KR20230094615A - 디지털트윈 기술을 이용한 lng 연료탱크 통합 모니터링 시스템 및 방법, 동 방법을 컴퓨터에서 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체 - Google Patents

디지털트윈 기술을 이용한 lng 연료탱크 통합 모니터링 시스템 및 방법, 동 방법을 컴퓨터에서 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 실제 선박의 LNG 연료탱크(110), LNG 연료탱크(110)의 서포트(111)에 대한 반력을 실운항 중 실시간 계측하는 센서(120), LNG 연료탱크(110)를 디지털트윈을 이용하여 3D FE 모델로 디지털모델링된 가상 LNG 연료탱크(130), 및 센서(120)에 의해 계측된 반력을 기초로 가상 LNG 연료탱크(130)의 하중을 분석하고, 피로수명을 예측하는 프로그램부(140)를 포함하여, LNG 연료탱크(110)의 피로도 및 구조적 강도를 실시간 검증하는, 디지털트윈 기술을 이용한 LNG 연료탱크 통합 모니터링 시스템을 개시한다.

Description

디지털트윈 기술을 이용한 LNG 연료탱크 통합 모니터링 시스템 및 방법, 동 방법을 컴퓨터에서 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체{SYSTEM AND METHOD FOR INTEGRATEDLY MONITORING LIQUIFIED NATURAL GAS FUEL TANK BY USING DIGITAL TWIN AND COMPUTER-READABLE RECORDING MEDIUM INCLUDING THE SAME}
본 발명은 디지털트윈 기술을 이용한 LNG 연료탱크 통합 모니터링 시스템 및 방법, 동 방법을 컴퓨터에서 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 LNG 연료탱크의 피로도 및 구조적 강도를 3차원정보로 선주에게 제공하여 실시간 검증하고 모니터링하여서 연료탱크의 위험도를 예측하고 연료탱크 운영상의 신속한 의사결정을 지원하도록 할 수 있는, 디지털트윈 기술을 이용한 LNG 연료탱크 통합 모니터링 시스템 및 방법, 동 방법을 컴퓨터에서 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 관한 것이다.
통상, 해상에서 운항되는 선박은 해상상태 또는 운항조건에 따라 선체가 상하운동(heave), 전후운동(surge), 좌우운동(sway), 종운동(pitch), 횡운동(roll), 선수운동(yaw)의 6자유도운동을 하게 되어 선체 구조물은 예상되는 모든 하중에 견딜 수 있는 구조적 강도를 갖추어야 하고, 적하물의 중량과 배치 형태 등에 의해 유발되는 응력이 선체 강도의 허용 응력 범위를 초과하면 선체는 과도한 응력을 받아서 균열 또는 절단 등의 손상을 입을 수 있다.
한편, 최근 선박의 배출가스 규제강화에 따른 LNG 등의 친환경 연료 사용에 대한 소요가 확대되고 있는데, 특히 컨테이너선 등에서 LNG 연료탱크 적용이 증가하고, 다수의 업체들이 개발 및 영업활동을 전개하고 있는 상황이다.
이에, 운항중 발생하는 응력에 대한 LNG 연료탱크의 구조 건전성을 평가하고 모니터링하여 LNG 연료탱크의 안정성을 확보할 필요성이 제기된다.
한국 등록특허공보 제10-2317411호 (디지털 트윈 시스템을 이용한 해양 구조물의 위험 예측 방법, 2021.10.27) 한국 공개특허공보 제10-2021-0123436호 (디지털 트윈을 이용한 선체응력 모니터링 시스템 및 이를 이용한 선박의 피로 파괴 예측 방법, 2021.10.14) 한국 공개특허공보 제10-2018-0102864호 (내부에 종격벽이 구비된 컨테이너선 화물창의 구조, 2018.09.18)
본 발명의 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, LNG 연료탱크의 피로도 및 구조적 강도를 3차원정보로 선주에게 제공하여 실시간 검증하고 모니터링하여서 연료탱크의 위험도를 예측하고 연료탱크 운영상의 신속한 의사결정을 지원하도록 할 수 있는, 디지털트윈 기술을 이용한 LNG 연료탱크 통합 모니터링 시스템 및 방법, 동 방법을 컴퓨터에서 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체를 제공하는 데 있다.
