KR20100083484A - 부재 용접 변형을 고려한 역변형 형상 설계 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 부재 용접 변형을 고려한 역변형 설계 시스템 및 방법에 관한 것으로, 특히 선체 부재인 브라켓(bracket)의 부재 용접 변형을 고려한 역변형 설계 벙법 및 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 복합 열변형 결과를 보정하는데 있어서 현장 작업자의 경험과 숙련된 기술에 의존하는 기존 방법의 한계를 극복하기 위해, 본 발명에서는 용접 열변형에 의한 부재의 형상 변경을 고려하여 현장에서 계측, 수집한 용접수축에 의한 변형량을 이용하여, 설계 형상의 변형량을 추정하고, 추정 변형량을 이용하여 형상을 기하학적으로 변형하는 방법으로 부재 용접 변형을 고려한 역변형 형상 설계 방법 및 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 방법은 현장에서 실제 브라켓의 용접수축에 의한 변형량을 수집하는 단계;

수집한 변형량을 활용하여 설계 형상으로부터 용접 수축에 의한 변형량을 추정하는 단계;

선박 CAD 시스템에서 부재의 설계 데이터를 추출한 후 역변형을 적용하기 위해 전처리를 수행하는 단계;

추정 변형량 값에 의해 설계 형상을 역변형하는 단계; 및

역변형 설계 형상을 가공도면으로 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 시스템은 역변형 형상 결과를 저장하는 데이터베이스;

용접 수축치 데이터베이스의 측정 데이터를 가공하여 변형 규칙을 생성하는 변형 룰;

기하 구속 조건을 이용하여 형상을 역변형시키는 역변형 오퍼레이터 모듈;

역변형 결과 도면을 생성하는 도면 생성 모듈을 구비하는 것을 특징으로 한다.

용접, 브라켓, 역변형, 형상 정보, 추정 변형량

Description

부재 용접 변형을 고려한 역변형 형상 설계 방법 및 시스템{Design method and system on Inverse welding variation of ship plate parts for welding distortion control}

본 발명은 부재 용접 변형을 고려한 역변형 설계 시스템 및 방법에 관한 것으로, 특히 선체 부재인 브라켓(bracket)의 부재 용접 변형을 고려한 역변형 설계 방법 및 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 브라켓의 형상은 폭에 비해 길이가 긴 형태여서, 브라켓의 강도 보강을 위해 길이 방향으로 플랜지(flange)를 용접하면, 용접부에서 발생한 수축력으로 인해 브라켓 전체 형상이 부채꼴 형태로 변형되는 굽힘 변형이 발생한다.

용접의 열변형은 일반적으로 부재의 길이와 폭 방향의 단순 열변형과 부재의 형상 자체가 변형되는 복합 열변형이 있다. 단순 열변형의 경우 기존의 설계 기술로서 제어가 가능하나, 형상 자체가 변형되는 복합 열변형을 제어할 수 있는 설계 기술은 존재하는 않는다.

현재에는 복합 열변형을 제어하는 자동화된 시스템이나 장치가 존재하지 않으므로, 기존에는 현장 작업자의 경험과 숙련된 기술에 의존하여, 복합 열변형된 부재에 다시 열가공을 하여 원하는 설계에 맞는 부재 형상을 얻을 수밖에 없는 문제가 있었다.

또한 종래에는 제한된 형태의 자동화된 시스템이 있었다. 그 한 예로 유한요소법에 의한 간이 열탄소 해석법을 이용하여 변형량을 계산했다. 선박 캐드 시스템에서는 제한된 종류의 형상에 대하여 사용자가 단순 에지 수정을 통해 형상을 변형하였다. 상기 시스템은 제한된 형태의 경우에만 사용이 가능하여, 실제 현장에서는 현장 작업자의 경험과 숙련된 기술에 의존하여 복합 열변형된 부재에 다시 열가공을 하여 원하는 설계에 맞는 부재 형상을 얻는 방법이 활용되고 있다.

