KR20200110903A - 선박 구조 피로손상도 모니터링 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

선박 구조 피로손상도 모니터링 시스템 및 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 구조 피로손상도 모니터링 시스템은, 피로손상도를 구하고자 하는 위치에 대한 글로벌 응력 및 로컬 응력을 계산하는 응력 계산부; 상기 글로벌 응력 및 상기 로컬 응력을 이용하여 선박 구조에 대한 응력 전달함수를 계산하는 응력 전달함수 조합부; 및 상기 응력 전달함수와 해상상태의 파스펙트럼(wave spectrum) 및 피로선도를 이용하여 상기 해상상태에 대응하는 실시간 피로손상도를 획득하는 피로손상도 획득부를 포함할 수 있다.

Description

선박 구조 피로손상도 모니터링 시스템 및 방법{System and method for monitoring fatigue damage of vessel structure}
본 발명은 선박 구조 피로손상도 모니터링 시스템 및 방법에 관한 것이다.
선박 구조는 전 생애(약 20년) 동안 조우할 가능성이 있는 최대의 환경 하중 하에서도 견딜 수 있도록 설계된다. 이러한 관점에서 지금까지 알려진 바에 따르면 북대서양(North Atlantic) 지역의 해상 환경이 가장 거친 것으로 알려져 있으며, 따라서 운항 지역이 제한되지 않는 보통의 선박 구조는 북대서양 해상조건을 기준으로 20년에 한 번 조우할 수 있는 확률의 해상 상태 하에서 견딜 수 있도록 설계가 이루어진다.
선박 구조의 피로강도 관점에서도 역시 북대서양 지역을 20년 동안 운항하여도 크랙이 발생하지 않는 조건으로 설계할 것이 요구된다. 하지만, 대부분의 선박은 북대서양 해역만을 운항하지는 않으며, 북대서양 지역을 근거로 운항하고 있는 선사들도 대부분 실시간 해상 환경을 고려하여 항로와 일정을 조금씩 수정하면서 운항하고 있다.
따라서, 동일 선형, 동일 설계 조건에서 건조된 선박이라 할지라도 인도 후 몇 년이 지나면 각 선박이 조우했던 해상상태에 따라서 선박 구조에 누적된 피로손상도(이하 누적 피로손상도(accumulated fatigue damage))는 차이가 날 수 있으며, 궁극적으로 선박의 잔존 구조 수명도 상이할 수 있다.
하지만, 특정 시점에서 선박의 누적 피로손상도는 외견상으로는 확인할 수 없다. 이를 알기 위해서는 선박이 일생 동안 조우한 모든 해상상태를 고려하여 누적 피로손상도를 계산하여야 한다.
전술한 것과 같이 선박은 가장 극심한 해상조건을 가정하여 설계되므로, 이론적으로는 파랑 하중으로 인한 손상은 일어나지 말아야 한다. 그리고 피로 관점에서도 S-N 선도가 97.72%의 생존확률(크랙이 발생하지 않을 확률)을 가지므로, 선박이 지구 상의 어떤 해역에서 운항을 하더라도 2.28% 이하의 크랙 발생 확률을 가진다. 일반적으로 선박의 구조설계에서 피로수명의 마진을 추가로 주는 것을 고려하면, 이론적으로 선박에서 크랙은 발생할 수 없다고 말할 수 있다. 그럼에도 불구하고 아직도 여러가지 원인에 의하여 선박에 크랙이 발생하는 경우가 빈번하다. 특히 용접부는 잔류응력과 용접 비드(bead) 형상, 용접 결함 등의 복잡한 이유로 선박의 생애 동안 크랙의 발생 가능성이 여전히 존재한다.