전술한 목적을 달성하고자, 본 발명은, 실제 선박의 LNG 연료탱크; 상기 LNG 연료탱크의 서포트에 대한 반력을 실운항 중 실시간 계측하는 센서; 상기 LNG 연료탱크를 디지털트윈을 이용하여 3D FE 모델로 디지털모델링된 가상 LNG 연료탱크; 및 상기 센서에 의해 계측된 반력을 기초로 상기 가상 LNG 연료탱크의 하중을 분석하고, 피로수명을 예측하는 프로그램부;를 포함하는, 디지털트윈 기술을 이용한 LNG 연료탱크 통합 모니터링 시스템을 제공한다.
또한, 상기 센서는 응력 게이지이며, 상기 실제 선박의 LNG 연료탱크의 각 코너의 수직 서포트에 설치되어, 상기 수직 서포트로 전달되는 서포트 반력을 실운항 중 실시간으로 계측할 수 있다.
또한, 상기 프로그램부는, 상기 계측된 반력과, 상기 3D FE 모델의 구조해석을 통해 계산된 반력을 이용하여, 하중조건을 산정하는 하중 분석 프로그램모듈; 및 상기 하중조건에 따른 하중분포에 대해 FE해석을 수행하고, 응력분포를 계산하여 특정 대상위치에서의 피로수명을 예측하는 피로수명 예측 프로그램모듈;로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 하중 분석 프로그램모듈은, 상기 가상 LNG 연료탱크에 대한 탱크 수위 및 탱크 가속도의 초기값을 부여하여 격자해석법에 의해 최적 반력을 계산하고, 이후, 다음의 수학식에 의해, 상기 계측된 반력과 상기 계산된 반력의 차이를 합산한 값이 최소가 되는 상기 하중조건을 산정하며, 상기 합산 값이 최소가 아니면 새로운 탱크 수위 및 탱크 가속도를 부여하여 상기 하중조건 산정을 반복 수행할 수 있다.
[수학식]
Figure pat00001
(여기서, F는 목적함수이며, Si는 상기 격자해석법에 의한 서포트별 반력이며, ri는 상기 센서에 의한 서포트별 반력임)
또한, 상기 피로수명 예측 프로그램모듈은, 상기 하중조건에 따라 최종 추정된 탱크 수위 및 탱크 가속도를 결정하여 3D 유한요소해석법에 의해 응력분포를 계산하고, 이후, 특정 대상위치에서의 피로수명을 예측할 수 있다.
또한, 상기 격자해석법은 상기 LNG 연료탱크의 바닥 외곽면과 거더와 횡격벽을 중심으로 적용될 수 있다.
또한, 상기 계측된 반력과 하중에 따른 응력 분포와 응력이력과 상기 예측된 피로수명의 구조 건전성 평가 결과정보를 3차원으로 시각화하여 실시간 모니터링하는 모니터링부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 LNG 연료탱크는 LNG 연료추진선의 독립형 LNG 연료탱크일 수 있다.
한편, 본 발명의 사상이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 실제 선박의 LNG 연료탱크를 디지털트윈을 이용하여 가상 LNG 연료탱크로 디지털모델링하여 3D FE 모델을 구축하는 단계; 실제 선박의 LNG 연료탱크의 서포트에 대한 반력을 실운항 중 실시간 계측하는 단계; 및 센서에 의해 계측된 반력을 기초로 상기 가상 LNG 연료탱크의 하중을 분석하고, 피로수명을 예측하는 단계;를 포함하는, 디지털트윈 기술을 이용한 LNG 연료탱크 통합 모니터링 방법을 제공한다.
또한, 상기 센서는 응력 게이지이며, 상기 실제 선박의 LNG 연료탱크의 각 코너의 수직 서포트에 설치되어, 상기 수직 서포트로 전달되는 서포트 반력을 실운항 중 실시간으로 계측할 수 있다.
또한, 상기 가상 LNG 연료탱크의 하중을 분석하고, 피로수명을 예측하는 단계는, 상기 계측된 반력과, 상기 3D FE 모델의 구조해석을 통해 계산된 반력을 이용하여, 하중조건을 산정하고, 상기 하중조건에 따른 하중분포에 대해 FE해석을 수행하고, 응력분포를 계산하여 특정 대상위치에서의 피로수명을 예측할 수 있다.