본 발명은 복합 열변형 결과를 보정하는데 있어서 현장 작업자의 경험과 숙련된 기술에 의존하는 기존 방법의 한계를 극복하기 위해, 본 발명에서는 용접 열변형에 의한 부재의 형상 변경을 고려하여 현장에서 계측, 수집한 용접수축에 의한 변형량을 이용하여, 설계 형상의 변형량을 추정하고, 추정 변형량을 이용하여 형상을 기하학적으로 변형하는 방법으로 부재 용접 변형을 고려한 역변형 형상 설계 방법 및 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은 a)현장에서 실제 브라켓의 용접수축에 의한 변형량을 수집하는 단계;

b)수집한 변형량을 활용하여 설계 형상으로부터 용접 수축에 의한 변형량을 추정하는 단계;

c)선박 CAD 시스템에서 부재의 설계 데이터를 추출한 후 역변형을 적용하기 위해 전처리를 수행하는 단계;

d)추정 변형량 값에 의해 설계 형상을 역변형하는 단계; 및

e)역변형 설계 형상을 가공도면으로 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 시스템은 역변형 형상 결과를 저장하는 데이터베이스;

용접 수축치 데이터베이스의 측정 데이터를 가공하여 변형 규칙을 생성하는 변형 룰;

기하 구속 조건을 이용하여 형상을 역변형시키는 역변형 오퍼레이터 모듈;

역변형 결과 도면을 생성하는 도면 생성 모듈을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 현장에서 계측, 수집한 용접수축에 의한 변형량을 이용하여, 설계 형상의 변형량을 추정하고, 추정 변형량을 이용하여 형상을 기하학적으로 변형하는 방법으로 역변형 설계 형상의 계산을 가능하게 한다.

본 발명에서 제안한 방법은 기존의 용접 수축에 의한 변형량을 현장에서 계측, 수집하는 것을 제외하고는 모든 자동화된 방법에 의해 동작함으로써, 역변형 설계 형상을 구하는 데 필요한 시간과 노력을 최소화할 수 있다.

이하 본 발명의 일 실시예를 참조로 하여 본 발명의 방법 및 시스템을 구체적으로 기술한다.

도 1은 본 발명을 적용하지 않았을 경우, 브라켓의 가공도면과 보강재를 용접한 후에 용접수축에 의한 브라켓의 형상 변경을 도시한 도면이다. 도 2는 역변형의 개념을 도시한 것으로, 역변형을 적용하여 가공도면을 생성하였을 때, 보강재 용접 후에 브라켓이 원하는 설계 형상으로 변형되는 것을 도시한 것이다.

도 3는 브라켓의 용접수축에 의한 변형량을 설명한 도면이다. 도 3과 같이 브라켓의 폭 방향의 변형량(c)을 직선도라고 정의하고, 브라켓의 길이 방향의 변형량을 테이퍼(taper)(a+b)라고 정의한다. 설계 형상으로부터 변형량을 추정하려면, 기존의 용접 결과로부터 이러한 변형량를 충분히 수집하는 과정이 선행되어야 한다.

도 4는 용접 수축을 이용한 역변형 형상 모델을 자동생성하는 과정에 대한 흐름도이다.

용접수축을 고려한 역변형 형상 자동 생성은 크게 5 단계로 구성된다. 도면 4를 참조하면, 단계 S402에서 현장에서 실제 브라켓의 용접수축에 의한 변형량을 수집하고, 단계 S404에서 수집한 변형량을 활용하여 설계 형상으로부터 용접 수축에 의한 변형량을 추정하고, 단계 S406에서 선박 CAD 시스템에서 부재의 설계 데이터를 추출한 후 역변형을 적용하기 위해 전처리를 하고, 단계 S408에서, 추정 변형량 값에 의해 설계 형상을 역변형하고, 최종적으로 단계 S410에서 역변형 설계 형상을 가공도면으로 출력한다.

도 5는 브라켓의 종류를 도시하는데, 단계 S402에서는 도 5와 같이 브라켓의 종류를 구분하고, 각 종류에 따라 도면 3에서 정의한 것과 같은 용접 변형량을 수집한다. 본 발명에서는 각 종류에 따라 수십 개의 데이터를 수집하여 저장한 뒤 용접 변형량 추정에 활용한다. 수집하는 데이터는 웨브의 길이, 폭, 두께, 슬롯의 개수, 보강재의 폭, 두께 및 용접 변형량인 직선도, 테이퍼이다.

