해상 크레인을 이용한 해상 풍력 발전기의 다물체계 동역학 설치 해석

구남국,하솔,김기수,노명일,Ku, Nam-Kug,Ha, Sol,Kim, Ki-Su,Roh, Myung-Il 한국전산구조공학회 2013 한국전산구조공학회논문집 Vol.26 No.4

신재생, 친환경 에너지에 대한 관심의 증가로 최근 상당수의 풍력 발전기가 설치되고 있다. 특히, 육상과 달리 부지 확보의 어려움도 없고 고품질의 바람을 얻을 수 있다는 점에서 해상 풍력 발전기가 더욱 주목을 받고 있다. 이와 같은 장점을 가진 해상 풍력 발전기는 육상의 조선소 등에서 제작된 후, 해상 크레인을 이용하여 운용 지점까지 이송되어 설치되는데, 이때 그 크기의 거대함과 고가라는 이유로 무엇보다 안전이 보증되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 해상 풍력 발전기의 이송 및 설치 시 안전성을 보증하기 위한 근거로서, 다물체계 동역학 기법을 활용하여 해상 크레인에 연결된 해상 풍력 발전기의 동역학 해석을 수행하였다. 그 결과, 본 기법이 해상 풍력 발전기의 이송 및 설치방법에 대한 검증용으로 충분히 활용 가능함을 확인할 수 있었다. Recently, a number of wind turbines are being installed due to the increase of interest in renewable, environment-friendly energy. Especially, an offshore wind turbine is being watched with keen interest in that it has no difficulty in securing a site and can get high quality of wind, as compared with a wind turbine on land. The offshore wind turbine is transferred to and installed on the site by an offshore floating crane after it was made in a factory on land such as shipyard. At this time, it is important to secure the safety of the turbine because of its huge size and expensive cost. Thus, a dynamic analysis of the offshore wind turbine which is connedted with the offshore floating crane was performed based on the multibody systems dynamics in this study. As a result. it is shown that the analysis can be applied to verify the safety of a method for the transportation and installation of the offshore wind turbine suspended by the crane.

착용식 로봇 제어를 위한 Impedance Control의 시뮬레이션 및 실험적 고찰

구남국,권정한,차주환,이규열 제어로봇시스템학회 2010 제어로봇시스템학회 국내학술대회 논문집 Vol.2010 No.5

조선 생산 공정의 작업자는 오랜 시간 팔을 뻗고 위 보기 작업(overhead operation)을 수행하고 있으며, 이는 근 골격계 질환을 발생시킬 수 있다. 이를 예방하고자, 본 논문에서는 위 보기 작업 지원을 위한 착용식 로봇의 impedance control 시뮬레이션 및 하드웨어 실험을 수행하였다. 착용식 로봇은 총 6 개의 회전 관절(어깨 2 자유도, 팔꿈치 1 자유도, 손목 3 자유도)로 구성되며, 작업자가 착용식 로봇에 가하는 힘을 end-effector에서 계측하고, 이를 제어에 사용하였다. 운동방정식은 뉴턴역학을 기반으로 한 relative coordinate formulation 을 이용하여 구성하였으며, 각 관절에 설치되어 있는 motor의 관성력과 감쇠력을 모델링 하여 운동방정식에 반영하였다. 착용식 로봇에 작용하는 외력으로는 중력, 작업자와 로봇 사이의 접촉력, 그리고 각 관절에 작용하는 제어력을 고려하였다. 제어력은 로봇 암의 transient motion과 steady state motion을 제어할 수 있는 impedance control을 사용하여 구성하였으며, 수치적 시뮬레이션을 통하여 로봇 암의 transient motion을 제어할 수 있음을 확인하였다. 또한 3자유도 착용식 로봇(어깨 2 자유도, 팔꿈치 1 자유도)의 하드웨어를 제작하여 impedance control을 이용한 실제 제어 성능을 검증하였으며, 이를 통하여 조선 생산 공정 작업 지원을 위한 착용식 로봇에 impedance control을 적용할 수 있음을 확인하였다.

