KR20200094559A - 판재의 자연곡 가부 판단 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 판재의 자연곡 가부 판단 방법에 관한 것으로서, 곡면 형성이 요구되는 판재의 제원을 입력받는 단계; 상기 판재가 지지되는 복수 개의 핀 지그들의 정보를 입력받는 단계; 상기 판재 및 상기 핀 지그의 정보, 요구되는 곡면 정보를 토대로 유한요소법을 이용해 상기 판재에 대한 부분적 탄성 변형을 계산하는 단계; 및 상기 탄성 변형이 기설정값 이내로 확인되면 상기 판재에 대해 자연곡 형성이 가능한 것으로 판별하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

판재의 자연곡 가부 판단 방법{determining method for possibility of curve by self-weight for plate}

본 발명은 판재의 자연곡 가부 판단 방법에 대한 것이다.

선박은 다양한 형상의 판재가 서로 조립되어 블록을 형성하고, 블록을 도크 내에서 서로 연결하여 제작하는 방법으로 건조된다. 이때 선박을 구성하는 판재들의 형태는 평판, 곡판 등으로 매우 다양하다.

이러한 판재는 기본적으로 평평한 형태로 생산되기 때문에, 평판과 평판의 연결은 자동 판계 용접을 통해 간편하게 이루어질 수 있다. 반면 곡판의 경우에는, 도 1에 나타난 바와 같이 평판을 구부리는 곡가공을 수행하여 제작된 곡판들을 서로 연결하는 방식이 사용된다.

그런데 곡판의 경우에는 평판과 달리 평평한 정반에 놓고 용접을 수행할 수 없기 때문에, 곡판을 서로 연결하기 위해서는 높이 조절이 가능한 다수의 핀 지그가 사용된다.

구체적으로 곡판이 이루는 곡선에 대응되도록 다수의 핀 지그를 배열한 뒤, 핀 지그들 상에 곡판들을 배열한 뒤 용접 부위에 대하여 자동/수동 용접을 수행하게 된다.

다만 이와 같이 용접 전에 곡가공을 수행하는 방법은, 용접 전의 판재 수에 따라 곡가공이 이루어져야 하므로 작업이 지연되고, 곡가공된 곡판들을 서로 연결할 때 연결 부위에 대한 정도 관리가 문제될 수 있다.

따라서 도 2에 나타난 바와 같이 곡가공을 수행없이 용접 후 전체 판재의 곡률을 형성하는 방법이 개발되었으며, 이때 판재는 자중에 의해 휘어지는 자연곡 상태이다.

즉 용접 후 판재에 요구되는 곡면을 고려하여 핀 지그들을 배치해두고, 평판을 서로 연결한 판재를 핀 지그들 상에 올려놓아, 판재의 자중에 의하여 판재가 자연스럽게 휘어지면서 곡면을 형성하도록 한다.

이러한 방법은 자동 용접의 사용이 가능하고, 곡가공을 수행할 필요가 없으므로 작업이 매우 효율적이다. 그러나 자중에 의한 곡면 형성 방법을 사용하기 위해서는, 자중 처짐에 의해 원하는 휘어짐이 가능한지에 대한 판단이 선행되어야 한다.

종래에는 판재를 단순 지지보로 취급하여 판단하였으나, 이는 판재가 휘어져서 종횡곡이 존재하는 일반 곡면이 될 경우 적용 할 수 없다. 또한 실린더 면처럼 한 방향에만 곡률이 존재하여 보로 취급 가능할 때 조차도 양단에서만 판재를 지지하는 조건은 그 사이에 존재하는 핀지그와 판재와의 접촉 현상을 무시하므로 올바른 경계 조건이 아니다. 따라서 종래의 판단은 현상을 지나치게 단순화한 나머지 오류를 포함하고 있는 것이다.

