KR20230061879A - 용접 수축 마진 예측 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 자동으로 용접 수축 마진을 예측할 수 있는 용접 수축 마진 예측 장치가 제공하기 위한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 용접 수축 마진 예측 장치는 선박의 3차원 캐드 모델에서 블록 모델과 모델링 정보를 추출하는 추출부, 상기 추출부에 의해 추출된 블록 모델 중 주판과 내부재 간섭 여부에 따라 획득한 용접선의 수축 마진을 상기 주판의 사전에 설정된 온도와 열팽창 계수에 따라 예측하는 예측부를 포함할 수 있다.

Description

용접 수축 마진 예측 장치{APPARATUS FOR PREDICTING SHRINKAGE MARGIN OF WELDING}
본 발명은 용접 수축 마진 예측 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 선체 용접 작업시 용접열의 냉각으로 인한 철판의 수축은 피할 수 없는 물리 현상으로 알려져있다. 고정도의 선체 블록 제작을 위해서는 반드시 용접에 의한 철판의 수축량을 계산하여 철판 절단 단계에서 플러스 마진으로 반영이 되어야 한다. 대부분의 조선소에서는 경험 기반으로(Know-how) 철판의 두께/용접 각장 데이블을 제작하여 설계자가 직접 각각의 철판에 마진량을 입력하는 방식으로 설계에 적용되고 있는 실정이다.
이러한 경험 기반의 단순화된 테이블을 이용하는 방식으로는 수축 마진 적용시 주판에 붙은 복잡한 내부재 전체에 대한 용접량 고려가 불가능하여 정확한 수축 마진 예측이 어렵고, 일반적으로 수축마진이 과소 평가되어 건조 단계에서 과대 갭 발생들 추가적인 교정 공수가 발생하는 악순환이 반복되며, 특히 기존의 방식으로는 선체 경량화 등의 목적으로 선체 구조 변경시 능동적인 대응이 불가능한 문제점이 있다. 또한, 동일한 호선내에서도 각 블록별 설계 담당자가 상이하여 경험기반으로 작성된 테이블에 관한 해석 및 적용 방법이 달라 일률적인 룰에 의한 마진 적용이 불가능하며, 직접 입력 시 빈번한 오류 발생으로 인해 오작 발생 가능성이 매우 높은 문제점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2008-0037336호
본 발명의 일 실시예에 따르면, 자동으로 용접 수축 마진을 예측할 수 있는 용접 수축 마진 예측 장치가 제공된다.
상술한 본 발명의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 용접 수축 마진 예측 장치는 선박의 3차원 캐드 모델에서 블록 모델과 모델링 정보를 추출하는 추출부, 상기 추출부에 의해 추출된 블록 모델 중 주판과 내부재 간섭 여부에 따라 획득한 용접선의 수축 마진을 상기 주판의 사전에 설정된 온도와 열팽창 계수에 따라 예측하는 예측부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 자동으로 용접 수축 마진을 예측하여 비용을 저감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 용접 수축 마진 예측 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 용접 수축 마진 예측 장치의 예측부의 수축 마진을 예측하는 개략적인 동작을 나타내는 도면이다.
도 3a 내지 도 3c는 각각 필렛 용접부의 용접 입열량과 주편의 두께 관계에 따른 각변형량, 횡수축량, 종수축량의 분포를 나타내는 도면이다.
도 4는 용접부의 고유변형를 단순화하여 모사한 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 용접 수축 마진 예측 장치의 기술적 효과를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 용접 수축 마진 예측 장치가 구현될 수 있는 예시적인 컴퓨팅 환경을 도시하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 용접 수축 마진 예측 장치의 개략적인 구성도이다.
도 1은 본 발명의 용접 수축 마진 예측 장치(100)는 추출부(110) 및 예측부(120)를 포함할 수 있고, 저장부(130)를 더 포함할 수 있다.
추출부(110)는 선박의 3차원 캐드 모델에서 블록 모델과 모델링 정보를 추출할 수 있다. 예를 들어, 추출부(110)는 조선 전용 3D 캐드 시스템인 Aveva Marine 시스템을 이용하여 상기 3차원 캐드 모델로부터 블록 모델 및 모델링 정보를 추출할 수 있으며, 상기 모델링 정보는 두께, 재질, 용접선 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 Aveva Marine 시스템은 저장된 3차원 캐드 모델을 해석에 활용할 수 있는 특정 확장자(예를 들어, *.rev)를 가진 파일로 자동 변환 및 추출할 수 있으며, Robotic Process Automation (RPA) 기법을 활용하여 블록 전체 모델을 자동으로 추출할 수도 있다.