상하동요 감쇠장치 적용을 통한 새로운 다물체동역학 프로그램의 적용성 검토

구남국,하솔,노명일,Ku, Nam-Kug,Ha, Sol,Roh, Myung-Il 한국전산구조공학회 2013 한국전산구조공학회논문집 Vol.26 No.4

In this paper, dynamic response analysis of a heave compensation system is performed for offshore drilling operations based on multibody dynamics. With this simulation, the efficiency of the heave compensation system can be virtually confirmed before it is applied to drilling operations. The heave compensation system installed on a semi-submersible platform consists of a passive and an active heave compensator. The passive and active heave compensator are composed of several bodies that are connected to each other with various types of joints. Therefore, to carry out the dynamic response analysis, the dynamics kernel was developed based on mutibody dynamics. To construct the equations of motion of the multibody system and to determine the unknown accelerations and constraint forces, the recursive Newton-Euler formulation was adapted. Functions of the developed dynamics kernel were verified by comparing them with other commercial dynamics kernels. The hydrostatic force with nonlinear effects, the linearized hydrodynamic force, and the pneumatic and hydraulic control forces were considered as the external forces that act on the platform of the semi-submersible rig and the heave compensation system. The dynamic simulation of the heave compensation system of the semi-submersible rig, which is available for drilling operations with a 3,600m water depth, was carried out. From the results of the simulation, the efficiency of the heave compensation system were evaluated before they were applied to the offshore drilling operations. Moreover, the calculated constraint forces could serve as reference data for the design of the mechanical system. 본 논문에서는 해상 시추작업을 위한 heave compensation system의 시뮬레이션 모델을 개발하였다. 우선 시뮬레이션을 위하여, 다물체계 동역학 커널을 개발하였다. 다물체계 동역학 커널은 입력 받은 heave compensation system 시뮬레이션 모델의 운동학적 정보를 이용하여 recursive Newton-Euler formulation 방법을 기반으로 운동방정식을 자동으로 구성하고, 수치적으로 해를 계산하는 기능을 한다. 그리고 해상 시추선에 작용하는 외력을 계산하기 위하여 유체 정역학적 힘과 유체 동역학적 힘을 계산하는 모듈을 개발하였다. 이와 같이 개발한 커널과 모듈들을 적용하여 해상 시추선의 hoisting system 동적거동 해석을 수행하고, 관절에서의 구속력을 계산하였다.

인공신경망을 이용한 저항 점용접 품질 예측에 관한 연구

구남국,김종규,구자훈,박영도,김영창,황영민 대한용접·접합학회 2021 대한용접학회 특별강연 및 학술발표대회 개요집 Vol.2021 No.5

자동차 산업은 강판의 접합을 위해 원가와 생산성 측면에서 유리한 저항 점용접을 가장 많이 사용한다. 하지만 실제 현장에서 저항 점용접은 비용적인 측면 때문에 x-ray나 초음파를 이용한 비파괴 검사법이 아닌 파괴 검사법을 통해 용접품질을 검사하고 있다. 파괴검사는 공정이 끝난 후에 공정 중의 문제점을 알 수 있다는 단점이 있기 때문에, 실시간으로 용접의 품질을 예측할 수 있는 연구가 활발히 진행 중이다. 용접품질은 너겟직경에 의해 결정되며 여러 가지 독립변수에 따라 그 크기가 달라진다. 본 연구에서는 너겟직경을 예측하기위해 선형회귀 모델과 인공신경망 모델을 구축하였다. 독립변수는 용접 실험을 통한 결과인 동저항 패턴과 전류를 통해 전력 패턴을 구하고, 9가지의 전력 특성값들을 사용한다. 상관관계 분석을 통해 9가지의 전력 특성값 중 너겟직경과 상관성이 가장 높은 3가지 인자를 최종적인 독립변수로 결정하였다. 선형회귀모델은 다중선형회귀 분석법을 통해 구축하였으며, 인공신경망 모델은 3개의 은닉층과 42-24-12의 노드를 가지는 심층 신경망 모델을 구축하였다. 본 연구는 실제 측정된 너겟직경과 예측된 너겟직경과의 오차가 0.2이하인 값을 양품이라고 가정하였다. 선형회귀모델의 너겟직경 예측결과 약 36%를 양품으로 예측하였으며, 인공신경망 모델의 너겟직경 예측결과 약 76%를 양품으로 예측하였다. 이를 근거로 선형회귀모델 보다 인공신경망 모델이 우수한 결과를 가졌다. 그러나 더 많은 용접 데이터를 활용하거나 강종의 정보를 활용하면 용접품질예측 시스템의 개선이 가능할 것으로 보인다.