선박 생산에 대한 효율성 개선 요구가 절실한 현재 상황에서, 위와 같은 판단을 대체하기 위하여 올바른 물리적 근거에 기반하고 이를 자동화 할 수 있는 기술의 개발이 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 자중에 의한 처짐을 통해 원하는 곡면 형성이 가능한지 여부를 자동으로 판단해 줄 수 있는 판재의 자연곡 가부 판단 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 판재의 자연곡 가부 판단 방법은, 곡면 형성이 요구되는 판재의 제원을 입력받는 단계; 상기 판재가 지지되는 복수 개의 핀 지그들의 정보를 입력받는 단계; 상기 판재 및 상기 핀 지그의 정보, 요구되는 곡면 정보를 토대로 유한요소법을 이용해 상기 판재에 대한 부분적 탄성 변형을 계산하는 단계; 및 상기 탄성 변형이 기설정값 이내로 확인되면 상기 판재에 대해 자연곡 형성이 가능한 것으로 판별하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 부분적 탄성 변형을 계산하는 단계는, 요구되는 곡률에 따른 곡면 형상의 상기 판재에 상기 핀 지그가 일체화된 가상의 모델을 생성하는 단계; 및 상기 모델에 대해 상기 판재의 자중, 상기 곡면 형상을 토대로 유한요소법을 이용해 부분적 탄성 변형을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 부분적 탄성 변형은, 음 또는 양의 값인 인장값 또는 압축값으로 계산되며, 자연곡 형성이 가능한 것으로 판별하는 단계는, 부분적 탄성 변형의 인장값 중 최대값을 기설정값과 대비할 수 있다.

구체적으로, 상기 부분적 탄성 변형을 계산하는 단계는, 상기 부분적 탄성 변형이 인장으로 나타난 핀 지그를 상기 모델에서 삭제한 뒤, 유한요소법을 반복적으로 이용해 부분적 탄성 변형을 다시 계산할 수 있다.

구체적으로, 상기 부분적 탄성 변형을 계산하는 단계는, 상기 부분적 탄성 변형이 인장으로 나타난 핀 지그가 상기 모델에서 모두 삭제되면, 유한요소법을 이용해 다시 계산된 상기 부분적 탄성 변형을 상기 곡면 정보와 대비하여 이격 거리를 계산하는 단계를 더 포함하고, 자연곡 형성이 가능한 것으로 판별하는 단계는, 상기 이격 거리 중 최대값을 기설정값과 대비할 수 있다.

구체적으로, 상기 기설정값은, 5 내지 20mm일 수 있다.

본 발명에 따른 판재의 자연곡 가부 판단 방법은, 유한요소 해석법 등을 사용하여 판재에 대한 자연곡 가능 여부를 자동으로 판단해 줌으로써, 선박 건조 과정에서 생산성을 혁신적으로 개선할 수 있다.

도 1은 종래의 곡가공 후 용접하는 판재 처리 방법의 개념도이다.
도 2는 평판 용접 후 자연곡 변형하는 판재 처리 방법의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 판재의 자연곡 가부 판단 방법에서 사용되는 모델의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 판재의 자연곡 가부 판단 방법의 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 판재의 자연곡 가부 판단 방법의 핀 지그 배치도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 판재의 자연곡 가부 판단 방법의 순서도이다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 판재의 자연곡 가부 판단 방법의 결과를 나타내는 도면이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 판재의 자연곡 가부 판단 방법에서 사용되는 모델의 개념도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 판재의 자연곡 가부 판단 방법의 개념도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 판재의 자연곡 가부 판단 방법의 핀 지그 배치도이다.

또한 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 판재의 자연곡 가부 판단 방법의 순서도이고, 도 7 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 판재의 자연곡 가부 판단 방법의 결과를 나타내는 도면이다.

도 3 내지 도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 판재의 자연곡 가부 판단 방법은, 판재의 제원을 입력받는 단계, 핀 지그들의 정보를 입력받는 단계, 유한요소법(Finite Element Method, FEM)으로 탄성 변형을 계산하는 단계, 판재에 대해 자연곡 형성이 가능한 것인지를 판별하는 단계를 포함한다.

판재의 제원을 입력받는 단계는, 곡면 형성이 요구되는 판재(주판)의 제원을 입력받는다. 이때 곡면 형성이라 함은 2차원 곡면 또는 3차원 곡면 등으로의 가공을 의미할 수 있고, 곡면이라 함은 평판이나 절곡판이 아닌 적어도 부분적으로 곡면이 형성되어야 하는 모든 형태의 면을 포함하는 것일 수 있다.