또한, 상기 가상 LNG 연료탱크의 하중을 분석하고, 피로수명을 예측하는 단계는, 상기 가상 LNG 연료탱크에 대한 탱크 수위 및 탱크 가속도의 초기값을 부여하여 격자해석법에 의해 최적 반력을 계산하고, 다음의 수학식에 의해, 상기 계측된 반력과 상기 계산된 반력의 차이를 합산한 값이 최소가 되는 상기 하중조건을 산정하며, 상기 합산 값이 최소가 아니면 새로운 탱크 수위 및 탱크 가속도를 부여하여 상기 하중조건 산정을 반복 수행하는 단계;를 포함할 수 있다.
[수학식]
Figure pat00002
(여기서, F는 목적함수이며, Si는 상기 격자해석법에 의한 서포트별 반력이며, ri는 상기 센서에 의한 서포트별 반력임)
또한, 상기 하중조건 산정을 반복 수행하는 단계 이후, 상기 하중조건에 따라 최종 추정된 탱크 수위 및 탱크 가속도를 결정하여 3D 유한요소해석법에 의해 응력분포를 계산하고, 특정 대상위치에서의 피로수명을 예측하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 격자해석법은 상기 LNG 연료탱크의 바닥 외곽면과 거더와 횡격벽을 중심으로 적용될 수 있다.
또한, 상기 피로수명을 예측하는 단계 이후, 상기 계측된 반력과 하중에 따른 응력 분포와 응력이력과 상기 예측된 피로수명의 구조 건전성 평가 결과정보를 3차원으로 시각화하여 실시간 모니터링하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 LNG 연료탱크는 LNG 연료추진선의 독립형 LNG 연료탱크일 수 있다.
한편, 본 발명의 사상이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 전술한 디지털트윈 기술을 이용한 LNG 연료탱크 통합 모니터링 방법을 컴퓨터에서 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된, 컴퓨터 판독이 가능한 기록 매체를 제공한다.
본 발명에 의하면, LNG 연료탱크의 피로도 및 구조적 강도를 3차원정보로 선주에게 제공하여 실시간 검증하고 모니터링하여서 연료탱크의 위험도를 예측하고 연료탱크 운영상의 신속한 의사결정을 지원하도록 할 수 있으며, 분석에 따른 구조 건전성 평가 결과정보를 독립형 연료탱크 설계에 반영할 수 있고, 스마트쉽 관련 기반기술을 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 디지털트윈 기술을 이용한 LNG 연료탱크 통합 모니터링 시스템의 개략적인 구성을 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 디지털트윈 기술을 이용한 LNG 연료탱크 통합 모니터링 시스템에 의한 절차를 도식화한 것이다.
도 3은 도 1의 디지털트윈 기술을 이용한 LNG 연료탱크 통합 모니터링 시스템의 프로그램부에 의한 절차를 예시한 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 디지털트윈 기술을 이용한 LNG 연료탱크 통합 모니터링 방법의 흐름도를 개략적으로 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 전술한 특징을 갖는 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 디지털트윈 기술을 이용한 LNG 연료탱크 통합 모니터링 시스템은, 실제 선박의 LNG 연료탱크(110), LNG 연료탱크(110)의 서포트(111)에 대한 반력을 실운항 중 실시간 계측하는 센서(120), LNG 연료탱크(110)를 디지털트윈을 이용하여 3D FE 모델로 디지털모델링된 가상 LNG 연료탱크(130), 및 센서(120)에 의해 계측된 반력을 기초로 가상 LNG 연료탱크(130)의 하중을 분석하고, 피로수명을 예측하는 프로그램부(140)를 포함하여, LNG 연료탱크(110)의 피로도 및 구조적 강도를 실시간 검증하는 것을 요지로 한다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 전술한 구성의 디지털트윈 기술을 이용한 LNG 연료탱크 통합 모니터링 시스템을 구체적으로 상술하면 다음과 같다.
