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예준 국
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1 54 연구논문 용접구조물의변형최소화를위한최적용접순서의해석적방법 하윤석 *, * 삼성중공업산업기술연구소용접연구파트 Analytical Methodology Obtaining an Optimal Welding Sequence for Least Distortion of Welded Structure Yunsok Ha*, *Welding Research, Samsung Heavy Industries Co., LTD., Geoje , Korea Corresponding author : yunsok.ha@samsung.com (Received May 8, 2013 ; Revised June 20, 2013 ; Accepted June 24, 2013) Abstract Several methodologies analyzing welding distortions of large shell structures like ship blocks have been developed and utilized in shipyards for a long times ago. In general, one of objects of thermal distortion analysis is to find welding sequence making least-deformation without any suppliance, and it can be solved easily and rapidly by EP strain-boundary method. But after assembly construction, there are usually more than 10 weldments in each process, and the number of sequence will follow the Factorial calculation. In this research, a method has been suggested to decide the best welding sequence by minimum analysis. Using this method, welding deformation could be reduced just analyzing some cases as many as the number of weldments. Experiments and Analysis of all cases were also done, and their best results are good agreements with predictation by suggested methodology. Key Words : Ship block, Wedling distortion, Shell element, FEM, Sequence 1. 서론 선박의건조과정에적용되는생산기술중과거에는경험으로진행되던많은분야가현재는상당부분공학적시뮬레이션의범위내에포함되어합리화및최적화의과정을거치고있다. 대표적으로용접열변형해석 1), 블록내부의도장건조해석 2), 부식방지를위한전자기장해석 3), 크랙방지를위한수소확산해석 4), 선체블록의크레인이동후곡직부잔존효율해석 5), 경도파악을위한상변태해석 6), 계측값변환을위한복사해석 7), 리프팅시와이어간섭파악을위한동적해석 8) 등학문적배경으로는재료역학, 유체유동, 전자기, 고체확산, 소성학, 기구학, 금속상변태, 열전달등을배경으로하고있고, 도구적인방법론으로는대부분 FEM( 유한요소해석 ) 이나 CFD( 전산유체역학 ) 및 MBD( 다물체동역학 ) 가사용된다. 이중에서선박이나해양구조물의 건조 / 생산분야에서역사가가장긴것으로는단연용접열변형해석분야를거론할수있다. 선박건조공정에서의용접에기인한블록의열변형해석분야는해석대상의규모확대와처리속도의증가에관심을두고발전되어왔다. 