선박 및 해양 구조물의 구조 및 유체역학 분석

NFX CFD 조선해양 자유수면해석 / 선형정적해석 / 외연적비선형동해석

해석배경

 

조선은 상당히 복잡하고 여러 단계로 이루어지며 구체적이고 다른 종류의 전문지식을 필요로 합니다. 수년 동안 조선 과정은 서로 다른 모듈로 나누어져 각각의 일을 수행하기 위한 전문 지식을 보유한 사람들이 참해왔습니다. 그리고 다음 그룹(또는 부서)에서 선박 설계 과정을 다루는데 모듈의 최종 결과를 다루게 됩니다.

이제 이 작업의 흐름은 점차 변화하고 있으며 그룹 구성원의 참여 수준도 달라지고 있습니다. 협업하는 설계가 인기를 얻고 있는데, 이것은 서로 다른 당사자가 동일한 설계에 대해 실시간으로 소통하고, 설계 결정을 내리고, 설계 과정의 모든 당사자(설계자, 생산자, 구매자, 공급 업체 등)의 요청을 고려할 수 있다는 것을 의미합니다.

 

 

해석모델

 

•  3D CAD 모델링으로 작업 후 기하형상 단순화
•  유체 영역은 모델 세부 사항 및 요청된 분석에 기초해서 직사각형 고체로 모델링
•  공기 영역의 크기는 폭 30m, 길이 110m, 높이 10.1m

 

B-Rep 솔리드로 불러와서 변환한 선체 표면

 

유체 영역

 

CFD 기반의 시뮬레이션의 경우 유체 영역을 생성하는 것은 매우 중요한 프로세스 중 하나입니다. 유체영역은 요소망과 결과의 품질에 영향을 미칩니다. 따라서 불러온 모델의 가장자리 문제를 수정한 다음 표면은 B-Rep 솔리드에 병합하는 작업을 했습니다.

 

선체 표면을 B-Rep 솔리드로 변환하면 부울 연산(Boolean Operation)에서 도구로 쉽게 사용할 수 있어서 유체 영역에서 각인물을 제거할 수 있습니다. 유체 영역 자체는 단순히 모델 세부 사항 및 요청된 분석을 기반으로 지정된 치수의 직사각형 고체일 수 있습니다. 본 모델의 공기 영역 크기는 폭 30m, 길이 110m, 높이 10.1m 입니다.  해역은 너비와 길이가 동일하며 깊이는 20.6m 입니다. 그 영역은 모델 전방 부분에서 26m 떨어져 있고, 후방 부분은 50.3m 떨어진 거리에 있어서 웨이크(배가 지나간 흔적)가 제대로 전개될 수 있는 충분한 공간입니다.

 

 

 

요소망생성

 

 

유체 영역 요소망 생성; 해역과 공기 영역

 

유체 영역의 크기를 정의한 후 NFX가 제공하는 부울 연산 기능을 통해서 선체 모델의 각인을 제거합니다. 그 영역은 공기와 해역의 두 부분으로 나뉩니다. 두 파트는 요소망 크기를 동일하게 적용했습니다.

 

해역 및 공기 영역에서 가장자리 크기 제어를 정의해야 하는데,  해당 영역에서 보다 정확한 결과를 얻을 수 있도록 합니다. 이어서 시행착오를 수반하는 반복절차를 수행하고, 구체적으로는 요소망의 품질을 확인하고 각인물의 기하학적 구조를 변경하거나 단순화합니다.

 

가장 좋은 요소망 품질은 해당 가장자리의 크기와 결합된 여러 개의 요소망 크기를 시험했으며, 결과적으로 요소망 크기 0.124m와 모서리 크기 0.62m를 도출했습니다.

 

NFX Structure에서 요소망 세분화

 

ECE R14 실험 하중

 

선박의 빠른 구조 모델링 전용 소프트웨어인 BVB CAFÉ를 사용하여 선체의 구조 모델링을 합니다. 그리고 생성된 모델을 NFX Structure로 가져와서 요소망을 세분화하고 추가분석을 진행합니다.

 

모드(Modal) 확인과 대칭 경계 조건을 고려한 위상 최적화

 

요소망 세분화 후 요소 품질 및 위상(topology)을 빠르게 확인할 수 있습니다. 다음으로 모달 해석을 통해 모델의 연결성, 접촉 등을 테스트합니다. 모달 해석을 수행한 뒤 간단한 구속조건을 사용하여 모델에 자유면이나 특이점이 없는 것을 확인할 수 있습니다.

 

중심 축을 기준으로 ‘half model’이 대칭되며 선체에 대한 완전한 모델을 얻을 수 있습니다.

 

 

 

해석결과

 

CFD 해석 결과

 

CFD 분석을 수행하여 예인선의 후미 부분에 대한 압력 분포를 확인했으며, 그 값을 구조 해석의 입력값으로 사용하였습니다. 결과는 다음과 같습니다.

 

First step pressure distribution

 

Level set deformation

 

선형 정적 해석 결과

 

CFD 해석에서 계산된 압력 하중을 사용하여 선형 정적 해석을 진행하였고, Von Mises 응력 및 전체 안전 계수를 계산했습니다.

 

선형 정적 해석 결과

 

선체와 해역의 상호 작용과 관련하여 CFD 시뮬레이션 결과를 이용하여 하중 값을 확인해야 합니다. 구조해석은 내부 하중(선체 구조 및 화물로 인한 무게 및 관성력) 뿐만 아니라 외부 하중(유체 압력으로 선체에 발생하는) 을 고려해야 합니다.

 

따라서 CFD  하중을 기반으로 설계 검증을 수행하려면 다음과 같은 여러 작업이 필요합니다. 선체 구조적 특성과 일치하는 요소망 생성,  하중 조건의 선택, 하중 조건과 관련한 유한 요소 모델에 대한 질량 할당, 선체의 표면 형상과 일치하는  CFD 요소망 생성, 적절한 파동 부하 선택, 선체 표면에서의 압력 계산 및 후처리, CFD 요소망에서 FEM 요소망으로 압력 하중을 매핑하여 외부 FEM 하중 계산, 적절한 내부 하중에 의한 외부 FEM 하중 균형, 그리고 마지막으로 이러한 FEM 하중을 기반으로 해석을 수행합니다.

 

선형 정적 해석 결과 -2

 

외연적 동해석 결과

 

충돌 해석 설정 및 결과

 

구조물의 후방 부분과 해양 구조물의 기둥 사이의 충돌을 분석합니다.

NFX Structure내에서 외연적 동적 솔버를 사용할 수 있는데 이것은 이미 가지고 있는 구조물의 후방 부분과 기둥(해양 구조물의 일부) 사이의 충돌 사례를 분석하는데 사용할 수 있습니다.

 

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