KR20140132075A - Weight reducing design method for base frame of windlass - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 선박의 윈들러스(windlass)를 지지하는 베이스 프레임의 경량화 설계 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기본 설계 모델의 유한요소 해석에 따른 위상 최적화 및 치수 최적화를 통해 충분한 요구 강도를 확보할 수 있으면서도 중량을 현저하게 경감할 수 있는 윈들러스 베이스 프레임의 설계 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a lightweight design method of a base frame for supporting a windlass of a ship, and more particularly, to a method of designing a base frame for supporting a windlass of a ship, To a design method of a windlass base frame capable of remarkably reducing the weight.
일반적으로, 선박에는 닻, 어구 등과 같은 각종 기구를 바다에 투척하거나 인양하기 위하여 케이블을 권취하는 윈들러스가 설치된다. 통상적인 선박용 윈들러스는 갑판이나 선실 등에 고정 설치된 베이스 프레임에 케이블이 감겨진 드럼이 회전 가능하게 지지되어 모터의 구동에 따라 드럼이 회전하면서 케이블을 감아올리거나 풀어내리는 구조를 갖는다. Generally, a ship is provided with a windlass that winds cables to throw or salvage various instruments such as anchors, fishing gear, and the like to the sea. A typical ship windlass has a structure in which a drum having a cable wound around a base frame fixed to a deck or a cabin is rotatably supported so that the drum is rotated and unwound or unwound as the motor is driven.
한편, 선박의 운항 성능과 경제성을 향상시키기 위해서는 선박의 용량 대비 중량을 줄이는 것이 바람직하다. 이에 따라, 선체 자체의 경량화 뿐 아니라 선박에 설치되는 부속 시설물의 경량화도 요구되고 있다. On the other hand, in order to improve the operational performance and economy of the ship, it is desirable to reduce the weight of the ship relative to the capacity. Accordingly, not only the weight of the ship itself but also the weight of the attached facilities installed on the ship are required.
따라서, 윈들러스 역시 경량화가 요구되고 있는데, 특히 윈들러스 중에서도 베이스 프레임은 드럼의 큰 중량과 작동 하중을 안전하게 지탱해야 하는 구조물로서 윈들러스 전체 중량의 상당 부분을 차지하는 고중량 구조물이기 때문에 효과적인 경량화가 필요하다. 그러나, 종래의 설계 방법에 의해서는 베이스 프레임에 가해지는 정확한 하중 분석 및 그에 따른 최적화 설계가 이루어지지 못하여 필요 이상으로 윈들러스 베이스 프레임이 무겁게 제작될 수밖에 없는 문제가 있었다.
Therefore, the weight of the windlus is also required to be reduced. In particular, the base frame is a heavyweight structure that requires a large weight and an operating load of the drum to be safely supported in the windlass, . However, according to the conventional design method, the accurate load analysis applied to the base frame and the optimization design corresponding thereto can not be performed, and therefore, there has been a problem that the windlass base frame can not be made heavier than necessary.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 위상 최적화 및 치수 최적화를 통해 구조적 안전성을 충족하면서도 보다 경량화된 선박용 윈들러스 베이스 프레임을 제작할 수 있는 경량화 설계 방법을 제공하는 것에 목적이 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a lightweight designing method capable of manufacturing a lightweight wingles base frame for ships while satisfying structural safety through phase optimization and dimensional optimization.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 설계 조건에 따른 형상 및 규격을 구비한 윈들러스 베이스 프레임의 기본 모델을 설계하는 기본 모델 수립 단계; 상기 기본 모델에 위상 최적화를 적용할 부분과 적용하지 않을 부분을 구분하여 설정하는 위상 최적화 설계 및 비설계 영역 설정 단계; 및 상기 기본 모델에 위상 최적화를 수행하여 설계 영역이 최적의 위상을 갖는 위상 최적화 모델을 재설계하는 위상 최적화 모델 수립 단계를 포함하는 윈들러스 베이스 프레임의 경량화 설계 방법을 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method for designing a basic model of a windlass base frame having a shape and a size according to design conditions, A phase optimization design and a non-design region setting step of setting a portion to be subjected to phase optimization and a portion not to be applied to the basic model separately; And a phase optimization model establishing step of performing phase optimization on the basic model to redesign the phase optimization model in which the design region has an optimum phase.