이는열변형해석이기본적으로연성해석 (coupled analysis) 인관계로, 전통적인 3D 요소를사용한열탄소성해석법 9) 으로는전산환경이좋아진현재에도시편단위의분석에수시간이걸리기때문이다. 현재의선체구조열변형해석에서의가장큰공헌들을열거하면각조선소의 3차원전산설계로부터의모델링시스템구축 10), 열변형모델링에각 (shell) 요소사용 11), 등가하중법 12) 에서시작된변형률경계법 13,15) 의사용등이있다. 그런데공학적으로는재료역학과열전달및금속야금학의상당한융합적지식을요구하는열변형분야의해석수준이고도화되는것이실제의선박건조과정에서그에비례하는효과를얻을수있느냐에대한질문 Journal of KWJS Vol.31 No.3(2013) pp

2 용접구조물의변형최소화를위한최적용접순서의해석적방법 55 에는회의적일수있다. 열변형수치해석의정량적결과의적용은일반적으로 3가지로이루어진다. 첫째, 소부재의조립시웹 (web) 의거동처럼면내용접변형만있는경우에역설계 14) 를할수있다. 둘째, 용접의면외변형이예상되는부재나선체블록을히팅이나굽힘하중을이용하여역방향으로선행화하는역가공을할수있다. 마지막으로탑재단계에서탑재용접에기인한전체적인뒤틀림을고려하여, 중요한정도에맞추도록세팅하는역세팅을들수있다. 그외로는설계단계에서부터열변형을고려하여칼링 (carling) 설치위치를파악하는도구로쓸수도있다. 이모든과정들은전제조건이있으며, 시스템이나추가부재등해석이외의투자비용의발생이항시일어난다. 특히고도화된해석의결과가보강재의추가등으로대응하는데사용된다는것은중량절감에도반 ( 反 ) 할뿐아니라매우소극적인활용이라고볼수있다. 이에본연구에서는해석의결과가추가적인투자없이도정도품질에이바지할수있는가를먼저고려하였다. 일반적인선체블록은중조립이후에는각단계 ( 중조립, 대조립, PE, 탑재 ) 가적어도 10곳안팎의용접부로이루어져있다. 용접부는소성영역을발생시키는데다가각용접부는모두자신의수축에의한전체정도를변화시킨다. 따라서동일한용접구조물이있을때 ( 가접된상태에서 ) 그용접순서를다르게하면변형의크기도달라질수있다는것은널리알려진사실이다. 각용접순서마다변형의결과가모두다르다면, 결과적으로특정방법은다른방법들보다정도를좋게하거나나쁘게할수있다는뜻이고, 이것을해석 / 분석할방법이있다면실제작업시에는추가비용없이좋은품질의건조가이루어질수있을것이다. 물론이것은각 (shell) 요소모델링에서도서로다른용접순서에서다른용접변형의양상을구현한탄소성변형률경계법 13) 등으로현재구현이가능하다. 그러나현재이해석기술로선체블록의저변형최적용접순서를도출하는데는좀다른관점에서상당히무리가있다. 용접부가 2곳인블록은 2가지방법의순서가존재한다. 3곳인경우는 6가지이며, 이계산은순열 (permutation) 의계산방법에해당한다. Solver 에서초 / 분단위로처리가가능한변형률경계법이라도, 전후처리과정에서약한시간씩의준비및분석과정이필요하므로, 실제작업가능한수준의용접부는 24 (=4!) ~ 120 (=5!) 가지의해석이필요한용접부 4~5 곳의블록이한계일것이다. 본연구는탄소성변형률경계법의활용을극대화하기위하여, 변형을줄이는용접순서를도출하려고하는바, 순서도출에필요한순서를파격적으로줄 이지않으면해석방법론이용접부가많은대형블록에는적용될수없는점을극복하는것에주안점을두었다. 이에기존의열변형도기반탄소성변형률경계법을검증하기위한동일블록실험의결과 13) 에먼저주목하였다. 2. 탄소성변형률경계법검증실험 열변형도에기반한탄소성변형률경계법에서의해의도출과정은 Fig. 1 13) 에모사되어있다. 이그림은고온액적의용접부가냉각되면서응력-변형도곡선이열변형도만큼음의방향으로이동되며강성이회복될때, 온도가변하지않고있는주변부와응력평형이이뤄지는과정에서압축잔류변형과인장잔류응력이도출되는과정을보여주는데사용된다. 해석기구내에서응력평형을이루는과정에서용접구조물에잔류하는소성변형도 (ε P ) 는그다음용접부의수축해석시영향을주게된다. 이영향에의한용접순서별해석결과들의순서가실제와얼마나부합되는지확인을위한실험 13) 이이미소개된바있다. 이실험의목적은변형률경계법으로도출된각기다른순서에서의최종변형결과가실제결과와얼마나부합하는지확인하는것이었다. 따라서이연구에서는동일한형상의용접구조물시편을도출가능한모든용접순서의가지수만큼제작한후, 마찬가지의해석과정을거쳐서변형의결과가좋은순서대로나열한것이실험과해석간에같은순서를보이는지를확인하려고하였다. 