 정보 파일 및 형상 정보 파일을 사용할 수 있기 때문에, 역설계 시스템(1)을 사용할 수 있는 사용 범위가 넓어질 수 있다.
기초 정보 추출부(30)는 파일 입출력부(10)로부터 입력받은 설계 정보 파일을 파싱하여 대상 부재의 용접선 위치, 개선 정보 및 재질을 추출한다. 추출된 용접선 위치 및 재질은 입력 온도 도출부(50) 및 역형상 도출부(70)로 전송된다. 추출된 개선 정보는 입력 온도 도출부(50)로 전송된다.
입력 온도 도출부(50)는 용접선 위치, 개선 정보 및 재질을 기초로 입력 온도를 도출한다.
보다 상세히, 입력 온도 도출부(50)는 용접선 위치, 개선 정보 및 재질을 입력받아 해당 용접선 위치에 적용할 초기 온도를 도출한다. 이때, 초기 온도를 도출하기 위한 식은 실험 등을 통해 경험적으로 도출된 것으로, 개선 정보 및 재질을 변수로 한다.
그리고 입력 온도 도출부(50)는 도출된 초기 온도를 기초로 대상 부재에 대한 용접 변형 해석을 수행하여 HAZ(Heat Affected Zone) 영역을 도출한다. 도 4는 HAZ 영역을 도출하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 1 및 도 4를 참조하면, 입력 온도 도출부(50)는 HAZ 영역을 도출하기 위해, 입력된 개선 정보 및 재질을 기초로 도 4와 같은 요소망을 형성하고, 해당 요소망에 초기 온도를 입력하고 유한요소해석을 수행하여 HAZ 영역(A)을 도출한다.
그리고 입력 온도 도출부(50)는 도 4와 같이 도출된 HAZ 영역(A)을 기초로 두께(t)를 변수로 하는 HAZ 영역 회귀식(A(t))을 도출한다.
그리고 입력 온도 도출부(50)는 도출된 HAZ 영역 회귀식(A(t))을 기초로 입력 온도를 도출한다. 입력 온도를 구하는 식은 다음과 같다.
Figure 112014084093474-pat00001
여기서, t는 맛대기 용접 대상인 플레이트의 두께, M은 용접 변형 해석을 위해 생성된 요소망의 메쉬 사이즈(도 4 참조)를 나타낸다.
이와 같은 과정으로 도출된 입력 온도는 역형상 도출부(70)로 전송된다.
역형상 도출부(70)는 용접선 위치, 재질 및 입력 온도 등을 기초로 대상 부재의 용접 변형 해석을 수행하여 대상 부재의 역형상을 도출한다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 역형상 도출부(70)가 대상 부재의 역형상을 도출하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 먼저, 도 1 및 5를 참조하면, 역형상 도출부(70)는 설계 정보 파일을 기초로 요소망을 생성한다. 이렇게 생성된 요소망은 용접선 위치에 대응하는 용접선 요소(E)를 포함하고, 용접선 요소(E)에 입력 온도 및 재질에 따른 선팽창 계수에 음의 부호를 적용한 값을 입력하여 유한요소해석한다.
유한요소해석결과 도 6과 같이 대상 부재의 역형상이 도출된다. 여기서 역형상은 용접선을 입력 온도로 용접하는 경우 수축하여 타겟 형상으로 변형되는 형상을 의미한다. 실제로 이러한 역형상을 기초로 플레이트를 제작하고 이들을 개선 처리한 후 상호 맛대기 용접하면 대상 부재는 타겟 형상을 가지거나 이와 가까운 형상을 가질 수 있다.
본 실시예에 따른 역설계 시스템(1)은 역형상 관리부(80)를 더 포함할 수 있다. 역형상 관리부(80))는 역형상 도출부(70)에서 도출된 역형상에 관한 정보를 저장하고 관리한다. 그리고 역형상 관리부(80)는 역형상에 관한 정보를 가공하여 캐드 프로그램에서 읽을 수 있는 역설계형상파일로 변환하고 플레이트 가공하기 위한 NC 장치(미도시) 등으로 전송한다. NC 장치는 입력된 역설계형상파일을 기초로 플레이트를 가공한다.
이상에서 살펴본 본 실시예에 따른 역설계 시스템(1)은 개선에 따른 용접 변형을 고려하여 역형상을 도출할 수 있어 효과적인 역형상을 도출하고 이에 따라 곡직 작업에 따른 추가 비용 및 생산성 저하를 최소화할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 역설계 시스템(1)은 개선에 따른 용접 변형을 고려한 역형상을 도출한다. 따라서 본 명세서는 대상 부재가 맛대기 용접의 대상이 되는 플레이트로 구성된 것으로 설명하여 기술하고 있다.
