선박해양기술팀 김병모 선임

서 론

부유식 해상풍력터빈(floating offshore wind turbine, 이하 FOWT) 하부구조물(platform, 이하 플랫폼)의

구조 안전성 평가를 위해서는 파랑에 의한 부유체 플랫폼의 거동을 반드시 고려해야 한다. 이를 위해
동유체력 해석 전용 프로그램을 이용하여 플랫폼의 운동 응답을 해석하는 과정이 선행되어야 한다.

FOWT 운용 시 발전기 날개(blade)에 바람에 의한 비선형 하중이 발생하고, 계류선(mooring line)과 부유체
플랫폼의 상호작용(coupled)까지 고려되는 다물체 동역학 관점의 통합 하중 해석(Integrated Load Analysis,
이하 ILA)이 요구된다. 이를 위한 ILA 소프트웨어들 중 미국 신재생에너지 연구소(National Renewable Energy
Laboratory, NREL)에서 개발한 오픈소스 프로그램 OpenFAST가 대표적으로 사용된다.

한편 국제 전기기술위원회(International Electrotechnical Commission, IEC)에서는 많은 설계 하중 조건
(design load condition, DLC)을 제시하고 있으며, 이를 고려할 것을 요구한다. KR의 직접구조해석 지침서는
효율적으로 구조 응답을 계산하기 위한 한 방법으로 준정적 응답조합법(quasi-static stress combination
method)을 제시하고 있다.

FOWT의 구조 응답 해석을 위해서는 이처럼 다양한 기능의 소프트웨어들이 목적에 맞게 단계별로 사용되어야
하므로 작업자의 높은 이해도와 숙련도가 요구된다. 이에 KR은 FOWT 플랫폼의 구조 응답을 평가하기 위한
통합 소프트웨어 ISTAS-FORWARD를 개발하였다. Fig. 1은 ISTAS-FORWARD가 제공하는 종합적 기능을 

보여준다.

 Fig. 1: ISTAS-FORWARD 주요 기능

설계 하중 조건

ISTAS-FORWARD는 바람과 파랑 데이터(scatter data)를 이용하여 자동으로 세부 하중 조건(sub-load case)을
생성한다. KR은 직접구조해석 지침서에 따라 IEC의 많은 DLC 중 Pre-FEED에 평가 가능한 DLC1.2, 1.3, 1.5, 1.7,
5.1, 6.1, 6.3, 6.4를 Level-1의 DLC 그룹으로 제시하고 있다. 이에 따라 Level-1의 세부 하중 조건을 자동 생성
해주며, 이때 서로 다른 바람과 파랑의 위상을 고려하는 기능도 함께 제공한다. 더불어 사용자가 직접 하중 조건을
정의할 수도 있다.

Fig. 2: DLC 생성

동유체력 계산 KR3D 탑재

Fig. 1의 두 번째 기능으로 KR의 고유 동유체력 계산 프로그램 KR3D가 탑재되어 있다. ISTAS-FORWARD에서
부유체의 정보를 입력하면, 자동으로 세부 하중 조건에 정의된 파랑 조건들을 계산하기 위한 입력 파일을 생성
해준다. 또, ISTAS-FORWARD를 통해 탑재된 KR3D를 이용한 유체력 계산을 수행할 수 있으며, 그 결과는
네 번째 단계인 OpenFAST에 입력 가능한 형태로 출력된다.

단위 하중 해석 입력 생성

한편, KR FOWT 직접해석 지침서는 플랫폼의 구조 응답을 계산하기 위해서는 하중 종류별로 단위 하중에 대한
응답 결과를 이용할 것을 규정하고 있다. 이를 위해 ISTAS-FORWARD에서는 플랫폼의 구조 모델과 유체 표면
모델을 이용하여 단위 하중 해석을 위한 입력 파일을 자동으로 생성해준다(Fig. 1의 세 번째 단계). 해당 입력
파일은 MSC Nastran 해석을 전제로 생성된다.

Fig. 3: 통합 하중 해석 진행 상태 모니터링

통합 하중 해석 OpenFAST 탑재

각 세부 하중 조건에 대한 하중 해석을 수행하기 위해 OpenFAST를 ISTAS-FORWARD에 탑재하였다.
매우 많은 세부 하중 조건들을 해석하기 위해서 복잡한 OpenFAST 입력 파일들이 필요하다.
ISTAS-FORWARD에서는 이를 자동으로 생성해준다. 특히, 계산에 필요한 여러 옵션들과 출력 형식 등을
선택할 수 있고, 터빈, 플랫폼 및 계류삭의 주요 재원 등도 ISTAS-FORWARD에서 쉽게 정의할 수 있다.
한편 Fig. 3과 같이 세부 하중 조건 계산의 실시간 진행 상태 모니터링 기능도 제공한다.

시계열 응력 기반 항복 및 피로 강도 평가

ISTAS-FORWARD는 단위 하중 응답과 하중 해석 결과를 조합하여 시계열 구조 응답을 계산하는 과정에서는,
전체 계산 중 일부(chunk)로 나누어 계산할 수 있기 때문에 연산 장치의 성능에 맞추어 효율적으로 작업을
수행할 수 있다. 또한 연산 과정의 병목 현상과 저장 용량을 줄이기 위해 전 과정에 걸쳐 구조 응답 결과를
HDF(hierarchical data format) 파일 형태로 저장하도록 개발되었다.

이러한 시계열 구조 응답을 바탕으로 ISTAS-FORWARD는 FOWT 플랫폼의 ULS(ultimate limit state) 및
FLS(fatigue limit state)에 대한 평가 기능을 제공한다. ULS에서는 MPM(most probable maximum)
응력을 통한 항복 강도 평가(yield strength assessment), 요소 기반 좌굴 강도 패널 스크리닝(screening)
및 좌굴 패널 평가(assessment)가 지원되며, FLS에 대해서는 요소 기반 피로 스크리닝(screening) 및
핫스폿(hot spot) 피로 평가를 지원한다.

병렬 연산 기능 제공

마지막으로, Fig. 4와 같이 ISTAS-FORWARD는 CPU 코어 기반 병렬 연산 기능을 제공하여 세부 하중 조건들을
동시에 해석 및 평가할 수 있다. 하중, 응력 해석과 강도 평가 등 계산의 시간 비용이 높은 연산 수행 시 프로그램의
chunk 기능과 병렬 연산을 활용하여, 제한된 컴퓨터 성능을 최대한 효율적으로 활용할 수 있다.

Fig. 4: 병렬 연산 구성