시편은 Fig. 2 13) 와같이주판에 4개의보강구조가필릿용접으로구성하되, 보강구조간의용접도필릿으로설계하였다. Fig. 3 13) 은 6가지의가능한용접순서를보여주고있고, Fig. 4 13) 는이실험에서의저변형의기준으로삼은지표가표현되어있다. 이후사례연구에서부연하겠지만, 무엇을목적으로삼느냐에대하여가장좋은용접순서는당연히바뀔수있다. 본실험에서는변위의 order 가가장큰면외변형만을골라 th ε + ε ph ε p Modeling Stiffness ε Total Fig. 1 EP analysis based on thermal strain versus elastic analysis (Ha, 2011) σ σ Y ε 大韓熔接接合學會誌第 31 卷第 3 號, 2013 年 6 月 223

3 56 하윤석 ΔZ_1 ΔY ΔX ΔZ_2 Y Z ¼ Analysis X Deformation index Fig. 4 Deformation index for comparison (Ha, 2011) Fig. 2 Specimen design for verification of developed EP analysis (Ha, 2011) Table 1 Recommended welding sequence according to deformation index (mm) (Ha, 2011) Experiment Analysis 1(best) BAC 4.61 BAC ABC 6.81 ABC ABC 2. ACB 3. BAC 4. BCA 5. CAB 6. CBA Fig. 3 Workable welding sequence diagram (Ha, 2011) 서그합으로지표를삼았다. 구조물이상하좌우대칭이므로하나의구조물에서해당지표값은 4개가도출되므로그평균값을사용하였고, 이렇게함으로써편차가큰용접실험의한계를조금이라도극복하려고하였다. Table 1 13) 에실험에서드러난저변형순서와해석에서도출된저변형순서를비교하였다. 각순서의이름은 Fig. 3에서지칭된용접부를순서대로그대로서술하는방식으로지칭하여직관적으로각경우의용접순서를인지할수있도록하였다. 결과는대략두가지방향에서고찰할수있다. 우선, 실험결과는순서별변형량의차이가큰편이나해석결과는그차이가크지않다. 그러나 6개경우의평균적인결과는어느정도유사한것을확인할수있다. 다음으로순서에대한결과는매우고무적이다. 용접순서가고려됨에따라구조물은단계적으로내부잔류응력및소성변형률그리고전체구조물강성이조금씩바뀌는데그민감한차이에기인한시편의순서들간의변형해석결과는실 3 CBA 7.60 BCA CAB 7.62 CBA BCA 8.69 CAB (Worst) ACB 9.98 ACB 8.00 험의순서와거의일치한다. Table 1에서음영처리된 BCA- 경우를제외한나머지 5개간의용접저변형순서는해석결과와실험결과간의순서가동일하다. 특히가장좋은결과와나쁜결과에대해서는정확히예측하였다. 기존의연구에서이루어진실험-해석간의비교에추가적인의미를부여하면, 용접순서변경에의한변형량의최소와최대의차이는실험에서 2배이상까지발생하였다는것이다. 즉, 해석이변형에대한정량적인예측을정확하게하지못했다고하더라도, 작업의순서를결정하는정성적인결과는매우유용하게쓰일수있다. 3. 후순위법 전 ( 前 ) 장에서제시한결과를얻기위해 3그룹의용접부에대하여총 6번의해석이있었고, 각해석은 ( 용접부가 3곳이므로 ) 3단계에걸쳐이루어진다. 결과를고찰하면, 일단가장좋은정도를보인용접순서가가장나쁜정도를보인순서의정반대도아닌것을확인할수있다. 즉, 어떠한방법으로든해석숫자를줄여서라도최고정도를보이는용접순서를찾으려는것은쉽지않아보인다. 이에본연구는현업에서의오랜경험규칙한가지를적용하여본결과를다시고찰할것이다. 조선소에서는 224 Journal of KWJS, Vol. 31, No. 3, June, 2013

용접구조물의변형최소화를위한최적용접순서의해석적방법 57 아주높은정도로품질이보장되어야하는부품에대해서는, 여러곳의용접부에대하여변형을가장심하게일으킬것같은곳을맨마지막에용접한다. 새로운형상의해양구조물들이계속적으로조립되는야드에서상기와같은짐작을모두옳게한다는것은어려운일이다. 다만이렇게작업하는것은다음과같이충분히공학적으로설명할수는있다.

