해양 구조물의 곡가공 및 변형 교정을 위한 화염 가열 작업조건 결정

Abstract

조선 산업에서 용접, 도장 등 수작업 공정은 생산성과 안정성 향상을 위해 자동화로 대체되고 있다. 선상가열 또한 자동화 대상으로 삼고 있으며, 곡가공과 면외 변형을 교정하기 위한 선상가열의 작업 변수에 대한 요구가 매우 절실한 상황이 되었다. 선상가열의 변형을 다루는 해석에 관한 연구는 열탄소성 해석과 고유변형도 기반의 간이 해석을 이용하여 정성적, 정량적 분석이 가능하다. 그러나 선상가열 자동화 시스템은 실제로 생산 현장에 성공적으로 운영 되는 사례는 없었다. 지금까지 선상가열의 변형과 작업 변수 사이의 관계를 규명하는 연구는 열원의 종류, 가열 속도와 온도 등의 변형에 영향을 미치는 주요인자에 초점을 두고 있기 때문이다. 선상가열에서 가장 우선적으로 결정되어야 하는 작업 변수는 가열위치, 크기 그리고 순서이지만 이러한 선상가열에 대한 작업 변수 결정은 숙련된 작업자의 경험적 판단에 전적으로 의존된다. 이것은 선상가열의 완전 자동화에 한계가 있다는 것을 뜻한다. 본 논문은 실제 작업 현장에서 원하는 곡면 형상으로 가공하거나 이전 공정으로 발생하는 면외변형을 교정하기 위한 작업 변수가 반드시 숙련된 작업자를 통해 결정되는 필수적인 과정이라는 점에 착안하여 자동화를 위해 우선적으로 결정되어야 하는 변수에 주목하였다. 선상가열은 작업 변수에 따라 가공 형상이 달리지는 복합성은 필연적이며, 선상가열의 자동화를 위해 가열 위치와 크기 그리고 순서는 가장 선결되어야 하는 필수적인 작업 변수이다. 본 논문은 선상가열의 크기를 조정하는 열 변형 조정 계수와 최적화를 이용하여 선상가열의 작업 변수를 결정하는 방법을 수행하였다. 대상 구조물의 모든 가열 선에 대한 선상가열의 변형을 분석하여 열 변형 조정 계수와 중첩하고 1차 최적화를 통해 열 변형 조정 계수가 도출되는 위치와 크기로 가열위치와 크기를 결정하였다. 또한 결정된 위치와 크기에 대한 순서별 2차 최적화를 통해 최적의 가열순서를 결정하였다. 이 과정에서 선상가열시 가열과 냉각 과정에서 발생되는 강의 변태 과정의 금속적 특성과 역학적 관계를 고려하고, 탄소성해석법 중 고유변형도 기반의 변형도경계법을 이용하여 제안 방법의 정확성과 신속성을 모두 살릴 수 있도록 하였다. 이러한 내용은 세 가지 과정으로 검증하였다. 목적형상 가공의 경우 우선 임의 열영향부에 대한 선상가열 변형결과에 열 변형 조정 계수를 적용하여 가열위치와 크기를 결정하고 실험 결과와 비교하였다. 둘째, 가열선이 다중일 경우 결정된 가열위치와 크기에 따른 순서별 변형결과를 2차 열 변형 조정 계수와 중첩하였다. 그리고 최적화를 통해 최적의 가열순서를 결정하고 실험 결과와 비교하였다. 마지막으로 변형교정의 경우 구조물 크기와 용접 조건 변경에 따른 변형교정 결과를 설계 요구사항과 비교하였다. 이 과정에서 선상가열의 작업 구간을 결정하였다. 이상의 모든 해석 결과는 좋은 일치를 보였으며, 선상 가열을 이용한 생산 설계의 자동화를 위한 설계 지침이 될 수 있다.