인도된 선박에 크랙이 발생하여 클레임이 발생한 경우, 설계자는 크랙의 원인을 파악하는데, 이 때 선박이 운항한 해상상태를 파악하는 것은 매우 중요하다. 이를 파악함으로써 설계 상의 결함인지 제작 단계에서 작업자의 실수에 따른 것인지 판단할 수 있다. 설계 상의 문제라면 유사 선박에 대하여 모두 조치를 취해야 하고, 작업자의 실수에 따른 것이라면 유사 선박의 검사를 통하여 작업 상태를 확인하는 수준으로 마무리가 될 수도 있다.
설계 변경을 하고 수리를 하는 경우에도 선박이 조우한 해상상태에 대한 기록이 있다면 크랙이 발견된 수명과 조합하여 어느 정도 수준의 보강이 필요한지에 대한 유용한 정보를 얻을 수 있다.
이러한 관점에서 선박의 운항 중 실시간으로 조우하는 해상상태를 모니터링하고 해상상태에 따라 구조물에 발생하는 응력을 계산하고, 이로부터 선박의 누적 피로손상도를 실시간으로 평가하는 시스템이 유용하게 활용될 수 있다.
선박의 피로손상도를 실시간으로 평가하기 위한 가장 확실한 방법은 스트레인 게이지(strain gage)를 이용하여 변형률을 직접 계측하고 이로부터 응력을 추출한 후 S-N 선도를 이용하여 피로손상도를 평가하는 것이다. 그러나 이를 적용하기 위해서는 계측을 하고자 하는 위치에 스트레인 게이지를 직접 부착하고 이를 연결하는 시스템을 꾸려야 한다. 즉, 평가를 하고자 하는 위치가 많으면 하드웨어에 대한 투자비용이 크게 증가하고, 구역에 따라서는 스트레인 게이지의 설치 자체가 불가능한 부분도 있어, 계측에 의한 피로손상도 모니터링 방법은 현실성이 없을 것으로 판단된다. 또한, 스트레인 게이지를 설치한다 하더라도 열변형, 장기간 사용에 따라 발생할 수 있는 게이지의 신뢰성 저하 등에 의해 계측된 값을 분석하는 단계에서 여전히 오차가 발생할 수 있다.
한국공개특허 제10-2012-0047655호 (2012.05.14. 공개) - 선체 위험 상황 인지 시스템
본 발명은 비용이 적게 들고 높은 정도를 확보할 수 있는 계산에 근거한 구조해석 기반 선박 구조 피로손상도 모니터링 시스템 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 구조물에 발생하는 응력을 글로벌 응력과 로컬 응력으로 나누어 계산함으로써 실시간으로 피로손상도 모니터링이 가능하여 실용적으로 적용할 수 있는 구조해석 기반 선박 구조 피로손상도 모니터링 시스템 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 선박 구조에 대한 피로손상도를 모니터링하는 시스템으로서, 피로손상도를 구하고자 하는 위치에 대한 글로벌 응력 및 로컬 응력을 계산하는 응력 계산부; 상기 글로벌 응력 및 상기 로컬 응력을 이용하여 선박 구조에 대한 응력 전달함수를 계산하는 응력 전달함수 조합부; 및 상기 응력 전달함수와 해상상태의 파스펙트럼(wave spectrum) 및 피로선도를 이용하여 상기 해상상태에 대응하는 실시간 피로손상도를 획득하는 피로손상도 획득부를 포함하는 선박 구조 피로손상도 모니터링 시스템이 제공된다.
상기 응력 계산부는 글로벌 모멘트 및 선체 단면의 단면 속성으로부터 상기 글로벌 응력을 계산하며, 상기 글로벌 모멘트는 수직굽힘모멘트(VBM)와 수평굽힘모멘트(HBM)를 포함할 수 있다.
선박이 컨테이너선인 경우, 상기 응력 계산부는 비틀림모멘트로부터 발생하는 응력을 길이방향 다수의 위치에서 가해지는 단위 비틀림모멘트로 구해진 응력영향계수와 유체역학 해석으로부터 구해진 비틀림모멘트를 곱한 값의 선형 중첩으로 구한 비틀림모멘트에 의한 응력영향계수를 상기 글로벌 응력에 추가할 수 있다.