우선, LNG 연료탱크(110)는 실제 선박, 특히 LNG 연료추진 시스템(LNG Fueled System, LFS)을 갖춘 LNG 연료추진선의 IMO TYPE-B LNG 연료탱크인 독립형 LNG 연료탱크(110)일 수 있다.
여기서, LNG 연료추진 시스템은 청정연료인 LNG를 사용하여 SOX 저감 문제를 해결할 수 있고, CO2 관련 EEDI 지수를 줄일 수 있으며, IMO TYPE-B LNG 연료탱크는 방형 탱크와, 방형 탱크를 지지하는 서포트(111)로 이루어지고, 종격벽을 갖추어 내부 액량과 무관하게 슬로싱 하중에 강한 특성을 보인다.
다음, 센서(120)는, 도 2의 (a)에서와 같이, 응력 게이지(SG;Strain Gauge)로서, LNG 연료탱크(110)를 수직방향으로 지지하는 특정 위치, 예컨대 LNG 연료탱크(110)의 각 코너의 수직 서포트(vertical support)(111)에 설치되어, 수직 서포트(111)로 전달되는 서포트 반력(reaction force)(ri)을 실운항 중 실시간 계측하여 프로그램부(140)로 전송한다.
다음, 가상 LNG 연료탱크(130)는, 도 2의 (b)에서와 같이, 실제 LNG 연료탱크(110)를 디지털트윈(digital twin)을 이용하여 실물과 동일한 3D FE(Finite Element) 모델로 디지털모델링되어 구축된다.
다음, 프로그램부(140)는, 센서(120)에 의해 계측된 반력(ri)을 기초로 가상 LNG 연료탱크(130)의 하중을 분석하고, 피로수명을 예측하여, LNG 연료탱크(110)의 피로도 및 구조적 강도를 실시간 검증하도록 한다.
예컨대, 프로그램부(140)는, 제한된 센서(120)에 의해 계측된 반력(ri)과, 3D FE 모델의 구조해석을 통해 계산된 전체 서포트에서의 반력(Si)을 이용하여, 하중조건을 산정하는 하중 분석 프로그램모듈(141)(도 2의 (c) 참조), 및 하중조건에 따른 하중분포에 대해 FE해석을 수행하고, 응력분포를 계산하여 특정 대상위치에서의 피로수명을 예측하는 피로수명 예측 프로그램모듈(142)(도 2의 (d) 참조)로 이루어질 수 있다.
구체적으로, 도 3을 참고하면, 하중 분석 프로그램모듈(141)은, 가상 LNG 연료탱크(130)에 대한 탱크 수위 및 탱크 가속도의 초기값을 부여하고(S141a), 격자해석법(grillage method)을 적용하여(S141b), 서포트(111)와의 3D FE 모델의 동일 위치에서의 초기값에 따른 최적 반력을 계산하고(S141c), 이후, 다음의 [수학식 1]에 의해, 센서(120)에 의해 실시간 계측된 반력과 설계 파라미터(design parameter)에 따라 계산된 반력의 차이를 합산한 값(F)(S141e)이 최소가 되는 하중조건을 산정하며(S141f), 합산 값이 최소가 아니면 새로운 탱크 수위 및 탱크 가속도를 부여하여 격자해석법 적용과 최적 반력 계산과 반력 차 합산에 따른 하중조건 산정을 반복 수행한다(S141g).
Figure pat00003
, 여기서, F는 목적함수이며, Si는 격자해석법에 의한 서포트별 반력이며, ri는 센서(120)에 의한 서포트별 반력(r1,r2,r3,r4)이다.
즉, 하중 분석 프로그램모듈(141)은 각 서포트(111)에서 계측된 반력(r1,r2,r3,r4)을 활용하여 하중 상태를 산정하는 프로그램으로서, 격자해석법은 LNG 연료탱크(110)의 바닥 외곽면과 거더(girder)와 횡격벽(transverse bulkhead)을 중심으로 적용되어 센서(120)가 설치되지 않은 모든 서포트에서의 반력도 계산될 수 있고, 격자해석법 적용을 위한 설계 파라미터인 하중은, 연료 적재에 따른 탱크 수위(filling height)와, 연료탱크 자체 하중(self-weight,cargo weight)과, 선체운동 가속도(ax,ay,az)에 의한 관성력에 의해 결정될 수 있으며 선체운동 가속도로부터 탱크 가속도를 계산할 수 있다.
