Wire Rope Contact Model and Crane Control Method for the Advanced Simulation and Automation of Block Erection

Abstract

선박 및 해양구조물은 여러 개의 블록을 탑재하여 건조된다. 블록의 탑재 작업을 수행 시 안전을 위해 사전에 물리 기반 시뮬레이션을 통해 발생할 수 있는 위험성을 미리 파악하는 것이 요구된다. 또한, 실제 작업의 제어는 수작업으로 이루어지는데, 보다 안전하고 효율적인 탑재 작업을 위해 크레인의 제어 자동화 방법에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 기존의 시뮬레이션 에서 모사할 수 없었던 와이어 로프와 블록 간의 간섭이나 해상 크레인과 계류 시스템 (mooring system) 의 연계 해석에 대하여 연구를 수행한다. 그리고 블록 탑재 자동화를 위한 복잡한 장비를 포함한 크레인의 제어 방법을 제안하였다. 블록 탑재 작업의 물리 기반 시뮬레이션 수행 시 필요한 중요한 요소 중 하나는 다물체계 (multibody) 동역학을 기반으로 한 거동 해석이다. 여러 개의 강체 (rigid body) 들이 관절 (joint) 로 연결되어 이루어진 크레인의 운동 해석 뿐만 아니라, 계류 라인과의 완전한 연계 해석을 위해 유연체 (flexible body) 와의 통합된 운동방정식을 구성하는 것이 필요하다. 이를 위해 DELE를 선택하여 1차원 빔 (beam) 과 강체 간의 관절을 비롯한 통합 운동 방정식을 유도하였다. 블록을 탑재하기 위해서 사용되는 크레인은 여러 개의 와이어 로프를 통해 블록을 지탱하며, 해상 크레인의 경우 계류 라인을 통해 위치를 유지하게 된다. 따라서, 탑재 작업 시 일어나는 다양한 현상을 모사하기 위해서는 와이어 로프 및 유연체에 대한 정확하고 효율적인 모델링이 필수적이다. 탑재 시 블록과의 간섭을 고려하기 위해서 구속 조건 기반 와이어 로프 (constraint-based wire rope) 모델을 도입했다. 이를 통해 실제 와이어 로프의 특성인 인장, 구부러짐, 그리고 비틀림을 모델링할 수 있으며, 물체와의 접촉이나 도르래 등과 같은 복잡한 현상도 효율적으로 표현할 수 있다. 계류 라인의 경우, 자체의 동적 거동과 무게에 의한 영향을 고려하기 위해 1차원 빔으로 나타낸 유연체로 모델링하였다. 본 연구에서는 앞에서 제안한 와이어 로프 모델을 통해 작업 중 일어날 수 있는 타 물체와의 상호 작용을 모델링하였다. 블록의 턴오버 작업에서 블록와 와이어 로프 간의 간섭 및 마찰과 같은 상호 작용을 고려하기 위해서 접촉, 슬라이딩, 마찰 모델로 이루어진 알고리즘을 제안하였다. 먼저, 접촉 모델에서는 와이어 로프와 블록 간의 접촉을 탐지하고 접촉 점에서의 힘을 계산한다. 슬라이딩 모델에서는 접촉이 일어난 경우 와이어 로프 방향, 그리고 물체의 엣지 (edge) 방향으로 미끄러지는 거동을 각각 모사하며, 마찰 모델을 통해 정지 마찰력과 운동 마찰력의 영향을 계산한다. 한편, 유연체로 모델링된 계류 라인과 해저면의 접촉은 계류 라인의 위치와 기울기를 제한하는 두 종류의 구속 조건을 통해 모델링하였다. 본 연구에서는 블록 탑재 작업의 크레인 자동 제어를 위한 방법을 제시하였다. 블록의 궤적 추종 제어 (trajectory tracking control) 을 위해 servo constraint라는 개념을 도입하였으며, 이를 복잡한 크레인 시스템에 적용할 수 있는 index reduction 방법을 적용하였다. 그리고 이를 갠트리 크레인과 해상크레인에 적용하여 후크 (hook) 및 이퀄라이저 (equalizer) 가 모두 포함된 복잡한 시스템의 제어를 위한 방법을 제시하였다. 제안한 모델의 유효성을 검증하기 위해 각 모델을 해석해 및 타 상용 소프트웨어의 결과와 비교하였다. 블록과 와이어 로프의 간섭 알고리즘은 각 모델을 해석해 등을 통해 검증하였으며, 계류 라인은 상용 소프트웨어인 OrcaFlex와의 비교를 수행하였다. 그리고 제안한 제어 알고리즘을 통해 블록이 주어진 궤적을 잘 추종하는지 확인하였다. 제안한 모델들은 각각 자체적인 모듈로써 개발이 되었으며, 이는 기존의 다물체계 동역학 기반 해석 프로그램에 통합되었다. 이를 사용하여 블록의 간섭을 고려한 턴오버 작업, 해상크레인과 계류 시스템의 연계 해석을 통한 블록의 리프팅 작업, 그리고 갠트리 크레인과 해상크레인의 자동 제어를 통한 블록 탑재 작업의 해석을 수행하였다. 각각의 해석을 통해 본 연구에서 개발한 모듈들이 성공적으로 적용될 수 있음을 확인하였다. 향후에는 실험이나 HILS 환경 구축 등을 통해 개발한 모델의 추가적인 검증을 수행할 계획이다.