상기 응력 계산부는 웹 프레임 사이의 스티프너에 가해지는 외부 압력인 파랑압력과, 가속도로부터 유발되는 내부 압력인 관성력에 의해 발생하는 발라스트 혹은 화물의 압력의 합을 로컬 응력으로 계산할 수 있다.
횡격벽 앞뒤의 웹 프레임의 상대변위에 의해 발생하는 압력이 상기 로컬 응력에 더 포함될 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 비용이 적게 들고 높은 정도를 확보할 수 있는 계산에 근거한 구조해석 기반 선박 구조 피로손상도 모니터링이 가능한 효과가 있다.
또한, 구조물에 발생하는 응력을 글로벌 응력과 로컬 응력으로 나누어 계산함으로써 실시간으로 피로손상도 모니터링이 가능하여 실용적으로 적용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조해석 기반 선박 구조 피로손상도 모니터링 시스템의 구성블록도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조해석 기반 선박 구조 피로손상도 모니터링 방법의 순서도,
도 3은 응력 계산을 위한 선박의 단면도.
본 발명은 다양한 변경을 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 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 명세서에 기재된 "…부", "…유닛", "…모듈", "…기" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조해석 기반 선박 구조 피로손상도 모니터링 시스템의 구성블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조해석 기반 선박 구조 피로손상도 모니터링 방법의 순서도이며, 도 3은 응력 계산을 위한 선박의 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 구조해석 기반 선박 구조 피로손상도 모니터링 시스템 및 방법은 구조물에 발생하는 응력을 글로벌 응력과 로컬 응력으로 나누어 계산하여 실시간 해상상태를 반영한 피로손상도 계산 및 모니터링이 가능하게 한 것을 특징으로 한다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 구조해석 기반 선박 구조 피로손상도 모니터링 시스템(100)은 응력 계산부(110), 응력 전달함수 조합부(120), 피로손상도 획득부(130)를 포함한다.
응력 계산부(110)는 선박 운항 중 선체 구조에 발생하는 응력을 계산한다. 선체 구조에 발생하는 응력은 글로벌 하중에 의한 응력인 글로벌 응력(global stress)과 로컬 하중에 의한 응력인 로컬 응력(local stress)으로 구분될 수 있다.
글로벌 응력에는 수직굽힘모멘트(VBM, Vertical Bending Moment)로부터 유발된 응력, 수평굽힘모멘트(HBM, Horizontal Bending Moment)로부터 유발된 응력이 포함된다(단계 S210). 선박이 컨테이너선인 경우, 비틀림모멘트(TM, Torsional moment)에 의한 응력이 글로벌 응력에 추가적으로 포함될 수 있다.
글로벌 응력은 글로벌 힘/모멘트(global force/moment)와 선체 단면의 단면 속성(sectional property)으로부터 구할 수 있다. 글로벌 힘/모멘트는 수직굽힘모멘트와 수평굽힘모멘트를 포함한다.
비틀림에 의한 응력이 작은 것으로 알려져 있는 일반적인 선박의 경우, 글로벌 응력(
Figure pat00001
)은 수학식 1과 같이 수직굽힘모멘트(VBM)와 수평굽힘모멘트(HBM)의 조합으로 구할 수 있다.
Figure pat00002
여기서,
Figure pat00003
는 선체 수평방향 축에 대한 단면의 단면계수(section modulus)이고,
Figure pat00004
는 선체 수직방향 축에 대한 단면의 단면계수이다.
컨테이너선과 같이 비틀림모멘트로부터 유발되는 뒤틀림(warping)에 의하여 비틀림모멘트(TM)에 의한 응력이 크게 작용하는 경우, 다음과 같이 유한요소해석법 등을 이용하여 선체의 유한개의 단면에 작용하는 하중에 대한 임의의 위치에서 응력을 계산함으로써 비틀림모멘트에 의한 응력영향계수(Stress Influence Coefficient)를 구할 수 있다.
