위상 최적설계를 활용한 캔틸레버식 헬리데크 구조 설계 및 해석

Abstract

헬리데크는 선박 및 해양구조물에서 운용 인원과 물자 수송에 필요한 헬리콥터의 이착륙에 사용되는 구조물로서, 비상시에도 탈출을 위해 마지막까지 남아 있어야 하는 필수시설 중의 하나이다. 이러한 헬리데크는 해양구조물의 종류나 탑재 위치에 따라 다양한 형태가 존재한다. 일반적으로 선박에서는 상갑판의 일부를 헬리데크로 사용하는 경우가 많지만, 해양플랜트는 탑사이드에 다양한 공정설비가 설치되며 이러한 시설과 헬리콥터의 충돌을 미연에 방지하기 위해 해양플랜트의 외부로 돌출되는 형태인 캔틸레버식 헬리데크를 사용하는 것이 보다 효과적이다.

한편 위상 최적설계는 주어진 설계 영역 내에서 제약조건에 따라 구조 부재의 배치를 결정하는 방법으로, 본 논문에서는 이를 활용한 캔틸레버식 헬리데크의 구조 설계에 대해 다룬다. 일반적으로 헬리데크는 선급의 규정에 따라 설계하거나 기존의 설계를 그대로 사용하는 경우가 많기 때문에 과도한 안전성이 고려된다. 따라서 헬리데크를 구성하는 하부 트러스 부재에 위상 최적설계 기법을 적용하여 기존보다 재료 사용량을 줄이는 동시에 구조적으로도 안전한 설계를 얻는 것이 본 연구의 최종 목적이다.

위상 최적설계를 통해 얻어진 부재의 배치를 토대로 상용 프로그램인 ANSYS를 사용해 초기 유한요소 모델을 생성하고, 헬리콥터의 다양한 착륙 상황 및 풍하중을 고려한 구조해석을 수행하였다. 또한 그 해석 결과를 대표적 헬리데크 설계 규정인 DNV-OS-E401과 CAP-437을 토대로 검증하였으며, 이를 바탕으로 각 구조 부재에 발생하는 응력이 재료의 허용 응력을 초과하지 않도록 하는 부재의 세부 단면 규격을 결정하였다. 최종적으로 얻어진 최적모델에 대하여 선형 좌굴해석을 수행하였으며 선형 좌굴해석을 통해 얻어진 1차 모드 형상을 초기결함으로 적용하여 비선형 좌굴해석을 수행하였다. 이를 통해 구조적으로 안전하면서도 경량화된 헬리데크 설계를 얻었으며, 재료비 감소를 통한 원가 절감 효과도 얻을 수 있다.|Helideck is a structure used for the landing and take-off of helicopters for transporting operating personnel and goods of ships and offshore structures. This is one of the essential facilities that must remain safe for an escape in emergency situation. Helidecks have several shapes depending on the type of offshore structures or the installation location. Generally, in ships, a part of an upper deck is often used as a helideck. However, offshore structures are equipped with various process facilities on the topside, so that it is more effective to use a cantilever-type helideck to prevent potential collisions between these facilities and the helicopter.

Meanwhile, topology optimization is a numerical method that determines the placement of structural members according to prescribed constraints. In this thesis, the structural design of a cantilever-type helideck is studied using the topology optimization. Generally, the conventional helideck is designed in accordance with the requirements from classification, and excessive safety is usually taken into account. Therefore, it is the final objective of this study to apply the topology optimization to the truss members of the helideck in order to reduce the material usage while maintaining required safety.

Then, finite element model is created from the optimal layout of truss structures of the optimized helideck, and structural analysis is performed under various combinations of landing positions and wind directions. The analysis results are verified based on the representative helideck design regulations such as DNV-OS-E401 and CAP-437. Also, the detailed cross section dimensions of the structural members are determined so that the maximum stress at each structure member does not exceed the allowable stress of the structural material. In addition, linear buckling analysis is performed on the final optimal model, and nonlinear buckling analysis is also performed by applying the first mode shape obtained from the linear buckling analysis as an initial imperfection. Finally, the optimal helideck design gives significant decrease in the total weight of the helideck, while satisfying regulations and requirements from classification discussed in this work.