상기한 본 발명의 경량화 설계 방법은, 상기 위상 최적화 모델에 치수 최적화를 적용할 부분과 적용하지 않을 부분을 구분하여 설정하는 수치 최적화 설계 및 비설계 영역 설정 단계; 및 상기 위상 최적화 모델에 치수 최적화를 수행하여 설계 영역이 최적의 치수를 갖는 치수 최적화 모델을 재설계하는 치수 최적화 모델 수립 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다. The weighted designing method of the present invention may further include: a numerical optimization design and a non-design area setting step of setting a portion to be dimensioned to be applied and a portion to be not applied to the topology optimization model separately; And a dimension optimization model setting step of performing a dimension optimization on the phase optimization model to redesign the dimension optimization model having an optimal dimension in the design area.
상기 위상 최적화 설계 및 비설계 영역 설정 단계는 하중이 직접 가해지는 부분과 구속조건이 부여되는 부분을 비설계 영역으로 설정하고 나머지 모든 부위를 설계 영역으로 설정할 수 있다. 이와 유사하게, 상기 치수 최적화 설계 및 비설계 영역 설정 단계는 하중이 직접 가해지는 부분과 구속조건이 부여되는 부분을 비설계 영역으로 설정하고 나머지 모든 부위를 설계 영역으로 설정할 수 있다.
In the phase optimization design and non-design area setting step, a portion to which a load is directly applied and a portion to which a constraint condition is given may be set as a non-design region and all remaining portions may be set as a design region. Similarly, in the dimension optimization design and the non-design area setting step, a portion to which a load is directly applied and a portion to which a constraint is applied may be set as a non-design region and all remaining portions may be set as a design region.
상기와 같이 구성된 본 발명에 의하면, 설계 조건에 따라 설정된 기본 모델에 위상 최적화를 수행하여 설계 영역이 최적의 위상을 갖는 위상 최적화 모델을 도출함으로써, 요구되는 구조적 안정성을 충분히 확보하면서도 경량화된 윈들러스 베이스 프레임을 설계할 수 있게 하여 선박의 중량 경감을 증진할 수 있는 효과가 있다. 또한, 위상 최적화 모델에 치수 최적화를 수행하여 설계 영역이 최적의 치수를 갖는 치수 최적화 모델을 도출함으로써, 더욱 경량화된 윈들러스 베이스 프레임을 설계할 수 있게 하여 선박의 중량 겸감 효과를 한층 더 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
According to the present invention configured as described above, the phase optimization model is set in accordance with the design conditions to derive the phase optimization model having the optimal phase in the design region, thereby achieving the required structural stability and reducing the weight of the windlass base It is possible to design the frame, thereby reducing the weight of the ship. In addition, by deriving a dimensional optimization model with optimal dimensions of the design area by performing dimensional optimization on the phase optimization model, it is possible to design a lighter weight windlass base frame, thereby further improving the weight balance effect of the ship There is an effect.
도 1은 본 발명에 따른 윈들러스 베이스 프레임 경량화 설계 방법의 일 실시예를 도시한 것이다.
도 2는 윈들러스 베이스 프레임의 기본 모델을 도시한 것이다.
도 3 및 도 4는 윈들러스 베이스 프레임의 위상 최적화를 위한 기초해석 경계조건을 도시한 것이다.
도 5는 윈들러스 베이스 프레임 기본 모델의 유한요소해석 결과를 도시한 것이다.
도 6은 윈들러스 베이스 프레임의 위상 최적화 설계 영역 및 비설계 영역을 도시한 것이다.
도 7은 윈들러스 베이스 프레임의 위상 최적화 결과를 도시한 것이다.
도 8은 윈들러스 베이스 프레임의 위상 최적화 모델을 도시한 것이다.
도 9는 윈들러스 베이스 프레임 위상 최적화 모델의 유한요소해석 결과를 도시한 것이다.