4 용접구조물의변형최소화를위한최적용접순서의해석적방법 57 아주높은정도로품질이보장되어야하는부품에대해서는, 여러곳의용접부에대하여변형을가장심하게일으킬것같은곳을맨마지막에용접한다. 새로운형상의해양구조물들이계속적으로조립되는야드에서상기와같은짐작을모두옳게한다는것은어려운일이다. 다만이렇게작업하는것은다음과같이충분히공학적으로설명할수는있다. 용접전모든부재는가접 (tack) 이이루어진상태에서수행되지만, 가접보다는용접이완료된후의강성이훨씬강하기때문에, 만일변형에영향이큰용접이선행되면, 낮은강성에서구조물을쉽게뒤틀리게할것이다. 따라서, 본연구에서는마지막단계의용접이가장중요하다는전제아래 Table 1의 Analysis 의결과를다시고찰하였다. 일단, 가장좋은순서를보인앞선두경우는 C 의용접이맨마지막에수행되었고, 가운데두경우는 A 용접이마지막에수행되었으며, 마지막두경우는 B 용접이마지막에수행되었다. 즉, 변형정도를기준으로한용접순서간의서열은마지막용접부가무엇인가에대하여서로섞이지않고그룹화가가능하다. 이제이결과들을다음과같이조합해보려고한다. C 가마지막에오는것이가장좋았으므로 C 를마지막에배치하고, 그다음으로는 A 였으므로그앞에 A 를수행하여, 마지막으로는 B 였으므로 B를그앞에배치하고그순서를보면 BAC 로나열이된다. 이분석결과는해석해들의집합에서가장좋은결과를준것과동일하다. 이단락에서의결론은결국두가지로귀결된다. 마지막용접순서로그결과가섞이지않으므로, 마지막에무엇을용접하느냐만으로해석수를줄일수있다는것과, 그결과로가장좋은순서를만들수있다는것이다. 상기의실험의경우는 A, B, C 각용접부를마지막에해석하는세번의해석으로결과를낼수가있다. 각해석은기존에는용접부의숫자만큼의 step 이필요하였으나, 이경우엔첫번째 step 에서는마지막으로가정한용접을제외한전용접의동시해석, 그리고두번째 step 에서는마지막용접을포함한해석으로진행할수있으므로, 용접부가몇곳이던간에단 2개의 step 만이필요하다. 용접부가늘어나면필요한해석수는용접부의수와똑같이증가하며, 한해석에필요한 step 의수는증가하지않고 2로고정된다. 본분석법의효용은 Table 2와같고, 본연구에서는이후후순위법 (Post Sequence Method) 이라는이름으로이방법론을기술할것이다. Table 2 Needed analysis number by post sequence method #. of weldline #. of Sequence (Conventional analysis) #. of step at each analysis (Conventional analysis) #. of needed analysis (Suggested methodology) #. of step at each analysis (Suggested methodology) A B E C H D 6 (3!) G F 120 (5!) 40,320 (8!) 3,628,800 (10!) 사례연구 Fig. 5에선박의자세제어에사용되는 Azimuth thruster 의정도를확보하기위한본연구의적용결과를도시하였다. 이블록엔 8곳의용접부가존재하며, 선체와의조립시최소밀링가공을위하여상부의평탄도가매우중요하다. 상부원둘레의 30도간격으로용접후레벨변화의편차를목적함수로하여도출된저변형최적순서의결과가 Fig. 5에도시되었다. 기술된바와같이 8 곳의용접부는 4만개이상의방법이존재하지만, 후순위법에의거 8번의해석으로결과를도출할수있다. 수행이필요한각 8개의해석은 3장에서각술한대로모두 2step 만을필요로하고, 이과정은 Table 3과같이정리하였다. 각해석의 1 step 항을관찰하면각용접부가하나씩빠진것을알수있다. 2 step 은모든용접부가다완료된상태이므로각해석의입력인자는같아보이나, 1step 에서빠진용접부가각해석별로모두다르므로, 2step 수행전각모델에남은소성변형도는모두다른상태이다. 특히 2step 은 1step 에서 Recomanded sequence for flatness B H F C E G D A Cf) Recomanded sequence for roundness deviation A G H D E F C B Fig. 5 Optimal welding sequence for flatness of welded structure 大韓熔接接合學會誌第 31 卷第 3 號, 2013 年 6 月 225

58 하윤석 Table 3 Needed 8 analyses for azimuth example by post sequence method Analysis 1 step 2 step Flatness (mm) Roundness deviation (mm) 1 BCDEFGH 0.362 0.622 2 ACDEFGH 0.453 0.518 3 ABDEFGH 0.