해상 크레인을 이용한 해상풍력발전기의 이송 및 설치 시뮬레이션

구남국,Gu, Nam-Guk 한국전산구조공학회 2013 전산구조공학 Vol.26 No.2

부유식 해상 풍력 발전기의 운동 방정식 구성 자동화를 위한 Multibody Formalism 개발

구남국,조아라,Martin Friebe,이규열 대한조선학회 2011 대한조선학회 학술대회자료집 Vol.2011 No.6

본 논문에서는 부유식 해상 풍력 발전기의 설계와 생산 계획 단계에서 필요로 하는 동적 거동 및 동적 하중 계산을 위하여, 다물체계 동역학을 기반으로 multibody formalism 을 개발 하였다. 부유식 해상 풍력 발전기는 부유식 플랫폼 위에 타워(tower), 낫셀(nacelle), 허브(hub), 그리고 3 개의 블레이드(blade)가 고정 관절(fixed joint) 또는 회전 관절(revolute joint)로 연결되어 있는 다물체계 시스템(multibody system)으로 정의할 수 있다. 본 논문에서는 다물체계 동역학 기반의 recursive formulation 을 이용하여 운동 방정식을 구성하고 있다. 본 연구에서 개발한 multibody formalism 은 그래프 이론을 바탕으로 하여 다물체계 시스템을 구성하고 있는 물체의 형상정보, 속성정보, 그리고 물체들 간의 연결관계를 입력 받아 운동방정식을 자동으로 구성하고, 수치적 해를 계산하는 기능을 한다. 부유식 해상 풍력 발전기의 보다 정확한 동역학적 거동해석을 위하여 부유식 풍력 발전기의 임의자세를 고려한 비선형 유체 정역학적 힘(hydrostatic force with non-linear effects)과 3D Rankine panel 방법을 이용하여 계산한 선형 유체 동역학적 힘(linearized hydrodynamic force), blade element method(BEM)을 이용하여 계산한 풍력(aerodynamic force), 그리고 계류력(mooring force) 계산 모듈을 개발하였다. 그리고 외력 계산 모듈을 multibody formalism 과 통합하여 다물체계 시스템의 운동 방정식과 동시에 풀어 부유식 해상 플랫폼에 작용하는 동적 하중을 계산 하였다.

Verification of Projection Welding Quality through Image Learning

구남국,박영도,고미혜 대한용접·접합학회 2019 대한용접학회 특별강연 및 학술발표대회 개요집 Vol.2019 No.5

해상크레인으로 인양하는 중량물의 Tagline 제어를 위한 다물체계 동역학 시뮬레이션 및 실험

구남국,이규열,권정한,차주환,함승호,하솔,박광필,Ku, Nam-Kug,Lee, Kyu-Yuel,Kwon, Jung-Han,Cha, Ju-Hwan,Ham, Seung-Ho,Ha, Sol,Park, Kwang-Phil 한국시뮬레이션학회 2010 한국시뮬레이션학회 논문지 Vol.19 No.1

This paper describes tagline PD control for reduction of motion for the heavy cargo(load) suspended by a floating crane. The equations of motion are set up considering the 6-degree-of-freedom floating crane and the 6-degree-of-freedom load based on multi-body system dynamics. The tagline mechanism is applied to floating crane to control motion of the heavy cargo(load). The winch, mounted on the deck of floating crane, is used to control the tension of tagline. To generate control force, PD control algorithm is applied. Numerical simulation and experiment is executed to verify the tagline control mechanism. The numerical simulation and experiment shows that the tagline control mechanism reduces the motion of the load suspended by a floating crane.