도 10은 윈들러스 베이스 프레임 치수 최적화 모델의 유한 요소 형상을 도시한 것이다.
도 11 및 도 12는 윈들러스 베이스 프레임의 치수 최적화를 위한 기초해석 경계 조건을 도시한 것이다.
도 13은 윈들러스 베이스 프레임의 치수 최적화 설계 영역 및 비설계 영역을 도시한 것이다.
도 14는 윈들러스 베이스 프레임의 치수 최적화 모델을 도시한 것이다.
도 15는 윈들러스 베이스 프레임 치수 최적화 모델의 유한요소해석 결과를 도시한 것이다.FIG. 1 shows an embodiment of a method for designing a weight saving of a windlass base frame according to the present invention.
2 shows a basic model of a windlass base frame.
FIGS. 3 and 4 illustrate the fundamental analytical boundary conditions for phase optimization of the windlass base frame.
Fig. 5 shows a finite element analysis result of the basic model of the windlass base frame.
Fig. 6 shows a phase-optimized design area and a non-design area of the windlass base frame.
Fig. 7 shows the phase optimization result of the windlass base frame.
Fig. 8 shows a phase optimization model of a windlass base frame.
9 shows a finite element analysis result of the windlass base frame phase optimization model.
10 shows a finite element shape of a windlass base frame dimension optimization model.
Figs. 11 and 12 show basic analysis boundary conditions for dimension optimization of the windlass base frame. Fig.
Fig. 13 shows a dimension optimization design area and a non-design area of the windlass base frame.
14 shows a dimension optimization model of a windlass base frame.
15 shows a finite element analysis result of the windlass base frame dimension optimization model.
상술한 본 발명의 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 실시예를 통하여 보다 분명해질 것이다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of the present invention when taken in conjunction with the accompanying drawings.
이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.It is to be understood that the following specific structure or functional description is illustrative only for the purpose of describing an embodiment in accordance with the inventive concept, and that the embodiments according to the concept of the present invention may be embodied in various forms, It should not be construed as being limited to examples.
본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Since the embodiments according to the concept of the present invention can make various changes and have various forms, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail herein. However, it should be understood that the embodiments according to the concept of the present invention are not intended to limit the present invention to specific modes of operation, but include all modifications, equivalents and alternatives falling within the spirit and scope of the present invention.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소들로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소는 제1 구성 요소로도 명명될 수 있다. The terms first and / or second etc. may be used to describe various components, but the components are not limited to these terms. The terms may be named for the purpose of distinguishing one element from another, for example, without departing from the scope of the right according to the concept of the present invention, the first element being referred to as the second element, The second component may also be referred to as a first component.
어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 또는 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "∼사이에"와 "바로 ∼사이에" 또는 "∼에 인접하는"과 "∼에 직접 인접하는" 등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, . On the other hand, when it is mentioned that an element is "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between. Other expressions for describing the relationship between components, such as "between" and "between" or "adjacent to" and "directly adjacent to" should also be interpreted.
본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. It will be understood that the terms "comprises", "having", and the like in the specification are intended to specify the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, parts or combinations thereof, But do not preclude the presence or addition of steps, operations, elements, parts, or combinations thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the meaning of the context in the relevant art and, unless explicitly defined herein, are to be interpreted as ideal or overly formal Do not.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the preferred embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings. Like reference symbols in the drawings denote like elements.
본 발명에 따른 윈들러스 베이스 프레임 경량화 설계는, 도 1에 도시된 바와 같이, 기본 모델 수립 단계(S10), 위상 최적화 설계 및 비설계 영역 설정 단계(S20), 위상 최적화 모델 수립 단계(S30), 치수 최적화 설계 및 비설계 영역 설정 단계(S40), 및 치수 최적화 모델 수립 단계(S50)를 통해 이루어진다. 1, the basic structure modeling step S10, the phase optimization design and non-design area setting step S20, the phase optimization model building step S30, A dimension optimization design and non-design area setting step S40, and a dimension optimization model establishment step S50.