단계 S404에서는 단계 S402 단계에서 수집한 변형량 데이터를 이용하여 용접 변형량을 추정한다. 본 발명에서는 변형량 추정을 위해 회귀 분석(regression analysis) 기법을 사용한다. 단계 S402 단계에서 수집한 웨브의 길이, 폭, 두께, 슬롯의 개수, 보강재의 폭, 두께, 용접 각목의 두께를 독립 변수로 정의하고, 직선도 및 테이퍼를 의존 변수로 정의하여 각각을 다중 회귀 모델(multiple regression model)로 모델링하여 변형량을 추정한다.

도 6은 상기 단계 S404 단계에서 수집한 데이터를 도시한 것이고, 이로부터 다중 회귀 모델을 만들었을 때 xi, i = 1,...,6는 독립 변수, y는 의존 변수가 되고, 독립 변수의 계수를 계산한다. 계산된 계수를 이용하여 임의의 브라켓 형상에 대해 직선도 변형량을 추정할 수 있다. 같은 방법으로 테이퍼 변형량도 계산한다.

단계 S406에서는 단계 S404에서 계산한 추정 변형량과 브라켓의 설계 형상을 입력으로 하여 브라켓 형상을 역변형한다. 역변형은 형상 변형(shape deformation) 방법에 기반한 기하학적인 형상 변형을 통해 이루어진다. 기하 형상 변형 방법은 설계 형상으로부터 삼각망 메쉬(mesh)를 생성하고, 삼각망 메쉬를 변형한 후, 최종적으로 변형 설계 형상을 구하는 방법이다.

도 7은 본 발명에 따른 기하 형상 변형 방법을 도시한 도면이다. 도 7의 단계 S702에서 설계 형상의 외곽 정보를 이용하여 단계 S704와 같이 삼각형 메쉬를 생성하고, 단계 S706과 같이 삼각형 메쉬를 변형한 다음, 단계 S708과 같이 변형된 삼각형 메쉬에 대응하는 외곽 정보를 구한다.

단계 S702 단계에서는 설계 형상에서 외곽 정보를 추출하고, 형상 변형 과정에서 사용자의 별도 입력을 요구하지 않고, 전체 과정을 자동화하기 위해 외곽 형 상의 기하 요소를 정렬하고, 이동 및 회전 변환 작업을 수행한다.

단계 S704 단계에서는 단계 S702의 결과로부터 비교적 균일한 형태의 삼각망 메쉬를 생성한다. 본 발명에서 제안한 시스템은 생성된 삼각망 메쉬의 상호 연결 관계, 외곽 정보 및 기하 요소와 삼각망 메쉬의 관계를 저장한다.

단계 S706에서는 단계 S704의 결과로부터 삼각망 메쉬의 일부 정점을 이동한 후, 이동한 정점들에 의한 전체 삼각망 메쉬의 변형을 계산한다.

단계 S708에서는 단계 S704의 결과와 단계 S702에서 저장한 정보를 이용하여 변형된 삼각망 메쉬에 대응하는 새로운 외곽 정보를 재구성한다. 외곽에 해당하는 삼각망 메쉬를 찾고, 찾은 삼각망들의 정점을 연결하는 곡선을 생성한다. 브라켓을 용접할 때 사용하는 가공 허용 오차를 이용하여, 생성한 곡선을 선분이나 원호로 변환한다.

도 8은 단계 S706에서 이동 정점을 정의하는 예를 도시한 것이다. 단계 S802에서와 같이 삼각망 메쉬의 좌우 변의 중앙 부분에 고정점을 설정하고, 위아래 변의 중앙 부분과 오른쪽 위, 왼쪽 위 부분에 변형점을 설정한다. 이때, 위아래 변의 중앙 부분의 변형점의 이동량은 도 4의 단계 S404 단계에서 추정한 직선도이고, 오른쪽 위 및 왼쪽 위 부분의 변형점의 이동량은 도 4의 단계 S404 단계에서 추정한 테이퍼 값을 사용한다. 위아래 변의 중앙 부분의 변형점의 이동 방향은 벡터로 표시했을 때 (0, 1) 방향이고, 오른쪽 위 및 왼쪽 위 부분의 변형점의 이동 방향은 해당 변의 길이가 L, 추정 테이퍼 값이 b 일 때, asin(b/2L) 각도만큼 해당 변을 회전시켰을 때, 회전된 변의 끝점에서 원래 변의 끝점을 뺀 벡터이다. 단 계 S802 단계에서와 같이 이동 정점을 정의하고, 그에 따라 변형점을 이동시키면 단계 S804에서와 같이 삼각형 메쉬가 변형된다.