Figure pat00005
여기서,
Figure pat00006
는 j번째 station에서 단위 TM에 의하여 발생하는 i번째 위치에서의 응력으로 유한요소해석법 등의 구조해석을 통하여 추출될 수 있다.
Figure pat00007
는 j번째 스테이션에서 발생하는 비틀림모멘트이다.
즉, 컨테이너선에 있어서 비틀림 모멘트로부터 발생하는 응력을 길이방향 다수의 위치에서 가해지는 단위 비틀림 모멘트로 구해진 응력영향계수와 hydro dynamic 해석으로부터 구해진 비틀림 모멘트를 곱한 값의 선형 중첩으로 구할 수 있다.
컨테이너선의 경우 다음과 같이 글로벌 응력이 계산될 수 있다.
Figure pat00008
로컬 응력에는 웹 프레임(web frame) 사이의 스티프너(stiffener)에 가해지는 외부 압력(파랑압력) 및 가속도로부터 유발되는 내부 압력에 의해 발생하는 응력이 포함된다(단계 S220).
외판에 설치된 스티프너의 경우 로컬 응력은 파랑압력과 관성력에 의해 발생하는 발라스트(ballast) 혹은 화물에 의한 압력의 합으로 구해질 수 있다.
파랑압력은 유체역학(hydro dynamic) 해석으로부터 외판에 발생하는 압력을 직접 맵핑(mapping)하여 구할 수 있다. 가속도에 의한 발라스트 혹은 화물의 압력은 탱크 중심에서의 가속도를 유체역학 해석으로부터 다음과 같이 구할 수 있다.
Figure pat00009
Figure pat00010
,
Figure pat00011
,
Figure pat00012
는 각각 선체 길이방향, 횡방향, 높이방향 가속도이다.
Figure pat00013
는 파 주파수(wave frequency)이고,
Figure pat00014
는 선체 무게중심에서 계산 점까지의 길이방향 거리,
Figure pat00015
는 선체 무게중심에서 계산점까지의 폭방향 거리,
Figure pat00016
는 선체 무게중심에서 계산점까지 높이방향 거리이며,
Figure pat00017
는 피치 모션,
Figure pat00018
은 롤 모션,
Figure pat00019
는 요 모션을 나타내고,
Figure pat00020
는 중력 가속도이다.
Figure pat00021
,
Figure pat00022
,
Figure pat00023
는 각각 서지, 스웨이, 히브 모션을 나타낸다.
수학식 4에서와 같이 구해진 가속도에 저장화물의 밀도와 수두를 곱하여 압력을 계산한다. 압력이 구해지면 이로부터 빔(beam) 이론을 적용하여 계산점(hot spot)에서의 응력을 구할 수 있다.
빔 이론이라 함은 다음과 같다. 선박의 구조는 판(plate)에 보강재(stiffener)가 결합된 보강판 구조로 되어 있으며, 판에 압력이 가해지면 보강판에는 굽힘모멘트와 전단하중이 발생하고, 굽힘모멘트로 인하여 굽힘응력이 발생한다. 이러한 거동을 계산하려면 일반적으로 2차원 요소를 사용한 유한요소해석(Finite element analysis)를 수행하게 되는데 이 경우 모델링 시간이 많이 소요되므로, 보강판을 빔(beam)구조로 이상화하여 계산을 하면 훨씬 빠른 시간에 구조물에 발생하는 응력을 계산할 수 있다. 즉 보강판를 등가한 굽힘강성을 가지는 빔(beam)으로 이상화하여 계산을 하면 빠른 시간에 계산점(hot spot)에서 응력을 구할 수 있다.
추가적으로 횡격벽(transverse bulkhead) 앞뒤의 웹 프레임(web frame)의 상대변위(relative deflection)에 의해 발생하는 응력(상대변위 응력)이 로컬 응력에 더 포함될 수 있다. 횡격벽 사이에는 횡늑골(transverse web)이 복수 개 존재한다. 횡격벽은 공간을 분리하는 개념을 가지며, 동시에 수직방향과 횡방향 하중을 지지하는 역할을 한다. 웹 프레임은 횡격벽 사이에서 수직/횡방향 하중을 지지하는 역할을 한다.