상기 기본 모델 수립 단계(S10)는 선박의 설치 환경, 요구되는 윈들러스의 규격 등의 설계 조건에 따라 브레이크 안착부(brake holding), 구동 피니언 지지부, 지지 링크부, 베이스판 등이 구비된 형상으로, 또한 안전율을 충분히 고려하여 주어진 설계부하를 여유 있게 견딜 수 있는 규격으로 베이스 프레임의 기본 형태를 설계한다. In the basic model building step S10, a shape including a brake holding portion, a driving pinion supporting portion, a supporting link portion, a base plate, and the like is formed in accordance with design conditions such as a ship installation environment and a required windlass standard , And the basic form of the base frame is designed with a standard that can tolerate a given design load with sufficient safety factor.
상기 위상 최적화 설계 및 비설계 영역 설정 단계(S20)는 위상 최적화를 적용할 부분과 그렇지 않을 부분을 구분하여 설정하는 것으로, 안전율을 고려한 하중으로 응력 제한 조건을 설정하며, 브레이크 안착부, 구동 피니언 지지부, 지지 링크부 등과 같이 하중이 직접 가해지는 부분, 그리고 선체에 고정되는 베이스판 등과 같이 구속조건이 부여되는 부분을 비설계 영역으로 설정하고 나머지 모든 부위는 설계 영역으로 설정한다.The phase optimization design and non-design region setting step (S20) sets the stress limiting condition with the load considering the safety factor by separately setting the portion to be subjected to the phase optimization and the portion not to be subjected to the phase optimization. , The portion to which the load is applied directly, such as the support link portion, and the base plate to be fixed to the hull, is set as the non-design region, and all the remaining portions are set as the design region.
상기 위상 최적화 모델 수립 단계(S30)는 기본 모델에 위상 최적화를 수행하여 위상 최적화 설계 영역이 최적의 위상을 가지는 형태로 재설계된 모델을 수립한다. 위상 최적화는 예를 들어 Optistruct와 같은 상용 최적화 소프트웨어를 사용하여 이루어질 수 있다. 상기와 같이 얻어진 위상 최적화 결과를 적용하여 치수 최적화를 수행하기 위한 위상 최적화 모델을 수립할 수 있으며, 이는 기본 모델에 비해 대략 10 ~ 20% 정도 중량이 감소된 결과를 얻을 수 있다.The phase optimization model establishment step (S30) performs phase optimization on the basic model to establish a redesigned model in which the phase optimization design region has an optimal phase. Phase optimization can be accomplished using commercially available optimization software, for example, Optistruct. A phase optimization model for performing the dimensional optimization can be established by applying the phase optimization result obtained as described above, and it is possible to obtain a result that the weight is reduced by about 10 to 20% as compared with the basic model.
상기 치수 최적화 설계 및 비설계 영역 설정 단계(S40)는 위상 최적화 모델에 치수 최적화를 적용할 부분과 그렇지 않을 부분을 구분하여 설정하는 것으로, 안전율을 고려한 하중으로 응력 제한 조건을 설정하며, 브레이크 안착부, 구동 피니언 지지부, 지지 링크부 등과 같이 하중이 직접 가해지는 부분, 그리고 선체에 고정되는 베이스판 등과 같이 구속조건이 부여되는 부분을 비설계 영역으로 설정하고 나머지 모든 부위는 설계 영역으로 설정한다.In the dimension optimization design and non-design region setting step S40, the portion to which the dimension optimization is to be applied and the portion to which the dimension optimization is to be applied are separately set. That is, the stress limitation condition is set by the load considering the safety factor, The portion to which the load is directly applied, such as the drive pinion support portion, the support link portion, and the base plate to be fixed to the hull, is set as the non-design region, and all the remaining portions are set as the design region.
