선박 및 해양구조물 디지털 트윈 구현을 위한 다양한 차수축소모델의 적용성 연구

Abstract

최근 안전사고 예방의 중요성이 증가하면서 구조물의 손상에 대한 빠른 대응을 위해 계측된 데이터를 통해 실시간으로 모니터링하여 구조물의 건전성을 평가할 수 있는 연구가 진행되고 있다. 특히, 실제 구조물을 반영한 가상의 쌍둥이 모델인 디지털 트윈(Digital twin)을 구축하여 실시간으로 계측 데이터를 통해 구조물에 대한 구조응답 평가, 손상 감지 및 예측하는 기법에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다. 선박 및 해양구조물의 경우 규모가 크고 복잡한 구조이며 실시간으로 변동하는 파랑하중이 작용하기 때문에 수치해석을 수행하기 위해서는 많은 계산비용이 요구된다. 따라서 수치해석을 이용한 실시간 계측 데이터 기반의 구조 건전성 평가를 수행하는 것은 한계가 있으며, 실시간 입력되는 데이터에 대하여 빠르고 효율적으로 구조응답을 평가하기 위해서 차수축소기법을 적용할 필요가 있다. 본 논문에서는 선박해양플랜트연구소에서 개발한 다목적 해양구조물인 다중연결 해양부유체와 6750TEU 컨테이너 선박을 대상으로 다양한 차수축소모델을 구축하고 수치해석 및 모형시험 계측 데이터를 입력으로 출력된 구조물의 구조응답을 비교함으로써 각 차수축소모델의 성능을 평가하였다. 각 구조물에 대한 차수축소모델은 변형 기반 모드 차수축소법, 적합직교분해법, 크리로프 부공간 차수축소법을 적용하여 구축하였다. 다중연결 해양부유체의 경우 수치해석 결과를 이용하여 데이터 기반의 차수축소기법인 변형 기반 모드 차수축소법, 적합직교분해법을 적용하였으며, 선박해양플랜트연구소에서 수행한 모형시험의 변형률 게이지 계측 데이터를 활용하여 각 차수축소모델의 구조응답 예측성능을 평가하였다. 6750TEU 선박의 경우 전체 시스템 행렬을 출력하여 크리로프 부공간 기저벡터 기반의 자유도가 축소된 시스템을 구축하였다. 차수축소시스템의 성능을 평가하기 위해 실제 해상상태를 모사한 불규칙한 파랑하중에 대한 구조물의 응답을 전체 시스템에 대한 상용 프로그램인 ANSYS MAPDL 수치해석 결과와 비교 및 분석을 수행하였다.