또한, 3D FE 모델의 구조해석은 접촉의 비선형성을 고려하여 수행될 수 있는데, 예컨대, 고려 대상은 수직 서포트이고, 서포트에서는 평면 상의 움직임에 의한 마찰력 및 압축에 의한 하중 전달만을 고려되어야 하고, 인장 방향의 하중 발생시에는 하중이 발생하지 않기 때문에 케이스별 하중이 달라지는 비선형성이 고려될 수 있다.
또한, 피로수명 예측 프로그램모듈(142)은, 하중조건에 따라 최종 추정된 탱크 수위 및 탱크 가속도를 결정하고(S141h), 앞서 결정된 탱크 수위 및 탱크 가속도로 3D 유한요소해석법을 수행하여 응력분포를 계산하고(S141i), 이후, 특정 대상위치에서의 잔여 피로수명을 예측할 수 있다(S141j).
또한, 앞서 계측된 반력과 하중에 따른 응력 분포와 응력이력(stress history)과 예측된 잔여 피로수명의 구조 건전성 평가 결과정보를 3차원으로 시각화하여 제공하여서 실시간 모니터링하는 모니터링부(150)를 더 포함하여서, 실시간 데이터를 활용하여 LNG 연료탱크(110)의 구조 건전성을 모니터링하고 운영상의 신속한 의사결정 지원이 가능하도록 할 수 있다.
한편, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 디지털트윈 기술을 이용한 LNG 연료탱크 통합 모니터링 방법의 흐름도를 개략적으로 도시한 것으로서, 이를 참조하여 구체적으로 상술하면 다음과 같다.
우선, 실제 선박의 LNG 연료탱크(110)를 디지털트윈을 이용하여 가상 LNG 연료탱크(130)로 디지털모델링하여 실물과 동일한 3D FE 모델을 구축한다(S110).
이후, 실제 선박의 LNG 연료탱크(110)의 서포트(111)에 대한 반력을 실운항 중 실시간 계측한다(S120).
이후, 가상 LNG 연료탱크(130)에 대한 탱크 수위 및 탱크 가속도의 초기값을 부여하여 격자해석법에 의해 최적 반력을 계산하고, 다음의 [수학식 2]에 의해, 계측된 반력과 계산된 반력의 차이를 합산한 값이 최소가 되는 하중조건을 산정하며, 합산 값이 최소가 아니면 새로운 탱크 수위 및 탱크 가속도를 부여하여 하중조건 산정을 반복 수행한다(S140A).
Figure pat00004
, 여기서, F는 목적함수이며, Si는 격자해석법에 의한 서포트별 반력이며, ri는 센서(120)에 의한 서포트별 반력이다.
이후, 하중조건에 따라 최종 추정된 탱크 수위 및 탱크 가속도를 결정하여 3D 유한요소해석법에 의해 응력분포를 계산하고, 특정 대상위치에서의 잔여 피로수명을 예측한다(S140B).
이후, 계측된 반력과 하중에 따른 응력 분포와 응력이력과 예측된 피로수명의 구조 건전성 평가 결과정보를 3차원으로 시각화하여 실시간 모니터링한다(S150).
한편, 본 발명의 다른 실시예는, 앞서 열거한 디지털트윈 기술을 이용한 LNG 연료탱크 통합 모니터링 방법을 컴퓨터에서 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된 기록 매체를 제공한다.
예컨대, 디지털트윈 기술을 이용한 LNG 연료탱크 통합 모니터링 방법은 컴퓨터에 의해 실행되는 애플리케이션이나 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행가능한 명령어를 포함하는 기록매체의 형태로 구현될 수 있고, 컴퓨터 판독가능 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 있고, 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.