상기 치수 최적화 모델 수립 단계(S50)는 위상 최적화 모델에 치수 최적화를 수행하여 치수 최적화 설계 영역이 최적의 수치를 가지는 형태로 재설계된 모델을 수립한다. 수치 최적화는 예를 들어 Optistruct와 같은 상용 최적화 소프트웨어를 사용하여 이루어질 수 있다. 치수 최적화를 통해 최종적으로 수립된 모델은 기본 모델에 비해 대략 30 ~ 40% 정도 중량이 감소된 결과를 얻을 수 있다. In the dimension optimization model establishment step (S50), a dimension optimization is performed on the phase optimization model to establish a redesigned model in which the dimension optimization design region has an optimal numerical value. Numerical optimization can be accomplished, for example, using commercially available optimization software such as Optistruct. The model that is finally established through the optimization of dimensions can result in a weight reduction of about 30-40% compared to the basic model.
상기한 바와 같은 위상 최적화 및 수치 최적화를 통한 윈들러스 베이스 프레임의 경량화 설계 과정을 보다 구체적으로 예시하여 설명하면 다음과 같다. The weighted design process of the windlass base frame through the phase optimization and numerical optimization as described above will be described in more detail as follows.
기본 모델 수립을 위하여 현재 상용화된 윈들러스 베이스 프레임의 2D도면을 근거로 상용 소프트웨어인 CATIA V5를 사용하여 3D 모델링을 수행하였고, 이를 해석 결과에 큰 영향을 주지 않는 한도 내에서 재설계 모델링을 수행하여 도 2에 도시된 바와 같은 기본 모델을 얻었다. 기본 모델의 재료는 선박용으로 현재 널리 사용되고 있는 모델의 재질인 DH36 소재를 적용하였고, 그 물성은 아래의 표 1과 같다. 이에 따른 기본 모델의 질량은 3,571kg으로 나타났다. In order to establish the basic model, 3D modeling was performed using commercially available software CATIA V5 based on the 2D drawings of the currently commercialized Windlass base frame, and re-design modeling was performed within a range that does not have a large effect on the analysis result A basic model as shown in Fig. 2 was obtained. The material of the basic model is DH36 material, which is widely used model for ship, and its properties are shown in Table 1 below. The mass of the basic model was 3,571 kg.
상기 기본 모델의 유한요소해석을 수행하기 위하여 상용 소프트웨어인 Altair사의 Hypermesh를 사용하여 유한요소모델을 생성하였다. 유한요소모델은 shell element를 사용하였고, element type은 CTRIA3과 CQUAD4를 사용하였다. element와 node의 수는 각각 61,048개와 63,556개로 생성하였다. In order to perform the finite element analysis of the basic model, a finite element model was created using Hypermesh of commercial software Altair. The finite element model uses a shell element and the element type uses CTRIA3 and CQUAD4. The number of elements and nodes were 61,048 and 63,556, respectively.
기본 모델의 기초해석 경계조건은 도 3에 도시한 바와 같이 하부 베이스판이 볼트로 고정되므로 고정 조건을 적용하여 구속하였고, 도 4에서 하중이 작용하는 부분에 표2에 나타낸 바와 같이 각 하중을 적용하였다.The basic analysis boundary condition of the basic model is restrained by applying a fixing condition because the lower base plate is fixed by a bolt as shown in FIG. 3. In FIG. 4, the load is applied to the portion where the load acts as shown in Table 2 .
기본 모델의 유한요소해석 결과는 도 5에 도시된 바와 같이 나타났다. 최대 응력의 위치는 하부 플레이트와 지지대는 곳에 나타났으며, 최대응력값은 304.2MPa로 이 값은 재료의 탄성한도 내의 항복응력값을 초과하지 않으므로 구조적으로 안전한 것으로 판단되었다.The finite element analysis results of the basic model are shown in Fig. The position of the maximum stress appeared at the bottom plate and the support, and the maximum stress value was 304.2 MPa, which was considered to be structurally safe because it did not exceed the yield stress value in the elastic limit of the material.
응력 제한 조건으로 안전율을 고려하여 250Mpa로 설정하였으며, 도 6에 도시된 바와 같이 하중이 가해지는 부분과 구속조건이 부여되는 부분을 비설계 영역으로 설정하고 나머지 모든 부위는 설계영역으로 설정하였다. As shown in FIG. 6, the portion to which the load is applied and the portion to which the restraint condition is given are set as the non-design region, and the remaining portions are set as the design region, as shown in FIG.