부유식 해상 풍력 발전기의 Tower Top 및 Rotor Shaft에 작용하는 동적 하중 계산

구남국,노명일,이규열,Ku, Nam-Kug,Roh, Myung-Il,Lee, Kyu-Yeul 한국전산구조공학회 2012 한국전산구조공학회논문집 Vol.25 No.5

In this study, we calculate dynamic constrained force of tower top and blade root of a floating offshore wind turbine. The floating offshore wind turbine is multibody system which consists of a floating platform, a tower, a nacelle, and a hub and three blades. All of these parts are regarded as a rigid body with six degree-of-freedom(DOF). The platform and the tower are connected with fixed joint, and the tower, the nacelle, and the hub are successively connected with revolute joint. The hub and three blades are connected with fixed joint. The recursive formulation is adopted for constructing the equations of motion for the floating wind turbine. The non-linear hydrostatic force, the linear hydrodynamic force, the aerodynamic force, the mooring force, and gravitational forces are considered as external forces. The dynamic load at the tower top, rotor shaft, and blade root of the floating wind turbine are simulated in time domain by solving the equations of motion numerically. From the simulation results, the mutual effects of the dynamic response between the each part of the floating wind turbine are discussed and can be used as input data for the structural analysis of the floating offshore wind turbine. 본 연구에서는 부유식 해상 풍력 발전기의 로터 축과 타워 상단에 작용하는 동적 하중을 계산하였다. 부유식 해상 풍력 발전기는 부유식 플랫폼, 타워, 낫셀, 허브, 그리고 3개의 블레이드로 구성되어 있는 다물체계 시스템이다. 본 연구에서는 이들 모두를 각각 6 자유도를 갖는 강체로 가정하였다. 부유식 해상 풍력 발전기의 타워는 플랫폼에 고정되어 있고, 3개의 블레이드는 허브에 고정되어 있다. 낫셀은 타워의 상부에 회전 관절로 연결되어 있으며, 블레이드와 허브로 구성된 로터는 낫셀과 회전 관절로 연결되어 있다. 본 연구에서 부유식 풍력 발전기의 운동 방정식은 다물체계 동역학을 기반으로 한 운동방정식 구성 방법 중 하나인 recursive formulation을 이용하여 구성하였다. 외력으로는 부유식 플랫폼에 작용하는 비선형 유체 정역학 힘과 선형 유체 동역학적 힘 그리고 계류력을 고려하였고, 블레이드에 작용하는 풍력을 고려하였다. 이와 같이 구성한 운동 방정식을 해를 구하여 풍력 발전기를 구성하고 있는 각 요소들의 각 연결 부위에 작용하고 있는 구속력을 계산하였다. 그 결과, 동적 상태에서 풍력 발전기에 작용하는 하중은 정적 상태에서 풍력 발전기에 작용하는 하중보다 큰 것을 알 수 있으며, 따라서 부유식 풍력 발전기의 구조해석의 입력 값으로서 정적 하중보다 동적 하중을 고려하는 것이 더 엄격한 해석 기준이라고 할 수 있다.

해상 시추선의 Heave Compensation System의 동적 거동 해석

구남국,조아라,박광필,이규열,노명일 한국해양환경·에너지학회 2012 한국해양환경·에너지학회 학술대회논문집 Vol.2012 No.5

본 논문에서는 해상 시추선의 heave compensation system의 동적 거동 해석을 수행 하켰다. 우선 시뮬레이션을 위하여, 다물체계 동역학 kernel을 개발하였다. 다물체계 동역학 kernel은 입력 받은 heave compensation system 시뮬레이션 모델의 운동학적 정보를 이용하여 recursive Newton-Euler formulation 방법을 기반으로 운동방정식을 지동으로 구성하고, 수치적으로 해를 계산하는 기능을 한다. 그리고 해상 시추선에 작용하는 외력을 계산하기 위하여 유체 정역학적 힘과 유체 동역학적 힘을 계산하는 모듈을 개발하였다. 또한 heave compensation system의 기능을 시뮬레이션 하기 위하여 유공압 힘을 계산할 수 있는 모듈을 개발하였다. 이와 같이 개발한 커널과 모듈들을 적용하여 해상 시추선의 hoisting system 동적 거동 해석을 수행하고, 관절에서의 구속력을 계산하였다.