단계 S802에서 단계 S804를 구하는 과정은 메쉬의 각 삼각형의 변형을 기하학적으로 최소화하는 방법에 의해 이루어진다. 삼각망 메쉬 전체를 물리적으로 구부러지지 않는 물체가 하나의 엔티티로 이동하는 강체로 규정하고, 강체의 움직임이 한 점의 변위와 강체의 방향에 의해 결정되는 성질을 이용한다. 즉, 외력에 의한 변형이 아주 작은 강체처럼 형상이 변형되게 된다.

단계 S802의 계산은 기하학적으로는 변형점에 의한 삼각망 메쉬의 총 변형량을 2차식으로 만들고, 2차식의 그레이디언트(gradient)를 0으로 만들어서, 총 변형량을 최소화하는 모든 삼각망 메쉬의 정점의 위치를 계산하는 방식으로 이루어진다. 총 변형량은 삼각망 메쉬의 정점이 N 개일 때, 2N개의 변수를 가진 2차식으로 정리된다. 고정점이 M 개일 때, 2차식의 그레이디언트로부터 미지수가 2(N-M) 개이고, 1차 방정식이 2(N-M)개인 연립 1차 방정식으로 구해진다. 이를 계산하여 단계 S804와 같은 결과를 얻을 수 있다.

도 9는 도 4의 단계 S404 내지 S408을 상세화하여 도시한 도면이다. 상세 과정은 입력이 브라켓의 원설계 형상일 때, 먼저 단계 S902와 같이 원설계 형상에서 기하 정보를 추출하고, S904 단계에서 기하 정보를 전처리한다. 전처리는 같은 직선상의 선분을 연결하고, 전체 기하 요소를 KL(Karhunen Loeve) 변환에 의해 수평축 방향으로 회전하고, 외곽선의 시작점을 변경하는 것으로 이루어진다. 단계 S906에서는 휴리스틱(heuristic) 알고리즘을 이용하여 브라켓의 종류를 인식한다. 브라켓의 종류에 따라 변형점의 정의 및 변형량 추정이 다르게 이루어진다. 단계S908에서는 변형량을 추정하고, 단계 S910에서 전처리 결과를 이용하여 삼각망 메쉬를 생성한다. 단계 S912에서 삼각망 메쉬에 대해 형상을 역변형하고, 단계 S914 에서 역변형된 삼각형 메쉬로부터 기하 정보를 재구성한다. 최종적으로 단계 S916에서 기하 정보를 후처리하여, 원설계 형상에서 정의된 포맷대로 브라켓 형상 정보를 표현한다.

도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 역변형 부재 형상 설계 시스템의 블록도이다.

도 10에 도시한 바와 같이, 역변형 형상 결과를 저장하는 데이터베이스(10)와 형상 솔버(100)로 구성되는데 형상 솔버(100)는 용접 수축치 데이터베이스의 측정 데이터를 가공하여 변형 규칙을 생성하는 변형 룰(20), 기하 구속 조건을 이용하여 형상을 역변형시키는 역변형 오퍼레이터 모듈(30), 역변형 결과 도면을 생성하는 도면 생성 모듈(40)로 구성된다.

이하 이와 같이 구성된 시스템의 동작을 설명한다.

먼저 부재의 폭, 두께, 길이, 형상별로 분류하여 복합 열변형 결과치를 측정하고(S100), 이를 열변형 결과 데이터베이스(10)에 저장한다. 이어서 입력받은 부재를 분석하여 열변형 결과 데이터베이스로부터 형상 솔버(100)의 변형 룰(20)에 의해 변형 규칙을 생성한다. 변형 규칙에 의거하여 형상 솔버(100)의 역변형 오퍼레이터(30)를 이용하여 역변형 부재 형상을 생성한다. 이어 형상 솔버(100)의 도면 생성 모듈(40)에 의해 역변형 부재 형상을 생성하고(S110), 역변형 부재 형상 정보를 부재에 적용하여(S120), 조립후 최종 부재를 생성하고(S130), 조립후 완성된 부재 결과를 측정하고 열변형 결과를 보정하여(S140), 보정된 결과를 열변형 결과 데이터베이스에 저장한다.