구조 경량화를 위한 최적화 수행은 상용 최적화 프로그램인 Optistruct를 사용하였다. 윈들러스 베이스 프레임에 대한 위상 최적화 결과는 도 7에 도시된 바와 같이 나타났다. 비설계 영역으로 지정된 부분은 최적화 수행 전과 후의 형상 변화가 없고 설계 영역으로 지정된 부분은 최적의 위상을 가지는 형상으로 변화되었다. Optistruct, a commercial optimization program, was used to optimize the structure for lightweight construction. The phase optimization result for the Windlass base frame appeared as shown in Fig. The part designated as the non-design area has no shape change before and after the optimization, and the part designated as the design area has changed to the shape having the optimum phase.
위상 최적화의 결과는 아이소서피스(iso-surface)의 값으로 표현한다. 아이소서피스는 각 단위셀의 설계질량과 구조물 원소재의 질량의 비인 설계 질량비가 같은, 즉 동등한 재료의 밀도 분포를 가지는 단위셀들의 집합체를 뜻하는 것으로 0 ~ 1 사이의 값을 가진다. 도 7에 도시된 위상 최적화 결과를 참조하면, 설계질량비가 1이라 함은 도 7에서 빨강 색으로 표시된 부분으로 단위셀에서 빈 공간의 크기가 0이 되어 재료가 단위셀을 모두 차지하는 것을 말한다. 따라서, 일정한 설계질량비 이상을 가지는 단위셀들을 모으면 주어진 요구조건을 만족시키는 강성을 가진 최적화된 구조물의 위상을 알아낼 수 있다. 본 실시예에서 적용한 아이소서피스 값은 0.3으로, 이는 최적설계에서 설계영역 중에서 응력이 집중되지 않은 부분이 거의 제거되는 값이다. The result of the phase optimization is expressed as the value of the iso-surface. An iso-surface refers to an aggregate of unit cells having the same design mass ratio, that is, the density distribution of the equivalent material, which is the ratio of the design mass of each unit cell to the mass of the structure raw material, and has a value between 0 and 1. Referring to the result of the phase optimization shown in FIG. 7, the design mass ratio is 1, which is indicated by red in FIG. 7, where the size of the empty space in the unit cell is 0, and the material occupies all the unit cells. Therefore, by collecting the unit cells having a predetermined design mass ratio or more, it is possible to determine the phase of the optimized structure having the stiffness satisfying a given requirement. The iso-surface value applied in this embodiment is 0.3, which is a value at which the stress-free portion of the design region is almost eliminated in the optimum design.
상기와 같이 얻어진 위상최적화 결과를 바탕으로 치수 최적화 과정을 수행하기 위하여 재설계를 수행하였으며, 이에 따라 수립된 위상 최적화 모델을 도 8에 도시하였다. 위상최적화 과정을 통해 재생성된 모델의 질량은 약 2,995kg으로 초기의 기본모델(3,571kg)보다 약 576kg 정도 경량화된 결과를 얻을 수 있었다. A re-design is performed to perform the dimension optimization process based on the phase optimization result obtained as described above, and the phase optimization model thus established is shown in FIG. The mass of the regenerated model was about 2,995kg, which is about 576kg less than the initial basic model (3,571kg).
도 9에 위상 최적화 모델의 유한요소해석 결과를 나타내었다. 기본 모델의 응력분호와 비슷하지만, 응력이 기본 모델보다 광범위하게 분포되고 응력도 약간 상승한 것을 알 수 있었다. 최대 응력의 위치는 기본 모델과 같이 하부 베이스판과 지지대는 곳에 나타났으며, 최대 응력값은 310.7Mpa로 이 값은 재료의 탄성한도 내의 항복응력값을 초과하지 않기 때문에 구조적으로 안전한 것으로 판단된다. Fig. 9 shows the finite element analysis results of the phase optimization model. It is similar to the stress shrinkage of the basic model, but the stress is distributed more widely than the basic model and the stress is slightly increased. The position of the maximum stress is shown in the lower base plate and the support as in the basic model, and the maximum stress is 310.7Mpa, which is considered to be structurally safe because it does not exceed the yield stress in the elastic limit of the material.
