Variation simulation for compliant metal plate assemblies considering welding distortion under pre-stress state

Abstract

최근 조선 업계는 생산 중 제품의 품질을 향상시키기 위해 많은 노력을 기울이고 있다. 그러한 노력 중 하나로, 조선 업계는 생산성 향상과 운영 비용 절감을 위해 공차 최적화 연구, 즉 정도 관리 연구를 진행하고 있다. 공차 최적화 연구는 부품의 조립과정에서 발생하는 편차를 조절함으로써 제품의 품질 향상 및 추가 공정 감소효과를 얻을 수 있다. 선박 및 해양 구조물은 일반적으로 수 백 만개의 블록을 조립하여 대형 블록으로 건조하는 건조기법을 사용하고 있다. 큰 블록을 구성하는 중간 블록들의 정도 불량은 조립 공정을 거치면서 중첩 및 소멸되어 큰 부품의 조립 공정에 큰 영향을 끼치게 된다. 이로 인한 블록의 정도 불량은 교정 및 보정 작업을 위해 추가 공정이 필요하게 된다. 이러한 부가적인 작업은 전반적인 생산 시간 및 제조 비용을 증가시키는 원인이 되어 생산성 저하를 일으킨다.

용접은 선박 및 해양 구조물의 조립에 사용하는 가장 기본적인 접합 공정이다. 용접은 국부적인 가열로 두 부재를 접합하는 방법으로 국부적 가열과 냉각으로 인해 용접 변형이 발생한다. 이러한 용접 변형은 선박 블록 변형의 기하학적 변형의 주된 요인으로 후속 조립 공정에 큰 영향을 끼친다. 용접 변형을 고려한 구조물은 변형 조립체 이론을 따르게 되므로 변형 조립체를 고려한 공차해석 모델이 필요하다. 하지만 조선 생산에 적용하기 위한 변형 조립체를 고려한 공차해석 모델은 용접 변형과 같은 조립 공정에서 추가적인 편차를 고려하여야 하므로 자동차 및 항공 우주 산업에서 일반적으로 사용되는 공차 해석 방법을 적용하기 어렵다. 또한 용접에 의한 잔류 응력이 용접 구조물에 존재하기 때문에 이전 용접 공정에 의한 잔류응력의 영향을 다음 조립 공정 단계에서 고려해 주어야 한다.

본 논문은 선박 블록 조립에 적용하기 위해 용접 변형을 고려한 새로운 편차 시뮬레이션 방법인 Improved Method of Influence Coefficients를 제안하였다. 용접 변형은 주변 환경 조건에 의해 일정한 변형값으로 나타나지 않으므로 용접 변형을 확률적인 값으로 고려하고 이를 구조물의 변형에 적용시키기 위해 변형 행렬을 이용하여 선형 중첩시키는 방법을 이용하였다. 또한 전응력의 용접 변형에 대한 영향을 고려 하기 위해 초기 강성행렬을 이용하여 전응력의 용접변형에 대한 영향을 편차 시뮬레이션에 적용하였다. 제안 모델의 검증을 위해 선박 블록 조립에 사용되는 간략한 구조물의 용접 실험과 열탄소성 해석을 이용한 유한요소모델을 이용하여 제안 모델을 검증하였다.