그러나 대상 부재는 플레이트에 필렛(Fillet) 또는 티-버트(T-Butt) 용접되는 보강재 등을 포함할 수 있다. 이 경우, 역설계 시스템(1)은 개선에 따른 용접 변형을 고려함과 동시에 이러한 보강재에 대한 용접 변형을 동시에 고려하여 역형상을 도출할 수 있다. 이때, 역설계 시스템(1)은 종래 공지된 보강재에 대한 용접 변형을 고려한 역설계 방법을 사용할 수 있음은 물론이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 역설계 방법을 나타내는 순서도이다. 이하, 도 1 및 도 7을 참조하여 본 실시예에 따른 역설계 방법을 설명한다.
먼저, 파일 입출력부(10)로 대상 부재의 설계 정보 파일이 입력된다. 파일 입출력부(10)로 입력된 설계 정보 파일은 기초 정보 추출부(20)로 전송된다. 기초 정보 추출부(20)는 입력된 설계 정보 파일을 파싱하여 대상 부재의 용접선 위치, 개선 정보 및 재질 등을 추출한다(S110).
기초 정보 추출부(20)에서 추출된 용접선 위치, 개선 정보 및 재질은 입력 온도 도출부(50)로 전송된다.
입력 온도 도출부(50)는 입력된 용접선 위치, 개선 정보 및 재질을 기초로 입력 온도를 도출한다(S130). 입력 온도를 도출하는 과정은 앞선 설명으로 대신한다.
기초 정보 추출부(20)에서 추출된 용접선 위치 및 재질은 역형상 도출부(70)로 전송된다. 그리고 입력 온도 도출부(50)에서 도출된 입력 온도는 역형상 도출부(70)로 전송된다.
역형상 도출부(70)는 입력된 용접선 위치, 재질 및 입력 온도를 기초로 대상 부재의 용접 변형 해석을 수행하여 대상 부재의 역형상을 도출한다(S150). 역형상 도출부(70)가 대상 부재의 역형상을 도출하는 과정은 앞선 설명으로 대신한다.
역형상 도출부(70)에서 도출된 역형상에 관한 정보는 역형상 관리부(80)로 전송되어 저장되고 관리된다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
1 : 역설계 시스템
10 : 파일 입출력부
30 : 기초 정보 추출부
50 : 입력 온도 도출부
70 : 역형상 도출부
80 : 역형상 관리부

Claims (5)

  1. 대상 부재의 설계 정보 파일을 파싱하여 상기 대상 부재의 용접선 위치, 개선 정보 및 재질을 추출하는 기초 정보 추출부;
    상기 용접선 위치, 개선 정보 및 재질을 기초로 상기 용접선 위치에 적용할 입력 온도를 도출하는 입력 온도 도출부; 및
    상기 용접선 위치, 재질 및 입력 온도를 기초로 상기 대상 부재의 용접 변형 해석을 수행하여 상기 대상 부재의 역형상을 도출하는 역형상 도출부를 포함하고,
    상기 개선 정보는,
    개선 형태 및 개선의 기하학적 정보를 포함하는, 역설계 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 입력 온도 도출부는,
    상기 용접선 위치, 개선 정보 및 재질을 입력받아 상기 용접선 위치에 적용될 초기 온도를 도출하고,
    상기 초기 온도를 기초로 상기 용접선 위치에 대한 용접 변형 해석을 수행하여 HAZ 영역을 도출하고,
    상기 HAZ 영역을 기초로 두께를 변수로 하는 HAZ 영역 회귀식을 도출하고,
    상기 HAZ 영역 회귀식을 기초로 상기 용접선 위치에 적용할 상기 입력 온도를 도출하는, 역설계 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 용접 변형량 도출부는,
    상기 설계 정보 파일을 기초로 요소망을 생성하고,
    상기 용접선 위치에 대응하는 용접선 요소에 상기 입력 온도를 입력하고,
    상기 재질에 따른 선팽창 계수에 음의 부호를 적용하여 상기 용접선 요소에 입력하여 유한요소해석하는, 역설계 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 역형상 도출부에서 도출된 역형상에 관한 정보를 저장하고 관리하는 역형상 관리부를 더 포함하는, 역설계 시스템.
  5. 대상 부재의 설계 정보 파일에서 용접선 위치, 개선 정보 및 재질을 추출하는 단계;
    상기 용접선 위치, 개선 정보 및 재질을 기초로 상기 용접선 위치에 적용할 입력 온도를 도출하는 단계; 및
    상기 용접선 위치, 재질 및 상기 입력 온도를 기초로 상기 대상 부재의 용접 변형 해석을 수행하여 상기 대상 부재의 역형상을 도출하는 단계를 포함하고,
    상기 개선 정보는,
    개선 형태 및 개선의 기하학적 정보를 포함하는, 역설계 방법.
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