예측부(120)는 추출부(110)에 의해 추출된 블록 모델 중 주판과 내부재 간섭 여부에 따라 획득한 용접선의 수축 마진을 상기 주판의 사전에 설정된 온도와 열팽창 계수에 따라 예측할 수 있다.
저장부(130)는 예측부(120)에 의해 예측된 용접 수축 마진량을 데이터 베이스에 저장하고, 이후 설계 단계에서 설계자의 개입없이 예측된 수축량들을 설계에 자동 반영할 수 있게 출력할 수 있다.
도 2는 본 발명의 용접 수축 마진 예측 장치의 예측부의 수축 마진을 예측하는 개략적인 동작을 나타내는 도면이다.
도 1과 함께, 도 2를 참조하면, 예측부(120)는 추출부(110)에 의해 추출된 블록 모델 중 주판을 구분하여, 주판에 간섭되는 내부재에 의한 용접선을 생성할 수 있으며, 이는 패널 수 만큼 반복될 수 있다. 생성된 용접선을 기준으로 메쉬(mesh) 를 생성하고 B/C(판의 수축이 자유롭게 발생할 수 있는 단순 지지 조건)를 지정하고 이를 해석하여 용접 수축 마진을 예측할 수 있다.
보다 상세하게는, 예측부(120)는 다음의 수식 1과 같이 상기 용접선의 수축 마진을 예측할 수 있다.
수식 1)
Figure pat00001
여기서, αtrs는 주편의 횡방향 열팽창 계수, αion은 주편의 종방향 열팽창 계수, δs는 주편의 횡수축량, δa는 주편의 각변형량, le는 주편의 크기, Ttop는 주편의 상부 온도, △Tavg는 주편의 상/하부 평균 온도, SF는 종수축 하중, t는 주편의 두께, E는 사전에 설정된 주편의 탄성 계수, f(dcg)는 SF영역 도심 변화 함수를 의미한다.
즉, 예측부(120)는 사전에 설정된 주편의 온도와 열팽창 계수 간의 관계에 따라 탄성 해석 방법으로 용접 변형을 예측할 수 있으며, 특히 전체 블록 모델이 아닌 주판과 내부재 간섭 체크를 통해 얻어진 용접선만을 이용하여 수축을 예측할 수 있다.
한편, 실 구조물의 용접 변형을 예측하기 위한 간이 열 탄성 해석의 기본 가정은 모든 변형이 용접부에서만 발생한다는 전제하에 수행된다. 즉, 용접부로 모델링 한 부분에 초기 온도 조건을 설정한 다음 쉘(Shell)의 상면과 하면을 각각 다른 온도로 냉각시키면 쉘의 상면과 하면의 수축에 의해 면내 변형(횡수축, 종수축)이 발생하고 수축량의 차이에 의해 각변형이 발생한다. 종 수축을 유발하는 수축력은 수축 중심의 위치에 따라 종굽힘을 발생시키게 된다. 이때 용접부의 횡 수축량(δs)과 각변형을 유발시키는 주편의 상면과 하면의 수축량 차이(δa)는 다음의 수식 2와 같이 정의된다.
수식 2)
Figure pat00002
여기서, Q는 단위길이당 입열량, Di는 면내강성, Db는 면외강성을 의미한다.
도 3a 내지 도 3c는 각각 필렛 용접부의 용접 입열량과 주편의 두께 관계에 따른 각변형량, 횡수축량, 종수축량의 분포를 나타내는 도면이다.
도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 상술한 수식 1 및 2의 결과로부터 각변형과 횡수축에 상응하는 고유변형도값을 아래의 수식 3을 통해 계산할 수 있다. 여기서, 도 3a의 그래프의 EXP는 실험치, FEA는 해석치를 나타낸다.
수식 3)
Figure pat00003
여기서 δTop과 δBot는 각각 용접부 윗면의 수축량과 용접부 아래면의 수축량을 의미한다.
도 4는 용접부의 고유변형를 단순화하여 모사한 도면이다.