The block erection operations in the shipyards generally include block lifting, transporting, turnover, and lowering procedure. During the operation, there are potential risks such as interferences with wire ropes, overweight, collision, which can lead to severe accidents. To check such risks in advance, the physics-based simulations are often required before the actual operation. For this, detailed modeling of the equipment and the operation is necessary to reflect the real situation accurately, which is impossible with conventional modeling methods. Meanwhile, in the actual operation, the position and the orientation of the block should also be precisely controlled to avoid any risks. However, the actual operations are performed manually by the operator, and the cranes used for the erection of the block consist of sophisticated equipment, which makes them difficult to control. In this study, the detailed modeling of the operation situation and the equipment are introduced for accurate simulation. Then, the control method of the crane is suggested for reliable and efficient control. Firstly, the block turnover operation by one floating crane and two crawler cranes is modeled considering the interferences between wire ropes and the block. For this, the interaction model between wire rope and the block, including contact and friction, is suggested. Then, the contact forces exerted on the block are calculated. Secondly, the block lifting by the floating crane is analyzed considering the coupling motion of the floating crane and the mooring system. The interaction among the floating crane, the mooring line, and the seabed is introduced under the various sea condition. Lastly, the control of the gantry crane and the floating crane is performed for block lifting, transporting, and turnover operation. As the gantry crane and the floating crane consist of complicated equipment such as trolleys, booms, equalizers, and wire ropes, the control theory of the underactuated mechanical system is adopted. For the verification, the comparison of the suggested interference model and the analytic solution is conducted. As the proposed model has been divided into three; contact model, friction model, and sliding model, each model is verified independently. Then, for the verification of the suggested mooring line model, the tension and the deflection of the mooring line are compared with that of the commercial software, OrcaFlex. The convergence test was also performed according to the number of the element, to find a proper number of the element of the mooring line. Lastly, the inverse dynamics model formulated in this study is verified by applying it to the dynamic model of gantry crane and check if the block tracks the desired trajectory. To evaluate the effectiveness and applicability of the proposed methods, they were applied to the dynamic analysis of various kinds of block erection operations by using cranes. Three representative applications are provided, such as block turnover operation by floating crane and crawler cranes, block lifting operation by floating crane, and block erection operation by gantry crane and a floating crane. As a result, the proposed method could reflect the actual operation situation accurately, and the block was controlled to the desired trajectory. We conclude that the developed simulation and control methods are applicable to actual operation in ships and offshore structures.