선박과 해양플랜트 구조물의 균열이나 손상 등으로 인해 발생할 수 있는 사고를 가상의 공간에서 사전에 예측해 안정성을 확보하는 한편, 관리와 유지보수에 소요되는 비용과 시간을 획기적으로 절감시킬 수 있는 키 체인저 기술인 ‘선박해양 구조디지털트윈 플랫폼’이 선보여 눈길을 끌고 있다.
특히, 이 플랫폼은 관련 근로자와 선원의 생명과 해양환경을 지키는 핵심적인 역할을 할 것으로 예상되는 만큼 향후 해운해사업계의 각광받는 기술로 자리매김할 것으로 전망된다.
선박·해양구조물 사고 손상 ‘동적 파괴 연구’ 집중
구조설계기법 불확실성 정량화 기술 개발에도 역점
최근 운항 중 에너지 효율 향상을 위해 선박들이 대형화되고 있는 추세로, 대형선박 사고 시 사회·경제적으로 미치는 파장을 고려할 때 이에 대한 보안책 마련도 시급하다는 의견이 대두되고 있다.
실제로 선박 사고 중 큰 피해를 유발할 수 있는 선박의 선체, 해양구조물의 파손사고는 인명은 물론 선박의 침몰, 나아가 환경적‧생태적으로도 문제를 발생시킬 가능성도 매우 높다.
이처럼 끊임없이 발생하는 해양 사고 저감과 예방을 위해 최근 선제적인 유지보수가 가능한 ‘선박해양 디지털트윈기술’에 대한 관심이 증폭되고 있다.
이 기술은 가상의 공간에서 해상의 상황에 따른 선박과 해양구조물의 상태를 정확히 판단‧예측할 수 있는 기술로, 다양한 사고 예방에 결정적으로 기여할 수 있는 ‘키 체인저’ 기술로 평가받고 있다.
또한, 해양사고 발생 시 골든타임 확보와 피해 최소화는 물론 특히, 선박 및 해양구조물의 검사 주기를 늘려 선박 검사비용 절감을 위해 디지털트윈기술 도입이 필요하다는 의견도 대두되고 있다.
현재 선박의 안전한 운항을 위해 외항서 기준, 협약검사 등 최대 세 종류의 검사가 이뤄지고 있다. 이 같은 정기적인 안전 검사로 인해 고정적인 유지보수 비용이 발생하고 있고, 보수적인 유지보수에 따른 비용도 증가하고 있다.
한편, 현재 선박 관련 분야에서는 선박과 해양구조물의 사고와 손상에 따른 동적파괴연구 필요성과 함께 구조설계기준이 강화되고 있는 추세에 대응하기 위한 유탄성 기반의 고정밀 구조 손상도 평가 기술 개발의 필요성이 증가하고 있다.
특히, 최근 국내외에서 시도되고 있는 디지털트윈을 적용한 선박의 구조건전성 모니터링 기술 등 ICT 융합기술에 대한 대응 필요성도 제기되고 있고, 불확실성을 고려한 유탄성 기반의 고정밀 구조 손상도 평가기술 개발도 요구되고 있다.
이에 선박해양플랜트연구소에서는 가상의 공간에서 선박과 해양플랜트구조물의 안전성을 예측하는 ‘선박해양 구조디지털트윈 플랫폼’을 개발을 목표로, ‘선박·해양구조물 유탄성 모델링&시뮬레이션 기술’과 ‘선박해양구조물 구조손상도평가 기술’ 개발 연구를 집중적으로 수행해왔다.
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▲ KRISO에서 독자개발한 선박해양 구조디지털트윈플랫폼
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연구내용
2020년부터 3년간 진행된 1단계 연구기간 중 1차년도 연구에서는 선박·해양구조물의 유탄성 수치모델링기법을 비롯해 선박·해양구조물의 구조손상도평가를 위한 파단모델링 기법, 선박·해양구조물의 불확실성의 정량화에 관한 방법론과 단위모델 적용기술들을 개발했다.
2차년도에는 선박·해양구조물의 유탄성 해석기법을 비롯해 유탄성을 고려한 선박·해양구조물의 파단예측 기법과 구조 기본모델 개발, 선박·해양구조물의 불확실성 정량화에 관한 실린더형 해양구조물 적용기술 개발 등의 연구를 진행했다.
3차년도 연구에서는 선박·해양구조물의 유탄성 해석기법 검증‧비교연구와 유탄성을 고려한 선박해양구조물 최종강도평가 기법 연구와 구조국부모델 개발, 유탄성 효과를 고려한 선박·해양구조물 불확실성의 정량화에 관한 실린더형 해양구조물 적용기술 개발 등의 연구가 이뤄졌다.
지난해부터 올해까지 진행되는 2단계 연구 중 4차년도 연구에서는 선박‧해양구조물의 유탄성 해석기술 고도화 연구를 비롯해 유탄성을 고려한 선박·해양구조물 파단모델 고도화와 표준모델구조 최적화 기술, 유탄성 효과를 고려한 선박·해양구조물 불확실성 정량화에 관한 다중연결부유체 적용기술들을 개발했다.
이 같은 성과들을 기반으로 진행되는 올해 연구에서는 선박·해양구조물의 유탄성 해석기법 정립 및 적용성 연구와 함께 유탄성을 고려한 선박·해양구조물의 구조손상도평가 기법 정립 및 표준 구조모델과 해양구조물의 불확실성 정량화 평가 체계기술 개발 연구를 수행하고 있다.