도 4를 참조하면, 상술한 수식 3과 더불어 고유변형도를 유발시키는 열하중은 아래의 수식 4를 기재된 주편의 두께 방향으로 발생하는 온도 편차와 열팽창계수를 통해 산정될 수 있다.
수식 4)
Figure pat00004
여기서 TR은 초기 참조 온도, TTop은 용접부 윗면 온도, TBot은 용접부 아래면 온도를 의미한다. TR을 철의 녹는점에 해당하는 온도로 설정하면, TTop, TBot와 열팽창계수(α)는 용접부 윗면, 아랫면 수축량 결과로부터 정의될 수 있고, 이 값들은 구조물 용접 변형 해석을 위한 해석 입력값으로 사용된다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 용접 수축 마진 예측 장치의 기술적 효과를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 종래의 방법으로 예측한 주편의 각변형 및 종수축과 본 발명의 용접 수축 마진 예측 장치에 의해 예측한 주편의 각변형 및 종수축은 차이가 없으며, 각각 주편의 각변형 실험치(Exp_edge), 종수축 실험치(Exp_cent)에 근접한 것을 볼 수 있다.
본 발명은 종래의 종/횡수축량을 각각 예측하여 중첩의 원리를 통해 총 수축량을 예측하는 방법에서 면내방향(종/횡수축) 변형이 각각의 변형에 영향을 받지 않고 독립적인 거동을 할 수 있도록 재료 고유 특성인 포아송비의 영향을 무시하는 대신 중수축 하중이 작용하는 도심의 변화를 고려해줌으로써 1회의 해석을 통해 종/횡수축을 동시에 계산할 수 있다.
도 6을 참조하면, 종래의 방법으로 예측한 결과와 본 발명에서 제안된 방법으로 예측된 주판의 변형량은 거의 차이가 없는 것을 볼 수 있으며, 이는 본 발명이 종래의 방법보다 훨씬 효율적이라는 것을 증명한다.
도 7은 본 발명의 용접 수축 마진 예측 장치가 구현될 수 있는 예시적인 컴퓨팅 환경을 도시하는 도면이다. 도 5를 참조하면, 상술한 하나 이상의 실시예를 구현하도록 구성된 컴퓨팅 디바이스(1100)를 포함하는 시스템(1000)의 예시를 도시한다. 예를 들어, 컴퓨팅 디바이스(1100)는 개인 컴퓨터, 서버 컴퓨터, 핸드헬드 또는 랩탑 디바이스, 모바일 디바이스(모바일폰, PDA, 미디어 플레이어 등), 멀티프로세서 시스템, 소비자 전자기기, 미니 컴퓨터, 메인프레임 컴퓨터, 임의의 전술된 시스템 또는 디바이스를 포함하는 분산 컴퓨팅 환경 등을 포함하지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다.
컴퓨팅 디바이스(1100)는 적어도 하나의 프로세싱 유닛(1110) 및 메모리(1120)를 포함할 수 있다. 여기서, 프로세싱 유닛(1110)은 예를 들어 중앙처리장치(CPU), 그래픽처리장치(GPU), 마이크로프로세서, 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit, ASIC), Field Programmable Gate Arrays(FPGA) 등을 포함할 수 있으며, 복수의 코어를 가질 수 있다. 메모리(1120)는 휘발성 메모리(예를 들어, RAM 등), 비휘발성 메모리(예를 들어, ROM, 플래시 메모리 등) 또는 이들의 조합일 수 있다.
또한, 컴퓨팅 디바이스(1100)는 추가적인 스토리지(1130)를 포함할 수 있다. 스토리지(1130)는 자기 스토리지, 광학 스토리지 등을 포함하지만 이것으로 한정되지 않는다. 스토리지(1130)에는 본 명세서에 개진된 하나 이상의 실시예를 구현하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 명령이 저장될 수 있고, 운영 시스템, 애플리케이션 프로그램 등을 구현하기 위한 다른 컴퓨터 판독 가능한 명령도 저장될 수 있다. 스토리지(1130)에 저장된 컴퓨터 판독 가능한 명령은 프로세싱 유닛(1110)에 의해 실행되기 위해 메모리(1120)에 로딩될 수 있다.