최적화 모델의 유한 요소 형상을 도 10에 나타내었다. 유한요소모델은 위상 최적화 모델에서와 동일하게 shell element를 사용하였고, 유한요소 모델링에 사용된 element type은 CTRIA3과 CQUAD4를 사용하였다. element와 node의 수는 각각 47,416개와 49,634개로 생성하였다. The finite element shape of the optimization model is shown in Fig. The finite element model uses shell elements as in the phase optimization model, and the element types used in the finite element modeling are CTRIA3 and CQUAD4. The number of elements and nodes were 47,416 and 49,634, respectively.
치수 최적화를 위한 기초해석 경계조건은 도 11과 같이 하부 베이스팜이 고정되므로 고정 조건을 적용하여 구속하였고, 도 12에서 하중이 작용하는 부분에 표 2에서 나타낸 바와 같이 각 하중을 적용하였다.Fundamental Analysis for Dimensional Optimization As shown in Fig. 11, the boundary condition is constrained by applying a fixed condition because the lower base palm is fixed. In Fig. 12, each load is applied as shown in Table 2 at the portion where the load acts.
응력 제한 조건으로 위상 최적화 모델의 구조해석 결과에서 도출된 최대응력(310.7MPa)과 최소응력(15.25kPa)을 설정하였다. 도 13에 도시된 바와 같이 하중이 가해지는 부분과 구속조건이 부여되는 부분을 비설계 영역으로 설정하고 나머지 모든 부위를 설계영역으로 설정하였다. 치수 최적화 결과를 이용하여 모델의 두께를 적용하였고, 응력 집중이 발생하는 곳의 형상을 수정하였다.The maximum stress (310.7 MPa) and the minimum stress (15.25 kPa) derived from the structural analysis results of the phase optimization model were set as the stress limiting condition. As shown in FIG. 13, a portion to which a load is applied and a portion to which a restraint condition is given are set as a non-design region and all remaining portions are set as a design region. The thickness of the model was applied using the results of the dimensional optimization and the shape of the location where the stress concentration occurred was modified.
도 14에 도시된 바와 같이 위상 최적화 해석 결과를 바탕으로 치수 최적화 과정을 수행하기 위한 재설계를 수행하였다. 최적화 과정을 통해 재생성된 모델의 질량은 2,076kg으로 위상 최적화된 모델(2,995kg)보다 약 919kg 감소하였고, 초기의 기본 모델(3,571kg)보다 약 1,495kg 감소하였다. As shown in FIG. 14, a redesign has been performed to perform the dimension optimization process based on the phase optimization analysis result. The mass of the regenerated model was reduced by 919kg compared to the phase optimized model (2,995kg) by 2,076kg and decreased by about 1,495kg from the initial basic model (3,571kg).
치수 최적화 모델의 유한요소해석 결과는 도 15에 도시하였다. 도시된 바와 같이 그 결과는 위상 최적화된 모델의 응력 분포와 유사하지만 응력이 위상 최적화된 모델보다 광범위하게 분포되고 응력도 약간 상승한 것을 알 수 있었다. 최대 응력의 위치는 초기의 기본 모델과 같이 하부 베이스판과 지지대는 곳에 나타났으며, 최대 응력값은 311MPa로 이 값은 재료의 탄성한도 내의 항복응력을 초과하지 않기 때문에 구조적으로 안전한 것으로 판단된다. The finite element analysis results of the dimension optimization model are shown in Fig. As shown, the results are similar to those of the phase-optimized model, but the stress is distributed more widely than the phase-optimized model and the stress is slightly increased. The position of the maximum stress is shown in the lower base plate and the support as in the initial basic model, and the maximum stress value is 311 MPa, which is considered to be structurally safe because it does not exceed the yield stress in the elastic limit of the material.