5 58 하윤석 Table 3 Needed 8 analyses for azimuth example by post sequence method Analysis 1 step 2 step Flatness (mm) Roundness deviation (mm) 1 BCDEFGH ACDEFGH ABDEFGH ABCEFGH ABCD EFGH 5 ABCDFGH ABCDEGH ABCDEFH ABCDEFG 빠진용접부만처리하는것이아니라, 전용접부를해석대상으로삼고있는데, 이는에너지가출입하는열탄소성해석과는달리, 변형도경계법해석의특징을잘보여주는것이다. 평탄도를나타낼목적함수로는상면의레벨결과의최대값과최소값의차를선정하였고, 이는밀링가공량을최소로하기위한것으로부터직관적으로설정한것이다. 최적의순서가평탄도를 0 으로보장하는것은아니지만, 이러한부재는허용공차내에들어갈때까지고가의밀링작업이수반되어야하므로, 차후의가공비용을최소화하게된다. 본연구에서제시한방법으로도출된순서대로용접된이블록은계측결과가매우양호하여밀링가공을거치지않고선체에탑재되었다. 조금다른관점에서의본연구결과의고찰을위하여목적함수를진원도 (roundness deviation) 14) 로바꾸어서해석을진행한결과도 Table 3 및 Fig. 5에같이도시되어있다. 추천된순서의전후만보면저변형을위한용접순서가대략뒤바뀐것을확인할수있다. 즉, 저변형용접순서라는것은특정목적부에서의변형을 Fig. 6 Pre-processing system of post sequence method for finding low weld-distortion 감소시키기위해다른곳에서는일반적인경우보다더큰변형을일으킬수도있다. 따라서, 본연구결과는선체블록의차단계용접부의정도나가공비용최소화등특수목적을수반하여수행될때효과가극대화될것이다. 본연구결과는 Fig. 6과같이조선소에존재하는전산설계도면에 user가관심있는용접부를지정하면, 저변형용접순서도출을위한후순위법해석이필요한해석의 set 을자동으로만들어내는자동화시스템으로구현되었다. Solver 에서의용접해석시간단축이방법론이나 H/W 등의발달로어느정도에이르게되면, 전체분석시간을줄이는데에대한체감은전처리과정을단축하는데에있다. 5. 결론 본논문에서는변형을줄이는용접순서를해석적으로찾는방법을연구하였다. 이과정에서 1) 기존의대형각 (shell) 구조물에적용되는탄소성변형도경계법을소개하였다. 2) 현장의경험을바탕으로변형에대한후순위용접의중요성을바탕으로해석수의최소화를꾀한방법론을제시하였다. 3) 제시한방법은동일블록의용접순서변경실험을통하여경향의유사성을입증하였다. 4) 본연구결과가이용된선체블록용접시의사례를들고, 목적함수에따라최적순서가달라질수있음을보였다. 참고문헌 1. Ha, Y.S. : A Study on Weldment Boundary Condition for Elasto-Plastic Thermal Distortion Analysis of Large Welded Structures. Journal of KWJS, 29-4 (2011) Song, Y.S., Seol, S.S., Yoon, K.W., Yang, M.S. Jeong, J.H. & Yoon, H.S. : A Study on the Prediction of Paint Dry Time at Ship Block's Inner Wall Placed in the Paint Dry Facility Adopting the Hot Air Supply System. Special Issue of the Society of Naval Architects of Korea, (2011), Kang, J.G., Lee, C.H. & Shin, J.G. : Numerical analysis of induction heating for the application of line heating. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 37-3 (2000), Oh, C.S. & Kim, Y.J. : Coupled Analysis of Hydrogen Transport Within ABAQUS. Journal of Mechanical Science and Technology, 33-6 (2011), Ha, Y.S., Won, S.H. & Yi, M.S. : A Study for Remained Efficiency of Correction Heating after Block Lifting. Special Issue of the Society of Naval 226 Journal of KWJS, Vol. 31, No. 3, June, 2013