본 단계에서 입력받는 제원은, 판재의 자중, 두께, 재질 등을 포함할 수 있으며, 후술할 유한요소법에 따른 해석에 필요한 모든 제원이 입력될 수 있다. 판재의 제원 입력은 사용자에 의해 수동으로 수행될 수 있고, 또는 별도의 시스템을 통해 자동으로 이루어질 수도 있다.

참고로 본 발명에서의 판재는, 적어도 둘 이상의 평판이 서로 용접된 후 곡면 형성되어야 하는 판재이거나, 또는 하나의 평판이 용접 없이 곡면 형성되어야 하는 판재일 수 있다.

즉 본 발명에서 자연곡 형성이 가능한지가 판별되는 판재는, 곡면 형성 전에 용접에 의한 연결이 선행되는지 여부는 제한되지 않는다. 다만 곡면 형성 전에 용접이 선행되는 판재의 경우에는, 용접에 대한 정보가 판재의 제원에 포함되어 입력될 수 있을 것이다.

핀 지그들의 정보를 입력받는 단계는, 판재가 지지되는 복수 개의 핀 지그들의 정보를 입력받는다. 본 발명의 판재는 자연곡 형성이 수행되는지 여부가 판별될 것이며, 자연곡 형성이라 함은 핀 지그들에 의해 지지되는 판재가 자중에 의해 핀 지그들의 배치에 맞게 휘어지면서 곡면을 형성하는 것을 의미한다.

따라서 본 단계에서는, 판재의 자연곡 형성을 위해 사용될 수 있는 핀 지그들의 수, 간격, 배열형태, 높이, 지지하중 등의 제원 정보를 입력받고, 이를 판재의 제원 정보와 통합해 모델을 생성할 수 있다.

유한요소법으로 탄성 변형을 계산하는 단계는, 판재 및 핀 지그의 정보, 판재에 요구되는 곡면 정보를 토대로 유한요소법을 이용해 판재에 대한 부분적 탄성 변형을 계산한다.

구체적으로 본 단계는, 판재와 핀 지그가 일체화된 모델을 생성하는 단계와, 모델에 대해 유한요소법을 적용하는 단계와, 일부 핀 지그를 모델에서 삭제하고 유한요소법을 다시 적용하되, 핀 지그의 삭제가 완료된 후 유한요소법으로 계산된 부분적 탄성 변형을 곡면 정보와 대비하는 단계를 포함할 수 있다.

모델을 생성하는 단계는, 판재에 요구되는 곡률에 따른 곡면 형상의 판재에 핀 지그들이 일체화된 가상의 모델을 생성할 수 있다. 이에 대해서는 도 3에 나타난 바와 같다.

요구되는 곡면 정보에 따라 곡면 형태를 갖는 판재를 생성하고, 판재가 핀 지그들에 의해 지지되는 형태를 판재와 핀 지그의 일체화 모델로 생성할 수 있다.

이때 핀 지그들은 판재에 고정적으로 일체화된 것으로 가정되며, 판재는 plate 구조요소가 되고 핀 지그는 bar 구조요소가 된다. 다만 본래 핀 지그들과 판재 사이에는 탄성접촉변형이 발생할 수 있지만, 본 발명이 다루는 곡면은 곡률이 크지 않을 수 있으므로, sliding은 무시될 수 있고 핀 지그는 판재에 고정 부착된 것으로 간주될 수 있다.

모델에 대해 유한요소법을 적용하는 단계는, 모델에 대해 판재의 자중, 곡면 형상을 토대로 유한요소법을 이용해 부분적 탄성 변형을 계산한다. 도 3을 참조하면, 판재의 초기 핀 지그 접촉 곡면은 요구되는 곡면 정보에 따라 V(x, y)로 나타날 수 있다.

