Krylov Subspace 기반 차수축소법을 활용한 부유식 해양구조물의 디지털 트윈 모델 적용 연구

Abstract

부유식 해상풍력을 포함한 해양구조물은 일반적으로 보수적인 안전계수를 적용하여 설계되지 만, 실제 해상환경에서의 운용시 조류, 바람, 파랑 등의 복합적인 하중이 불규칙적으로 작용하기 때문 에 충분한 안전계수를 고려하여 설계되었다고 해도 구조적 안전성을 완벽히 보장하기 어렵다. 특히 예상하지 못한 극한 파랑 하중, 구조물의 열화, 운용 중 사고로 인해 구조적 손상이 발생할 수 있으며, 이에 신속하고 효과적으로 대응하기 위해 구조물의 상태를 실시간으로 모니터링하고 예측할 수 있는 디지털 트윈(digital twin) 기술이 필수적이다. 본 연구에서는 부유식 해상풍력과 다중연결 해양부유체를 대상으로 부유식 해양구조물의 구조응답을 예측하는 시간 효율적인 디지털 트윈 모델 개발을 위해 Krylov Subspace 기반 모델 차수축소법을 적용하였다. 먼저 유체-구조 연성 수치해석을 기반으로 전체자유도 모델(full order model)을 구성하는 시스템 행렬과 주파수 성분별 파랑하중 벡터를 구축하였다. 이후 해상환경을 고려한 충분한 범위의 주파수 성분별 파랑하중 벡터를 중첩하여 불규칙파랑하중을 만들어 스냅샷(snapshot) 파랑하중 벡터를 생성하고 시스템행렬과 함께 Krylov Subspace에 투영하여 차수축소모델(reduced order model)을 생성하였다. 해당 차수축소모델은 수치 시뮬레이션을 통해 검증하였으며, 축소자유도별 예측 정확도를 평가하였다. 결과적으로 차수축소모델은 전체자유도 모델 대비 적은 자유도 수만으로 높은 정확도로 구조응답을 예측할 뿐만 아니라 빠른 시뮬레이션 속도를 가진다. 본 차수축소모델은 실시간 하중 입력 기반의 구조응답 예측이 가능하여, 부유식 해상풍력 시스템의 구조건전성 모니터링 및 운영 최적화를 위한 디지털 트윈 구현에 효과적으로 기여할 수 있을 것으로 기대된다.