이렇게 하여 역변형 부재 형상 정보가 반영된 부재 형상을 생성할 수 있다.

지금까지 본 발명의 방법 및 시스템을 일 실시예를 참조로 하여 기술하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 이하의 부속 청구범위의 사상 및 영역을 일탈하지 않는 범위 내에서 여러 가지로 변형 및 수정실시될 수 있으며, 이와 같은 변형 및 수정은 본 발명의 영역 내에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 브라켓의 소조작업시 발생하는 복합 열변형을 도시한 도면이다.

도 2는 역변형의 개념을 도시한 도면이다.

도 3은 용접수축에 의한 변형량을 설명한 도면이다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 용접수축을 고려한 역변형 형상 자동 생성 단계를 도시한 도면이다.

도 5는 변형량 추정을 위해 브라켓의 종류를 구분하는 예를 도시한 도면이다.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 변형량 추정에 사용되는 다중 회귀 모델을 구성하기 위한 입력을 도시한 도면이다.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기하 형상 변형 방법을 도시한 도면이다.

도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 삼각망 메쉬에서 이동 정점을 정의한 예를 도시한 도면이다.

도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 형상 변형 방법의 상세 과정을 도시한 도면이다.

도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 역변형 부재 형상 설계 시스템의 블록도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10; 역변형 결과 데이터베이스 20; 변형 룰

30; 역변형 오퍼레이터 모듈 40; 도면 생성 모듈

100; 형상 솔버

Claims (5)

1. a)현장에서 실제 브라켓의 용접수축에 의한 변형량을 수집하는 단계;

   b)수집한 변형량을 활용하여 설계 형상으로부터 용접 수축에 의한 변형량을 추정하는 단계;

   c)선박 CAD 시스템에서 부재의 설계 데이터를 추출한 후 역변형을 적용하기 위해 전처리를 수행하는 단계;

   d)추정 변형량 값에 의해 설계 형상을 역변형하는 단계; 및

   e)역변형 설계 형상을 가공도면으로 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 역변형 형상 모델 자동 생성 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 변형량 추정 단계에서 변형량 추정을 위해 회귀 분석(regression analysis) 기법을 사용하는 것을 특징으로 하는 역변형 형상 모델 자동 생성 방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 단계 b) 내지 d)는

   원설계 형상에서 기하 정보를 추출하는 단계;

   기하 정보를 전처리하는 단계;

   휴리스틱(heuristic) 알고리즘을 이용하여 브라켓의 종류를 인식하는 단계를 포함하는데, 브라켓의 종류에 따라 변형점의 정의 및 변형량 추정이 다르게 이루어지며;

   변형량을 추정하고, 전처리 결과를 이용하여 삼각망 메쉬를 생성하는 단계; 그리고

   상기 삼각망 메쉬에 대해 형상을 역변형하고, 역변형된 삼각형 메쉬로부터 기하 정보를 재구성하고, 기하 정보를 후처리하여, 원설계 형상에서 정의된 포맷대로 브라켓 형상 정보를 표현하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 역변형 형상 모델 자동 생성 방법.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서,

   상기 전처리는 같은 직선상의 선분을 연결하고, 전체 기하 요소를 KL(Karhunen Loeve) 변환에 의해 수평축 방향으로 회전하고, 외곽선의 시작점을 변경하는 것으로 이루어지는 특징으로 하는 역변형 형상 모델 자동 생성 방법.
5. 역변형 형상 결과를 저장하는 데이터베이스;

   용접 수축치 데이터베이스의 측정 데이터를 가공하여 변형 규칙을 생성하는 변형 룰;

   기하 구속 조건을 이용하여 형상을 역변형시키는 역변형 오퍼레이터 모듈;

   역변형 결과 도면을 생성하는 도면 생성 모듈을 구비하는 것을 특징으로 하는 역변형 형상 설계 시스템.

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