또한, 컴퓨팅 디바이스(1100)는 입력 디바이스(들)(1140) 및 출력 디바이스(들)(1150)을 포함할 수 있다. 여기서, 입력 디바이스(들)(1140)은 예를 들어 키보드, 마우스, 펜, 음성 입력 디바이스, 터치 입력 디바이스, 적외선 카메라, 비디오 입력 디바이스 또는 임의의 다른 입력 디바이스 등을 포함할 수 있다. 또한, 출력 디바이스(들)(1150)은 예를 들어 하나 이상의 디스플레이, 스피커, 프린터 또는 임의의 다른 출력 디바이스 등을 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨팅 디바이스(1100)는 다른 컴퓨팅 디바이스에 구비된 입력 디바이스 또는 출력 디바이스를 입력 디바이스(들)(1140) 또는 출력 디바이스(들)(1150)로서 사용할 수도 있다.
또한, 컴퓨팅 디바이스(1100)는 네트워크(1200)을 통하여 다른 디바이스(예를 들어, 컴퓨팅 디바이스(1300))와 통신할 수 있게 하는 통신접속(들)(1160)을 포함할 수 있다. 여기서, 통신 접속(들)(1160)은 모뎀, 네트워크 인터페이스 카드(NIC), 통합 네트워크 인터페이스, 무선 주파수 송신기/수신기, 적외선 포트, USB 접속 또는 컴퓨팅 디바이스(1100)를 다른 컴퓨팅 디바이스에 접속시키기 위한 다른 인터페이스를 포함할 수 있다. 또한, 통신 접속(들)(1160)은 유선 접속 또는 무선 접속을 포함할 수 있다.
상술한 컴퓨팅 디바이스(1100)의 각 구성요소는 버스 등의 다양한 상호접속(예를 들어, 주변 구성요소 상호접속(PCI), USB, 펌웨어(IEEE 1394), 광학적 버스 구조 등)에 의해 접속될 수도 있고, 네트워크에 의해 상호접속될 수도 있다.
본 명세서에서 사용되는 "추출부", "예측부", "저장부" 등과 같은 용어들은 일반적으로 하드웨어, 하드웨어와 소프트웨어의 조합, 소프트웨어, 또는 실행중인 소프트웨어인 컴퓨터 관련 엔티티를 지칭하는 것이다. 예를 들어, 구성요소는 프로세서 상에서 실행중인 프로세스, 프로세서, 객체, 실행 가능물(executable), 실행 스레드, 프로그램 및/또는 컴퓨터일 수 있지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 컨트롤러 상에서 구동중인 애플리케이션 및 컨트롤러 모두가 구성요소일 수 있다. 하나 이상의 구성요소는 프로세스 및/또는 실행의 스레드 내에 존재할 수 있으며, 구성요소는 하나의 컴퓨터 상에서 로컬화될 수 있고, 둘 이상의 컴퓨터 사이에서 분산될 수도 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.
100: 용접 수축 마진 예측 장치
110: 추출부
120: 예측부
130: 저장부

Claims (4)

  1. 선박의 3차원 캐드 모델에서 블록 모델과 모델링 정보를 추출하는 추출부; 및
    상기 추출부에 의해 추출된 블록 모델 중 주판과 내부재 간섭 여부에 따라 획득한 용접선의 수축 마진을 상기 주판의 사전에 설정된 온도와 열팽창 계수에 따라 예측하는 예측부
    를 포함하는 용접 수축 마진 예측 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 예측부에 의해 예측된 수축량을 저장하는 저장부를 더 포함하는 용접 수축 마진 예측 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 추출부가 추출하는 모델링 정보는 두께, 재질, 용접선을 포함하는 용접 수축 마진 예측 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 예측부는
    수식
    Figure pat00005
    에 따라 상기 용접선의 수축 마진을 예측하는 용접 수축 마진 예측 장치.
    여기서, αtrs는 주편의 횡방향 열팽창 계수, αion은 주편의 종방향 열팽창 계수, δs는 주편의 횡수축량, δa는 주편의 각변형량, le는 주편의 크기, Ttop는 주편의 상부 온도, △Tavg는 주편의 상/하부 평균 온도, SF는 종수축 하중, t는 주편의 두께, E는 사전에 설정된 주편의 탄성 계수, f(dcg)는 SF영역 도심 변화 함수를 의미한다.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20080037336A (ko) 2006-10-26 2008-04-30 삼성중공업 주식회사 선박 구조물 용접변형 해석을 위한 자동생성 시스템

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