따라서, 전술한 바와 같은 디지털트윈 기술을 이용한 LNG 연료탱크 통합 모니터링 시스템 및 이의 방법에 의해, LNG 연료탱크의 피로도 및 구조적 강도를 3차원정보로 선주에게 제공하여 실시간 검증하고 모니터링하여서 연료탱크의 위험도를 예측하고 연료탱크 운영상의 신속한 의사결정을 지원하도록 할 수 있으며, 분석에 따른 구조 건전성 평가 결과정보를 독립형 연료탱크 설계에 반영할 수 있고, 스마트쉽 관련 기반기술을 확보할 수 있다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
110 : LNG 연료탱크 111 : 서포트
120 : 센서 130 : 가상 LNG 연료탱크
140 : 프로그램부 141 : 하중 분석 프로그램모듈
142 : 피로수명 예측 프로그램모듈 150 : 모니터링부

Claims (17)

  1. 실제 선박의 LNG 연료탱크;
    상기 LNG 연료탱크의 서포트에 대한 반력을 실운항 중 실시간 계측하는 센서;
    상기 LNG 연료탱크를 디지털트윈을 이용하여 3D FE 모델로 디지털모델링된 가상 LNG 연료탱크; 및
    상기 센서에 의해 계측된 반력을 기초로 상기 가상 LNG 연료탱크의 하중을 분석하고, 피로수명을 예측하는 프로그램부;를 포함하는,
    디지털트윈 기술을 이용한 LNG 연료탱크 통합 모니터링 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서는 응력 게이지이며,
    상기 실제 선박의 LNG 연료탱크의 각 코너의 수직 서포트에 설치되어, 상기 수직 서포트로 전달되는 서포트 반력을 실운항 중 실시간으로 계측하는 것을 특징으로 하는,
    디지털트윈 기술을 이용한 LNG 연료탱크 통합 모니터링 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로그램부는,
    상기 계측된 반력과, 상기 3D FE 모델의 구조해석을 통해 계산된 반력을 이용하여, 하중조건을 산정하는 하중 분석 프로그램모듈; 및
    상기 하중조건에 따른 하중분포에 대해 FE해석을 수행하고, 응력분포를 계산하여 특정 대상위치에서의 피로수명을 예측하는 피로수명 예측 프로그램모듈;로 이루어지는 것을 특징으로 하는,
    디지털트윈 기술을 이용한 LNG 연료탱크 통합 모니터링 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 하중 분석 프로그램모듈은,
    상기 가상 LNG 연료탱크에 대한 탱크 수위 및 탱크 가속도의 초기값을 부여하여 격자해석법에 의해 최적 반력을 계산하고,
    이후, 다음의 수학식에 의해, 상기 계측된 반력과 상기 계산된 반력의 차이를 합산한 값이 최소가 되는 상기 하중조건을 산정하며, 상기 합산 값이 최소가 아니면 새로운 탱크 수위 및 탱크 가속도를 부여하여 상기 하중조건 산정을 반복 수행하는 것을 특징으로 하는,
    [수학식]
    Figure pat00005

    (여기서, F는 목적함수이며, Si는 상기 격자해석법에 의한 서포트별 반력이며, ri는 상기 센서에 의한 서포트별 반력임),
    디지털트윈 기술을 이용한 LNG 연료탱크 통합 모니터링 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 피로수명 예측 프로그램모듈은,
    상기 하중조건에 따라 최종 추정된 탱크 수위 및 탱크 가속도를 결정하여 3D 유한요소해석법에 의해 응력분포를 계산하고,
    이후, 특정 대상위치에서의 피로수명을 예측하는 것을 특징으로 하는,
    디지털트윈 기술을 이용한 LNG 연료탱크 통합 모니터링 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 격자해석법은 상기 LNG 연료탱크의 바닥 외곽면과 거더와 횡격벽을 중심으로 적용되는 것을 특징으로 하는,
    디지털트윈 기술을 이용한 LNG 연료탱크 통합 모니터링 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 계측된 반력과 하중에 따른 응력 분포와 응력이력과 상기 예측된 피로수명의 구조 건전성 평가 결과정보를 3차원으로 시각화하여 실시간 모니터링하는 모니터링부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    디지털트윈 기술을 이용한 LNG 연료탱크 통합 모니터링 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 LNG 연료탱크는 LNG 연료추진선의 독립형 LNG 연료탱크인 것을 특징으로 하는,
    디지털트윈 기술을 이용한 LNG 연료탱크 통합 모니터링 시스템.