이때 핀 지그의 접촉과 판재의 자중, 초기 곡면 형상(V)에 의하여 나타나는 핀 지그의 탄성 변형(W)이 유한요소법을 토대로 계산될 수 있다. 핀 지그에 대한 부분적 탄성 변형은 탄성변형량인 W(x, y)로 나타나며, 도 3에서와 같이 W 값이 음의 값이면 해당 핀 지그는 인장, W 값이 양의 값이면 해당 핀 지그는 압축됨을 의미할 수 있다. 즉 부분적 탄성 변형은, 음 또는 양의 값인 인장값 또는 압축값으로 계산된다.

이러한 계산 단계는 반복적으로 수행될 수 있다. 도 4를 참조하면, 1회 계산 시 W 값이 음의 값(인장값)으로 나타나는 핀 지그를 모델에서 삭제한 뒤, 유한요소법을 다시 이용하여 부분적 탄성 변형을 재계산할 수 있다.

다시 계산하였을 때에도 탄성 변형이 인장으로 나타나는 핀 지그가 존재하면, 다시 해당 핀 지그의 모델 삭제 및 유한요소법 계산이 반복될 수 있으며, 반복되는 과정에서 핀 지그의 부분적 삭제로 인해, 부분적 탄성 변형이 다르게 나타날 수 있다.

이러한 반복 계산이 이루어지면(완료되면), 도 5에 나타난 바와 같이 판재를 지지하는 핀 지그들 중 인장 변형이 나타나는 핀 지그들이 모델에서 삭제되어 있을 수 있다.

부분적 탄성 변형을 곡면 정보와 대비하는 단계는, 탄성 변형이 인장값으로 나타나는 핀 지그들의 삭제가 완료되면, 유한요소법에 의해 다시 계산된 부분적 탄성 변형을 곡면 정보와 대비하여 이격 거리를 계산할 수 있다.

탄성 변형은 삭제된 핀 지그들에 대해서는 인장값으로 나타날 것이며, 인장값인 W(x, y)를 초기 곡면 형상인 V(x, y)와 대비하여, W - V인 이격 거리를 계산하게 된다.

이격 거리의 계산 결과는 도 7 내지 도 10에 나타난 바와 같으며, 이격 거리로 인한 자연곡 형성 가부 판단은 이하에서 자세히 설명한다.

판재에 대해 자연곡 형성이 가능한 것인지를 판별하는 단계는, 탄성 변형이 기설정값 이내로 확인되면 판재에 대해 자연곡 형성이 가능한 것으로 판별한다. 이때 기설정값과 대비되는 탄성 변형은, 부분적 탄성 변형의 인장값 중 최대값일 수 있다.

부분적 탄성 변형의 인장이 일정 이상으로 확인되면, 이는 자연곡 형성을 진행할 경우 판재가 원하는 목적곡 형상을 크게 벗어날 정도로 변형됨을 의미하는 것이므로, 자연곡 형성이 불가능하다고 판별할 수 있다.

구체적으로, 본 단계는 앞서 부분적 탄성 변형을 곡면 정보와 대비하여 계산된 이격 거리를 활용할 수 있다. 이격 거리는 인장값을 직접적으로 나타내는 척도가 되며, 기설정값과 단순 대비하여 자연곡 형성의 가부가 판단될 수 있다.

일례로 기설정값은 5 내지 20mm(바람직하게는 9mm 내외)일 수 있으며, 본 단계는 앞서 계산된 이격 거리가 9mm를 넘어설 경우에는 해당 판재에 대해 자연곡 형성이 불가능하다고 판별하게 된다.

도 7의 경우 각 핀 지그 위치에 대해 계산된 이격 거리들을 비교해보면, 최대 이격 거리가 64.4mm로 확인된다. 이는 기설정값인 9mm를 한참 상회하는 것으로서, 본 판재는 자연곡 형성이 불가능하다.

반면 도 8의 경우에는 최대 이격 거리가 0.4mm로서, 기설정값보다 작은 것이 확인되는 바, 본 판재에 대해서는 자연곡 형성이 가능하다. 추가로 도 9의 경우에는 최대 이격 거리가 35.1mm이므로 자연곡 형성이 불가, 도 10의 경우에는 최대 이격 거리가 1.0mm이므로 자연곡 형성이 가능하다.