응력 전달함수 조합부(120)는 응력 계산부(110)에 의해 계산된 글로벌 응력과 로컬 응력을 이용하여 응력 전달함수를 계산한다(단계 S230).
피로손상도를 구하고자 하는 위치(계산점)의 핫 스팟 응력(
Figure pat00024
)은 다음과 같이 글로벌 응력과 로컬 응력의 합에 응력 집중계수를 곱함으로써 계산할 수 있다.
Figure pat00025
Figure pat00026
는 응력 집중계수,
Figure pat00027
는 글로벌 응력,
Figure pat00028
은 로컬 응력,
Figure pat00029
은 상대변위 응력이다.
응력 전달함수(Transfer function 또는 RAO(Response Amplitude Operator))를 계산함에 있어서, 선박의 배수량, 흘수, 중량 정보 등을 기반으로 유체역학 해석을 수행하는 경우 선박에 발생하는 가속도 및 수면하부에 있는 외판에 대한 파도에 의한 압력의 전달함수(RAO)를 계산할 수 있다. 선박 구조모델의 각 노드 점에 유체역학 해석으로부터 얻어진 압력과 관성력(경화중량 요소의 질량 x 가속도 + 재화중량 요소의 질량 x 가속도)를 구조 모델에 작용하여 구조해석을 수행하면 임의의 위치에서 응력의 전달함수를 얻을 수 있다. 이는 일반적인 스펙트럼(spectral) 피로해석 방법으로, 많은 대형선박 및 해양구조물의 설계단계에서 적용하고 있는 방법이다. 하지만, 이 방법에는 해석에 시간이 많이 소요되고, 특히 선박의 중량정보가 바뀌게 되면 이에 따른 유체역학 해석과 구조해석을 다시 수행해야 하기 때문에 실시간 해상상태를 고려한 피로손상도 평가에는 적합하지 못한 면이 있다.
따라서, 본 실시예에서는 구조물에 발생하는 응력을 글로벌 응력과 로컬 응력으로 나누어 계산함으로써, 실시간 피로손상도 모니터링이 가능하게 한다.
피로손상도 획득부(130)는 응력 전달함수를 이용하여 선박 구조에 대한 피로손상도를 실시간으로 획득한다(단계 S240). 단기 해상상태의 피로손상도는 다음과 같이 구할 수 있다.
Figure pat00030
여기서,
Figure pat00031
는 고려하는 기간 동안 발생하는 응력 범위의 개수이고,
Figure pat00032
는 응력범위(stress range)이며,
Figure pat00033
는 응력범위의 확률밀도함수(probability density function of stress range)이고,
Figure pat00034
는 피로선도(S-N 선도)에서
Figure pat00035
응력범위에 해당하는 응력범위 회수(the number of cycle which make failure at stress range of
Figure pat00036
)이다.
피로선도(S-N 선도)는 다음과 같이 표현된다.
Figure pat00037
여기서, N은 특정 변동응력 수준
Figure pat00038
조건에서 피로크랙이 발생하는 반복횟수(실험에서 구함)이고, a는 S-N 선도의 상수(N축 절편)이며, m 은 S-N 선도의 기울기이다.
수학식 7을 수학식 6에 대입하면, 피로손상도 D는 다음과 같이 표현된다.
Figure pat00039
유의파고(Hs)와 최빈주기(Tp) 또는 평균주기(Tz)로 대표되는 단기해상상태(일반적으로 3시간 동안의 파랑조건)에서의 피로손상도는 파도의 높이가 레일리(Rayleigh) 분포를 따른다는 가정 하에서 다음과 같이 단기해상상태의 응력의 확률밀도 함수가 표현될 수 있다.
