함정 선체 디지털 트윈 구현을 위한 1축 스트레인 센서 기반 3축 응력 예측 연구
Tri-axial stress Prediction from Uniaxial Strain Sensors for a Naval Ship Hull Digital Twin
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초록
디지털 트윈(Digital Twin) 기술의 발전과 함께 함정의 구조 건전성모니터링(SHM)은 전투 준비태세를 보장하는 주요 기술 중 하나로 주목받고있다. 함정 디지털 트윈의 목표는 제한된 센서 정보로 미계측 구역의 응답까지실시간 추정하여 함정 전체의 구조적 안전성을 확보하는 것이다. 특히 피로파괴는 치명적 손상으로 이어질 수 있으므로, 핫스팟의 피로 강도 진단과 잔여피로 수명 정량화가 중요하다. 그러나 이러한 평가는 3축 응력 정보가 필요하며, 기존의 LBSG(Long-Base Strain Gauge)는 1축의 종방향 변형률만 제공해한계가 있다. 본 연구는 1축 LBSG 데이터만으로 핫스팟의 3축 응력을 예측하는방법을 제시하고, 모달 진폭 공유 원리에 기반한 변환 행렬을 구성하여전선구조해석(FEA) 결과와의 비교로 타당성을 확인한다.
Abstract
With advances in digital-twin technology, structural health monitoring (SHM) for naval ships is gaining attention as a key enabler of readiness. A core objective of a naval-ship digital twin is to ensure structural safety by estimating responses at uninstrumented locations in real time from limited sensor data. Fatigue failure is particularly critical, requiring tri-axial stress information, whereas conventional long-base strain gauges (LBSGs) provide only uniaxial longitudinal strain. This study presents a method to predict tri-axial stresses at hotspot locations using only uniaxial LBSG data. A transformation matrix is constructed based on a mode-superposition concept (modal-amplitude consistency), and the approach is validated by comparison with finite-element analysis (FEA) results, demonstrating its applicability to a naval ship hull digital twin model.