이러한 프로세스에 대해 도 6을 참고하여 정리해 설명한다.

본 발명은 먼저 판재 및 핀 지그의 정보를 입력 받게 되며, 정보들을 토대로 모델을 생성한 뒤 유한요소법에 따른 해석을 수행한다. 이때 유한요소법 해석을 위한 구체적인 내용은 종래에 널리 알려져 있는 방법을 활용할 수 있으므로 자세한 설명은 생략한다.

유한요소해석 이후 핀 지그에 대해 인장으로 확인되는 경우에는, 해당 핀 지그를 모델에서 삭제한 뒤 유한요소해석을 반복하게 된다. 인장으로 확인된 삭제되지 않은 핀 지그가 없을 때까지 유한요소해석이 반복되었다가 종료될 수 있다.

최종 해석 결과에 대해, 본 발명은 이격 거리를 계산할 수 있으며, 이격 거리 모두가 기설정값(적용기준) 이내에 포함된다면, 자연곡 형성 가능으로 판별할 수 있다.

이와 같이 본 실시예는, 단순한 계산식에 의존하여 자연곡 형성 가부를 판단했던 종래 기술을 개선하여, 자연곡 형성이 가능한 판재를 자동 판별해 줌으로써 생산 효율성을 혁신적으로 개선할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 실시예들을 중심으로 본 발명을 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 기술내용을 벗어나지 않는 범위에서 실시예에 예시되지 않은 여러 가지의 조합 또는 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 실시예들로부터 용이하게 도출가능한 변형과 응용에 관계된 기술내용들은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (6)

1. 곡면 형성이 요구되는 판재의 제원을 입력받는 단계;
   상기 판재가 지지되는 복수 개의 핀 지그들의 정보를 입력받는 단계;
   상기 판재 및 상기 핀 지그의 정보, 요구되는 곡면 정보를 토대로 유한요소법을 이용해 상기 판재에 대한 부분적 탄성 변형을 계산하는 단계; 및
   상기 탄성 변형이 기설정값 이내로 확인되면 상기 판재에 대해 자연곡 형성이 가능한 것으로 판별하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 판재의 자연곡 가부 판단 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 부분적 탄성 변형을 계산하는 단계는,
   요구되는 곡률에 따른 곡면 형상의 상기 판재에 상기 핀 지그가 일체화된 가상의 모델을 생성하는 단계; 및
   상기 모델에 대해 상기 판재의 자중, 상기 곡면 형상을 토대로 유한요소법을 이용해 부분적 탄성 변형을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 판재의 자연곡 가부 판단 방법.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 부분적 탄성 변형은, 음 또는 양의 값인 인장값 또는 압축값으로 계산되며,
   자연곡 형성이 가능한 것으로 판별하는 단계는,
   부분적 탄성 변형의 인장값 중 최대값을 기설정값과 대비하는 것을 특징으로 하는 판재의 자연곡 가부 판단 방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 부분적 탄성 변형을 계산하는 단계는,
   상기 부분적 탄성 변형이 인장으로 나타난 핀 지그를 상기 모델에서 삭제한 뒤, 유한요소법을 반복적으로 이용해 부분적 탄성 변형을 다시 계산하는 것을 특징으로 하는 판재의 자연곡 가부 판단 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 부분적 탄성 변형을 계산하는 단계는,
   상기 부분적 탄성 변형이 인장으로 나타난 핀 지그가 상기 모델에서 모두 삭제되면, 유한요소법을 이용해 다시 계산된 상기 부분적 탄성 변형을 상기 곡면 정보와 대비하여 이격 거리를 계산하는 단계를 더 포함하고,
   자연곡 형성이 가능한 것으로 판별하는 단계는,
   상기 이격 거리 중 최대값을 기설정값과 대비하는 것을 특징으로 하는 판재의 자연곡 가부 판단 방법.
6. 제 3 항에 있어서, 상기 기설정값은,
   5 내지 20mm인 것을 특징으로 하는 판재의 자연곡 가부 판단 방법.

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