Figure pat00040
여기서,
Figure pat00041
는 스펙트럼 모멘트, n은 스펙트럼 모멘트의 차수,
Figure pat00042
는 응력 스펙트럼,
Figure pat00043
는 파 주파수(wave frequency),
Figure pat00044
는 유의파고(significant wave height),
Figure pat00045
는 최빈주파수(peak frequency),
Figure pat00046
는 응력전달함수(Transfer function)이다.
수학식 9를 수학식 6에 대입하고, 감마함수(gamma function)를 도입하면 2개의 기울기(2 slope)를 가지는 S-N 선도를 적용한 피로손상도는 다음과 같이 계산된다.
Figure pat00047
Figure pat00048
는 파의 평균 주파수 (mean zero up crossing frequency, Hz)이고,
Figure pat00049
는 구조물의 사용 수명(요구되는 피로수명, sec)이며,
Figure pat00050
는 기울기가 2가지인 (2-slope) S-N 선도에서 기울기가 변하는 지점의 변동응력 값이다.
여기서, 감마함수는
Figure pat00051
과 같이 표현되는 함수로서, 크기가 다른 응력이 불규칙적으로 작용하는 해상상태에서 피로손상도를 하나의 적분식으로 표현할 수 있게 한다.
이처럼 응력의 전달함수와 해상상태의 파스펙트럼(wave spectrum), 그리고 S-N 선도를 이용하여 해상상태에 대응하는 피로손상도의 계산이 가능하다.
여기서, 스펙트럼은 피어슨-모스크비치(Pierson-Moskwitz(PM)) 스펙트럼과 존스왑(JONSWAP) 스펙트럼 등을 사용할 수 있으며, 다음과 같은 수학식을 가진다.
Figure pat00052
Figure pat00053
여기서,
Figure pat00054
는 PM 스펙트럼,
Figure pat00055
는 피크 형상 파라미터(peak shape parameter),
Figure pat00056
는 스펙트럼 폭 파라미터(spectral width parameter),
Figure pat00057
이다.
파스펙트럼의 종류는 선박이 조우하는 해상의 파특성에 따라 선택될 수 있다. 대양에서는 막힌 공간이 없어 파도가 생길 수 있도록 바람이 충분한 에너지를 공급할 수 있다. 연안은 육지가 있어 바람에 의한 에너지 공급에 교란이 있을 수 있다. 따라서, 대양을 지나는 경우에는 PM 스펙트럼을 사용하고 연안에서는 JONSWAP 스펙트럼을 사용할 수 있다.
또한, 이때 입력되는 유의파고 및 최빈파주파수(또는 파주기)는 선박에 설치되는 계측장비로부터 계측되는 값을 사용하거나 또는 관련 업체(예컨대, WNI, AWT 등)로부터 제공되는 해상상태 정보로부터 추출하여 사용할 수도 있다.
본 실시예에서 모니터링 대상이 되는 선박의 운항 중 적재 조건이 바뀌게 되면 적용되는 유체역학 해석 결과도 바뀌어야 한다. 이는 설계 단계에서 다수의 발생 가능한 조건을 선택하고 미리 해석을 해 놓은 뒤, 운항 중 조건와 유사한 조건을 선택하여 적용할 수 있다. 이때 배수량, 흘수, 무게중심, 그리고 GM이 유사한 조건을 선택하기 위한 기준이 될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 설계단계에서 유체역학 해석, 단면 속성 계산, 빔 이론을 이용한 로컬 압력에 따른 응력의 해석 및 응력에 따른 피로손상도 계산 등의 일체 시스템을 사전에 준비하고, 선박 운항 중에 적재(loading) 조건 및 해상 조건의 변화에 따라 유체역학 해석 결과의 선택과 해상상태를 실시간으로 입력받아서 실시간으로 선박의 피로손상도를 계산할 수 있다.