한편, 현재 연구팀은 선박·해양구조물 사고와 손상에 따른 동적파괴 연구에 집중하고 있다.
이 연구에서는 해양공간 활용과 새로운 형식의 해양구조물 출현으로 유탄성 효과를 고려한 진보된 성능평가기법과 함께 해양 동하중시나리오와 구조응답 특성에 따른 구조설계기법 등을 개발하고 있다.
또한, 신뢰성 기반 구조설계기법과 신뢰성 향상을 위한 불확실성 정량화 기술 개발에도 노력을 기울이고 있다.
특히, 실제 하중 추정기법과 파단기준 적용을 통한 실제 현상 구현기법 개발을 목표로, 디지털모델과 실제 모델을 연계한 디지털트윈 기반의 동유체력기인 구조물의 건전성과 잔존수명평가기술 개발 연구에 박차를 가하고 있다.
이외에도 가까운 미래에 각광받을 수 있는 인공섬을 비롯한 VLFS, 초대형 교량, 부유식 공항 등 해양공간이용을 위한 기반‧원천기술개발에도 나서고 있다.
활용방안
이번 연구의 핵심기술인 ‘선박해양구조물 유탄성 모델링&시뮬레이션 기술’은 인공섬을 비롯한 VLFS, 초대형 교량, 부유식 공항 등과 같이 큰 관성을 갖는 대형 해상 부유체 구조물과 함께 해양환경 영향으로 발생하는 해양 동유체력과 구조물의 상호작용에 의해 발생되는 선박의 강체 또는 유연변형 응답 등을 해석·평가하는 기술이다.
이 기술은 해양 동유체력에 의해 발생되는 구조물의 동적파괴 현상을 모사한 후 가상의 구조안전성평가 체계 구축에 활용할 수 있다.
또 다른 핵심기술인 ‘선박해양구조물 구조 손상도평가 기술’은 선박해양구조물의 생애주기 동안의 안전한 운용을 위해 수반되는 구조강도와 내구성 등에 관한 판정기준과 손상, 파단정도를 예측하는 기술이다.
즉, 예측하기 어려운 다양한 사건 등에 대한 구조적인 손상을 예측‧평가할 수 있는 기술로, 부유체의 유탄성 응답을 고려해 손상영역과 크기, 파단점을 예측하는 한편, 부유식 구조물의 표준 구조모델 개발을 위한 구조설계를 수행하고, 개선된 파단모델 개발과 기계학습 등 AI 기술을 접목, 선박과 해양구조물의 설계‧엔지니어링 핵심기술로 활용될 전망이다.
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선박 해양구조물 잔존수명평가 등
상시 감시 모니터링 예측까지 가능
선박해양플랜트연구소 이강수 책임연구원은 “이번 연구는 국내 최초로 시도되는 선박 및 해양구조물 가상 구조안전성평가 플랫폼 구축을 위한 연구로, KRISO만의 강점인 유체성능평가 분야와의 융합연구를 통해 해양구조물의 유체-구조 통합 성능평가 플랫폼을 구축하고 있다”고 소개했다.
이어 “이 연구는 현재 국내 조선·해양 산업계에서 요구하는 해양구조물의 설계‧엔지니어링 분야에 크게 기여할 수 있다”며, “특히, 선박‧해양 구조디지털트윈 플랫폼 기술은 선박은 물론 해양구조물의 잔존수명평가도 가능하며, 현시점에서의 건전성 상태 등에 대한 상시 감시‧모니터링‧예측까지 가능해 선제적인 유지보수를 통해 안전과 관련된 유지비용을 획기적으로 절감시킬 수 있다”고 밝혔다.
실제로 이 기술은 실제 선박이나 해양구조물의 상세구조를 반영한 모델을 가상의 디지털 공간에 구현해 다양한 해상환경에서 구조물의 상태를 실시간 양방향으로 평가하고 변형이나 노화, 부식, 손상 등을 고려해 10~20년 후의 상태변화를 예측함으로써 앞으로의 사용 수명을 평가할 수 있다.
이 박사는 “기존에는 다양한 해상환경조건에서의 선박과 해양플랜트 구조안전성평가를 위해 수행하는 수치해석에 투입되는 계산시간이 크게 소요되는 단점으로 인해 디지털트윈 적용에 어려움을 겪었다”고 말했다.
이어 “하지만, KRISO에서 개발한 물리적으로 예상되는 변형이나 다양한 수치해석 알고리즘을 반영한 차수축소 구현기법을 통해 해석에 소요되는 시간을 획기적으로 단축함으로써 선박과 해양플랜트의 구조디지털트윈 구현을 가능케 했다”고 강조했다.
안전 관련 유지비용 획기적 절감 기대
이와 함께 연구팀은 KRISO가 개발한 부유식 해양플랜트인 다중연결부유체 모듈을 기반으로 해양공학수조에서의 모형시험 결과와의 비교를 통해 우수성을 검증하는 한편, 해석의 정확도 향상을 위해 수조모형시험에 관한 검증기법도 개발했다.
이 박사는 “특히, 이번 연구에서는 KRISO-FPSO 표준구조모델을 개발하고, 구조설계와 구조안전성평가 등 안전성에 관한 사항을 인정받아 한국선급(KR)으로부터 AIP 인증서를 획득했다”고 소개했다.
FPSO는 부유식 원유생산저장하역설비로, 해상의 특정지역의 해저에서 원유를 뽑아 올려 정유 제품을 생산, 보관하고 타 선박에 이송하는 해상 복합 구조물이다.