  9. 실제 선박의 LNG 연료탱크를 디지털트윈을 이용하여 가상 LNG 연료탱크로 디지털모델링하여 3D FE 모델을 구축하는 단계;
    실제 선박의 LNG 연료탱크의 서포트에 대한 반력을 실운항 중 실시간 계측하는 단계; 및
    센서에 의해 계측된 반력을 기초로 상기 가상 LNG 연료탱크의 하중을 분석하고, 피로수명을 예측하는 단계;를 포함하는,
    디지털트윈 기술을 이용한 LNG 연료탱크 통합 모니터링 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 센서는 응력 게이지이며,
    상기 실제 선박의 LNG 연료탱크의 각 코너의 수직 서포트에 설치되어, 상기 수직 서포트로 전달되는 서포트 반력을 실운항 중 실시간으로 계측하는 것을 특징으로 하는,
    디지털트윈 기술을 이용한 LNG 연료탱크 통합 모니터링 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 가상 LNG 연료탱크의 하중을 분석하고, 피로수명을 예측하는 단계는,
    상기 계측된 반력과, 상기 3D FE 모델의 구조해석을 통해 계산된 반력을 이용하여, 하중조건을 산정하고, 상기 하중조건에 따른 하중분포에 대해 FE해석을 수행하고, 응력분포를 계산하여 특정 대상위치에서의 피로수명을 예측하는 것을 특징으로 하는,
    디지털트윈 기술을 이용한 LNG 연료탱크 통합 모니터링 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 가상 LNG 연료탱크의 하중을 분석하고, 피로수명을 예측하는 단계는,
    상기 가상 LNG 연료탱크에 대한 탱크 수위 및 탱크 가속도의 초기값을 부여하여 격자해석법에 의해 최적 반력을 계산하고, 다음의 수학식에 의해, 상기 계측된 반력과 상기 계산된 반력의 차이를 합산한 값이 최소가 되는 상기 하중조건을 산정하며, 상기 합산 값이 최소가 아니면 새로운 탱크 수위 및 탱크 가속도를 부여하여 상기 하중조건 산정을 반복 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    [수학식]
    Figure pat00006

    (여기서, F는 목적함수이며, Si는 상기 격자해석법에 의한 서포트별 반력이며, ri는 상기 센서에 의한 서포트별 반력임)
    디지털트윈 기술을 이용한 LNG 연료탱크 통합 모니터링 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 하중조건 산정을 반복 수행하는 단계 이후,
    상기 하중조건에 따라 최종 추정된 탱크 수위 및 탱크 가속도를 결정하여 3D 유한요소해석법에 의해 응력분포를 계산하고, 특정 대상위치에서의 피로수명을 예측하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    디지털트윈 기술을 이용한 LNG 연료탱크 통합 모니터링 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 격자해석법은 상기 LNG 연료탱크의 바닥 외곽면과 거더와 횡격벽을 중심으로 적용되는 것을 특징으로 하는,
    디지털트윈 기술을 이용한 LNG 연료탱크 통합 모니터링 방법.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 피로수명을 예측하는 단계 이후,
    상기 계측된 반력과 하중에 따른 응력 분포와 응력이력과 상기 예측된 피로수명의 구조 건전성 평가 결과정보를 3차원으로 시각화하여 실시간 모니터링하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    디지털트윈 기술을 이용한 LNG 연료탱크 통합 모니터링 방법.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 LNG 연료탱크는 LNG 연료추진선의 독립형 LNG 연료탱크인 것을 특징으로 하는,
    디지털트윈 기술을 이용한 LNG 연료탱크 통합 모니터링 방법.
  17. 제 9 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 디지털트윈 기술을 이용한 LNG 연료탱크 통합 모니터링 방법을 컴퓨터에서 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된, 컴퓨터 판독이 가능한 기록 매체.
KR1020210183916A 2021-12-21 디지털트윈 기술을 이용한 lng 연료탱크 통합 모니터링 시스템 및 방법, 동 방법을 컴퓨터에서 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체 KR102669886B1 (ko)

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KR20210123436A (ko) 2020-04-02 2021-10-14 한국해양대학교 산학협력단 디지털 트윈을 이용한 선체응력 모니터링 시스템 및 이를 이용한 선박의 피로 파괴 예측 방법
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