이렇게 계산된 피로손상도는 디스플레이 장치를 통해 실시간으로 운전자가 확인할 수 있게 할 수 있다. 또한, 육상(지상)에 설치되는 관제소(관제시스템)에도 실시간으로 전송하여 관제소에서 선박 구조의 피로손상도를 모니터링할 수도 있다.
또한, 피로손상도 획득부(130)는 실시간 피로손상도를 일정 주기로 반복하여 계산하고 그 결과를 누적함으로써 누적 피로손상도(accumulated fatigue damage)를 확보할 수도 있다(단계 S250). 여기서, 계산 주기는 해상상태의 통계적 특성(유의파고(Hs) 및 최빈주기(Tp))이 일정하게 유지되는 시간으로, 3~5시간 정도일 수 있다.
전술한 선박 구조 피로손상도 모니터링 방법은, 컴퓨터에 의해 실행되는 애플리케이션이나 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행가능한 명령어를 포함하는 기록매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터 저장 매체를 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독 가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다.
전술한 선박 구조 피로손상도 모니터링 방법은, 단말기에 기본적으로 설치된 애플리케이션(이는 단말기에 기본적으로 탑재된 플랫폼이나 운영체제 등에 포함된 프로그램을 포함할 수 있음)에 의해 실행될 수 있고, 사용자가 애플리케이션 스토어 서버, 애플리케이션 또는 해당 서비스와 관련된 웹 서버 등의 애플리케이션 제공 서버를 통해 마스터 단말기에 직접 설치한 애플리케이션(즉, 프로그램)에 의해 실행될 수도 있다. 이러한 의미에서, 전술한 선박 구조 피로손상도 모니터링 방법은 단말기에 기본적으로 설치되거나 사용자에 의해 직접 설치된 애플리케이션(즉, 프로그램)으로 구현되고 단말기 등의 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 기록될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 선박 구조 피로손상도 모니터링 시스템 110: 응력 계산부
120: 응력 전달함수 조합부 130: 피로손상도 획득부

Claims (5)

  1. 선박 구조에 대한 피로손상도를 모니터링하는 시스템으로서,
    피로손상도를 구하고자 하는 위치에 대한 글로벌 응력 및 로컬 응력을 계산하는 응력 계산부;
    상기 글로벌 응력 및 상기 로컬 응력을 이용하여 선박 구조에 대한 응력 전달함수를 계산하는 응력 전달함수 조합부; 및
    상기 응력 전달함수와 해상상태의 파스펙트럼(wave spectrum) 및 피로선도를 이용하여 상기 해상상태에 대응하는 실시간 피로손상도를 획득하는 피로손상도 획득부를 포함하는 선박 구조 피로손상도 모니터링 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 응력 계산부는 글로벌 모멘트 및 선체 단면의 단면 속성으로부터 상기 글로벌 응력을 계산하며,
    상기 글로벌 모멘트는 수직굽힘모멘트(VBM)와 수평굽힘모멘트(HBM)를 포함하는 선박 구조 피로손상도 모니터링 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    선박이 컨테이너선인 경우, 상기 응력 계산부는 비틀림모멘트로부터 발생하는 응력을 길이방향 다수의 위치에서 가해지는 단위 비틀림모멘트로 구해진 응력영향계수와 유체역학 해석으로부터 구해진 비틀림모멘트를 곱한 값의 선형 중첩으로 구한 비틀림모멘트에 의한 응력영향계수를 상기 글로벌 응력에 추가하는 선박 구조 피로손상도 모니터링 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 응력 계산부는 웹 프레임 사이의 스티프너에 가해지는 외부 압력인 파랑압력과, 가속도로부터 유발되는 내부 압력인 관성력에 의해 발생하는 발라스트 혹은 화물의 압력의 합을 로컬 응력으로 계산하는 선박 구조 피로손상도 모니터링 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    횡격벽 앞뒤의 웹 프레임의 상대변위에 의해 발생하는 압력이 상기 로컬 응력에 더 포함되는 선박 구조 피로손상도 모니터링 시스템.
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