공액경사법을 이용한 LPG 운반선 화물창 내부구조물 중량최소화 설계

Design for Minimum Weight of Inner Structures for Cargo Tanks of LPG Carriers Using Conjugate Gradient Method

LPG 운반선의 화물창은 영하 50도에서도 기능을 유지할 수 있는 고가의 저온 강으로 제작되므로 가격경쟁력 향상을 위해 화물창 재료의 절감은 조선소의 큰 관심사가 되어왔다. 본 연구의 목적은 LPG 운반선 화물창의 내부를 구성하는 웨브 프레임과 스트링거의 중량을 최소화하는 것이라 할 수 있다. 최소중량설계를 위해 본 연구에서는 6개의 형상 관련 설계변수를 포함하여 총 92개의 설계변수를 선정하였고, 최적화 과정에 소요되는 시간을 줄이기 위해 미분 기반의 최적화기법인 공액경사법을 채택하였다. 또한, 구조해석을 위해 선수에서 2번째 위치한 화물창을 구조해석 대상으로 선정하였으며, 해석의 신뢰도 향상을 위해 부분 모델에 각 하중조건에 대한 선박 전체의 변형을 고려하는 경계조건을 적용하였다. 연구결과, 전선 구조해석과 부분모델 구조해석에 대한 전체 내부 구조물에 발생한 최대응력 값의 비교를 통해 오차율이 최대 3%를 넘지 않음을 확인하였고, 목적함수를 최소로 하는 총 92개의 치수를 결정하였으며, 화물창 당 약 39 톤의 강재를 절감하였다.

Since the cargo tank of LPG carriers is made of expensive low-temperature steel that can maintain its function even at -50oC, the reduction of cargo tank materials has been a major concern for shipyards to improve price competitiveness. The purpose of this study is to minimize the weight of the web frames and stringers that form the interior of the cargo tank of the LPG carriers. A total of 92 design variables including 6 shape-related design variables were selected for the minimum weight design. In order to reduce the time required for the optimization process, the conjugate gradient method, which is a gradient-based optimization technique, was adopted. In addition, for the structural analysis, the cargo tank located at the second position in the bow was selected as the structural analysis target, and in order to improve the reliability of the analysis, a boundary condition considering the deformation of the entire ship for each loading condition was applied to the partial model. As a result of the study, it was confirmed that the error rate did not exceed the maximum 3% by comparing the maximum stress value generated in all internal structures for the entire model structure analysis and the partial model one. A total of 92 dimensions with the minimum objective function were determined, and the weight was reduced by about 39 tons per cargo tank.