상기한 바와 같이 윈들러스 베이스 프레임의 최적 형상을 모델링 하여 구조해석을 수행한 결과, 구조적으로 안전한 응력 분포를 보였으며, 위상 최적화 모델은 초기의 기본 모델보다 질량이 약 16% 감소되었고, 최종적으로 수립된 치수 최적화 모델은 기본 모델보다 질량이 약 41% 감소되는 효과를 얻을 수 있었다.As a result of the structural analysis by modeling the optimum shape of the windlass base frame as described above, the structural stress distribution was shown. The phase optimization model showed a mass reduction of about 16% compared to the initial basic model, The dimensioned optimization model showed a mass reduction of about 41% than the basic model.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the inventions. It will be apparent to those of ordinary skill in the art.
Claims (4)
설계 조건에 따른 형상 및 규격을 구비한 윈들러스 베이스 프레임의 기본 모델을 설계하는 기본 모델 수립 단계;
상기 기본 모델에 위상 최적화를 적용할 부분과 적용하지 않을 부분을 구분하여 설정하는 위상 최적화 설계 및 비설계 영역 설정 단계; 및
상기 기본 모델에 위상 최적화를 수행하여 설계 영역이 최적의 위상을 갖는 위상 최적화 모델을 재설계하는 위상 최적화 모델 수립 단계
를 포함하는 윈들러스 베이스 프레임의 경량화 설계 방법.
A method of designing a base frame of a windlass installed on a ship,
A basic model designing step of designing a basic model of a windlass base frame having a shape and a size according to design conditions;
A phase optimization design and a non-design region setting step of setting a portion to be subjected to phase optimization and a portion not to be applied to the basic model separately; And
A phase optimization model establishing step of performing phase optimization on the basic model to redesign the phase optimization model in which the design region has an optimal phase
And a weight of the windlass base frame.
상기 위상 최적화 모델에 치수 최적화를 적용할 부분과 적용하지 않을 부분을 구분하여 설정하는 수치 최적화 설계 및 비설계 영역 설정 단계; 및
상기 위상 최적화 모델에 치수 최적화를 수행하여 설계 영역이 최적의 치수를 갖는 치수 최적화 모델을 재설계하는 치수 최적화 모델 수립 단계
를 더 포함하는 윈들러스 베이스 프레임의 경량화 설계 방법.
The method according to claim 1,
A numerical optimization design and a non-design area setting step of setting a portion to be subjected to dimension optimization and a portion not to be applied to the phase optimization model separately; And
A dimension optimization model setting step of performing a dimension optimization on the phase optimization model to redesign the dimension optimization model in which the design area has an optimum dimension
The weight of the windlass base frame is reduced.
상기 위상 최적화 설계 및 비설계 영역 설정 단계는 하중이 직접 가해지는 부분과 구속조건이 부여되는 부분을 비설계 영역으로 설정하고 나머지 모든 부위를 설계 영역으로 설정하는 윈들러스 베이스 프레임의 경량화 설계 방법.
The method according to claim 1 or 2,
Wherein the phase optimization design and the non-design region setting step set the portion where the load is directly applied and the portion to which the restraint condition is given to the non-design region and all the remaining portions are set as the design region.
상기 치수 최적화 설계 및 비설계 영역 설정 단계는 하중이 직접 가해지는 부분과 구속조건이 부여되는 부분을 비설계 영역으로 설정하고 나머지 모든 부위를 설계 영역으로 설정하는 윈들러스 베이스 프레임의 경량화 설계 방법.The method of claim 2,
Wherein the dimension optimization design and the non-design area setting step are set as a non-design area and a rest area as a design area, respectively.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101660174B1 (en) * | 2015-06-19 | 2016-09-26 | 목포대학교산학협력단 | Design method of the Quick Connect/Disconnect Coupler of the marine loading arm |
| KR20160122424A (en) | 2015-04-14 | 2016-10-24 | 대우조선해양 주식회사 | Methdo for Optimizing Analysed Model based on Lightweight Models |
| KR20200107275A (en) * | 2019-03-07 | 2020-09-16 | 한국항공우주산업 주식회사 | Optimization design method applying fail-safe concept |
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2013
- 2013-05-07 KR KR1020130051111A patent/KR20140132075A/en not_active Application Discontinuation
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