Welding is the primary joining process in ship production, and inherently causes shrinkage and angular distortion that degrade the dimensional quality (adherence to tolerance specifications) of ship blocks during assembly. Considering that intermediate products of low quality are not scrapped but must be reworked, the productivity of each workstation greatly depends on the dimensional quality of these intermediate products. Since ship hull blocks are constructed by assembling numerous intermediate parts, relatively small changes in their dimensions can easily accumulate to cause serious reworking during the block erection stage.
First, this research presents a stochastic methodology for assessing the impact of welding shrinkage on production cost in shipbuilding. The sources affecting a dimensional variation during welding are classified into four categories, and the sensitivity analysis for the effect of each variation source on welding distortion is conducted by the developed variation prediction system with an experimentally-validated Finite Element Method (FEM) results as well as Monte Carlo simulation technique. This reworking cost evaluation procedure includes not only the prediction of a nominal shrinkage profile, but also a statistical cost estimation process for shrinkage variation. The formulation to predict total rework cost is suggested to be a combination of nominal shrinkage profile, process variation and Quality Loss Functions (QLF) for each rework region. Second, on the basis of the defined QLF, a new Shrinkage Compensation Design (SCD) methodology and technique combining Computer-Aided Design (CAD) with Computer-Aided Engineering (CAE), is proposed to control welding shrinkage in shipbuilding, which overcomes the shortcomings of the empirical approach used until now. This allows the artificial redesign of nominally-shaped pieces of plate, to include optimal expansion values that accommodate welding shrinkage. This minimizes the amount of reworking caused by degraded dimensional quality. An optimization procedure is proposed, by which to find the best SCD shape on the basis of the object function; which would minimize total rework cost (due to shrinkage) predicted for the next block-to-block assembly.
The proposed assessment and design scheme was successfully applied to shipyard production design and was found to enhance the dimensional quality, as well as the productivity, of shipbuilding.
본 연구는 조선 생산에서의 정도 관리에 초점을 맞추어 다음의 연구를 수행한 후, 연구의 결과를 실제 조선 생산 작업장에서 적용하여 치수 품질의 향상을 통한 생산 경쟁력 강화를 도모하고자 한다.
첫째, 용접 변형의 변동량(Variation)에 영향을 줄 수 있는 여러 변수를 기하적 특성(Geometric Property), 재료적 특성(Metallic Property), 입열적 특성(Heat Input Property), 계측적 특성(Measuring Property)로 분류하여 정리하였으며, 용접 변형을 예측할 수 있는 신뢰성 있는 간이 용접 변형 해석법을 기초로 이러한 변동량을 예측할 수 있는 용접 변형 예측 시스템을 구현하고, 다양한 자체 수행 실험과 과거 문헌의 실험 결과와의 비교를 통해 예측 신뢰성을 검증하였다. 이를 통해 각 변동 변수와 변형량의 상관 관계를 고찰하였으며, 몬테카를로 방법(Monte Carlo Method)을 응용하여 민감도 분석을 수행하여 각 변수의 영향도를 정량적으로 비교 및 분석하였다.
둘째, 변동량이 포함된 열변형된 선행 공정의 제품이 후행 공정의 조립 작업에 얼마나 많은 생산 원가의 손실을 가져오는지 비용적 관점에서 예측할 수 있는 방법론을 정립하였다. 1단계로, 변형 형상을 면내 수축(In-plane Shrinkage)과 면외 변형(Out-of-plane Deformation)으로 구분하고, 각 변형 모드가 발생시키는 후행 공정의 재작업(Rework)을 행위별로 분류하였다. 2단계로, 면내 수축에 대해서 기하학적 계산 로직에 근거하여 후행 공정에서 발생되는 재작업의 비용을 산출하고 예측하는 방법론을 개발하고, 각 재작업을 손실 비용 함수(Quality Loss Function) 개념을 활용하여 수식화하였다. 3단계로, 정립된 손실 비용 함수와 용접 변형의 변동량을 합성하여, 변동량이 포함된 선행 공정의 치수 품질 불량이 후행 공정에 미치는 비용적 손실을 계산할 수 있는 추계론적(Stochastic) 평가 방법론을 제시하였다.
셋째, 정립한 추계론적 비용 평가 이론을 바탕으로, 용접 작업에 의해 발생하는 불가피한 철판의 수축을 예측하고 설계 단계에서 그 예측된 수축량에 상응하는 마진(Margin)을 부재에 부여하여 생산 과정에서 발생되는 면내 수축을 설계 단계에서 제어하는 새로운 방법론을 정립하고 실제 조선 생산 작업에 적용하였다. 또한, 본 연구를 토대로 대형 구조물의 변형 위험도를 설계나 생산 계획 단계에서 판단하여, 변형을 저감 시키려는 설계나 생산 공법의 변경이 얼마나 효과적인지 판단할 수 있을 뿐만 아니라, 후행 공정에서 발생하는 변형 교정 비용을 산출하여 생산 원가 예측의 정확성을 보장할 수 있는 방안도 제시하였다.
본 연구를 통해 정립된 방법론들에 대해서는 실제 조선 생산 작업장에서 수집된 데이터와 비교하여 그 논리성이나 정확성을 검증하였으며, 검증된 이론적 내용에 대해서는 설계, 생산계획, 생산 단계에 시스템이나 프로세스의 형태로 적용하여 조선소의 생산 경쟁력을 강화하는데 이바지하고자 하였다.