6 용접구조물의변형최소화를위한최적용접순서의해석적방법 59 Architects of Korea, (2008), Ha, Y.S. & Jang, C.D. : Developed Inherent Strain Method Considering Phase Transformation of Mild Steel in Line Heating. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 41-6 (2004), Ha, Y.S. & Yi, M.S. : A prediction of Out-of-Plane Deformation on a Deck Plate by Temperature Difference between Steel and Air. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 49-3 (2012), Hwang, J.H., Ahn, J.I., Lee, S.B. Kim, Y.H., Choung, J.S., Ham, S.H. & Lee, W.J. : Free Surface Procedure for Lifting Operation by Parallel Connected Floating Cranes using Synchronized Operation System and Its Applications to Lifting Operations of a Heavy Cargo. Special Issue of the Society of Naval Architects of Korea, (2009), Lee, J.H., Shin, J.G. & Kim, J.H. : Three Dimensional Thermal-Elastic Plastic Analysis of GMAW Considering the Melting of Weld Bead. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 39(1) (2002), Heo, H.Y., Park, J.G., Ha, Y.S. & Jang, T.W. : Develpment of Automatic Computer-Aided Engineering System for Weld Distortion Analysis in Ship Production Altair Korea Technical Conference, Seoul, Republic of Korea, 19 October Jang, C.D. & Lee, C.H. A Study on the Prediction and Control of Welding Deformations of Ship Hull Blocks. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 37-2 (2000), Ha, Y.S. & Jang, C.D. : An Improved Inherent Strain Analysis for Plate Bending by Line Heating Considering Phase Transformation of Steel. International Journal of Offshore and Polar Engineering, 17(2) (2007), Ha, Y.S. : Development of Thermal Distortion Analysis Method on Large Shell Structure Using Inherent Strain as Boundary Condition. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 45-1 (2008) Ha, Y.S. : Thermal Distortion Analysis by Incornel Over-lay at Circular Moonpool Structures. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 49-4 (2012), Ha, Y.S. : A Study on Weldment Boundary Condition for Elasto-Plastic Thermal Distortion Analysis of large Welded Structures. Journal of KWJS, 29-4 (2011), 大韓熔接接合學會誌第 31 卷第 3 號, 2013 年 6 月 227

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DBPIA-NURIMEDIA 17 특집 : 용접산업의시뮬레이션기법활용 외력이작용하는용접구조물에용접잔류응력이미치는영향 Influence of Welding Residual Stress on the Externally Loaded Welded Structure Hee-Seon Bang, Chang-Soo Park, Chan-Seung Ro, Chong-In Oh and Han-Sur Bang