[논문]잠수함 개념 설계를 위한 디지털 목업 개발

김태환; 전상후; 신동목

잠수함 개념 설계를 위한 디지털 목업 개발
Development of a Digital Mock-up for Conceptual Design of a Submarine 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.23 no.1 = no.86, 2009년, pp.152 - 157

김태환 (주식회사 디섹) , 전상후 (현대중공업(주)) , 신동목 (울산대학교 조선해양공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In designing and manufacturing a submarine, an expensive real mock up is usually built as a reference because of the spatial constraints of a submarine. This paper presents an integrated and automated design process for a submarine that uses a digital mock up. Various equipment libraries are built for feature based design. Using the developed digital mock up, this paper shows various ways to verify the design, including a space analysis to check for any interference between pieces of equipment and the hull and an ergonomic analysis using lifelike dummies to examine the work space and operability. As a part of the integrated design system, a design automation system was also developed to generate surface point data for the outer hull, pressure hull, casing, and sail. The whole process was applied to the design of a submarine for verification.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구는 3000톤급 디젤 잠수함 모델을 대상으로 설계 절차및 활용도를 검토하였다. 향후 Hydrostatic & Trim 계산 모듈 등과 연계하여 성능 분석 등 초기 개념설계 단계에서 활용도를 높일 예정이다.
본 연구에서는 3000톤급 디젤 잠수함을 대상으로 기존의 2차원 잠수함 설계 도면들을 기반으로 3차원 설계를 수행하고 이를 디지털 목업으로 구축한 후 활용하는 방법을 제시한다. 또한 초기 선형의 설계 과정을 자동화할 수 있는 자동화 설계 시스템을 개발한다.
본 연구에서는 3차원 디지털 목업을 이용하여 잠수함의 개념 설계를 지원하는 시스템을 개발하였다.
휴먼은 동작범위, 시각범위 등이 정의되어 있고 이동 및 자세 시뮬레이션이 가능하다. 본 연구에서는 Fig. 6에서 보이는 바와같이 거주구, 전투지휘실, 무장실 등의 구역에 대해서 인간공학적 측면에서 장비배치의 적절성 여부를 검토하였다. 시뮬레이션을 통하여 활동 공간 검증은 물론 전투 지휘실의 경우 휴먼의 시각 기능을 이용하여 지휘자의 가시영역도 검토할 수 있었다.
따라서 디지털 목업을 기반으로 하는 설계기술의 개발이 시급한 바, 국내 관련연구로는 잠수함 기본설계 전용 시스템이 개발된 바 있으며(김충열과 이성근, 2002), 잠수함 디지털 목업 개발에 관한 연구가 보고되고 있다(김태환 등, 2005a, 2005b). 본 연구에서는 잠수함 설계 초기 단계에서 범용 3차원 CAD 시스템인 카티아(Catia)와 초기선형설계 프로그램을 이용하여 3차원 솔리드로 잠수함을 설계하는 시스템을 구축하고 그 절차 및 활용 방안을 제시함으로써 향후 조선 분야에서 3차원 솔리드 설계를 확대 적용하기 위한 기반 기술을 제공하고자 한다.
따라서 장비 배치가 완료된 상태에서 선체의 길이와 직경, Casing의 추가여부 및 치수비, Sail의 치수 등을 고려하여 초기 선형설계를 해야 한다. 본 연구에서는 장비배치가 이루어진 후 기본제원 등을 CAD 시스템으로부터 추정하여 선체 모델링을 수행하기 위하여 선체 자동 생성 시스템을 개발하였다.

제안 방법

잠수함의 내부 장비 모델들은 기존의 2차원 도면들을 기반으로 3차원 솔리드로 모델링하였으며 시뮬레이션 시 부하를 고려하여 단순화 하였다. 각 장비 모델에는 중량, 무게중심 정보를 파라미터 형태로 저장하여 이를 중량 분포 계산 및 이를 이용한 장비 배치에 활용할 수 있도록 하였다. 3차원 솔리드로 모델링된 장비들은 체계별로 조립한 후 간섭부 검색 등 설계 검증을 한다.
11 참조)을 계산하였다. 계산된 Tip, Root의 길이비를 이용하여 설계자가 선택한 NACA Seciton의 형상을 확대하였으며 Sail의 위치는 Casing의 존재 여부에 따라 결정되도록 하였다. Fig.
또한 선형 자동생성 프로그램을 통하여 개념설계 단계에서의 선형 개발기간을 단축시킬 수 있는 설계 자동화 프로그램을 개발하였다.
본 연구에서는 3000톤급 디젤 잠수함을 대상으로 기존의 2차원 잠수함 설계 도면들을 기반으로 3차원 설계를 수행하고 이를 디지털 목업으로 구축한 후 활용하는 방법을 제시한다. 또한 초기 선형의 설계 과정을 자동화할 수 있는 자동화 설계 시스템을 개발한다. 구체적인 내용은 다음과 같다.
본 연구에서는 잠수함의 선형을 크게 선체, Casing, Sail로 구분하였다. 선체의 경우 Fig.
2에서 보이는 바와 같이 구역별, 체계별로 구분 지을 수 있다. 본 연구에서는 체계별 분류를 이용하여 함 내부 장비의 라이브러리를 구축하였다.
1은 전체 시스템 구성을 보여준다. 본 연구에서는 카티아에서 3차원 솔리드 모델링을 수행하며 선형곡면 데이터 생성 프로그램은 Visual Basic 6.0 및 CATIA API함수를 이용하였으며 MS-Excel 형식(.xls)으로 데이터를 교환한다.
이를 위하여 기존의 2차원 도면을 기반으로 내부 장비에 대한 모델링을 수행하고 이를 이용하여 디지털 목업을 제작하였다. 시뮬레이션을 통하여 간섭 여부를 검토하고 인간공학적 관점에서 공간적 시각적 분석을 함으로써 장비배치의 적절성을 검토하였다. 이를 통하여 디지털 목업이 고가의 실제 목업을 대체하여 설계 오류를 감소시킬 수 있음을 보였다.
이를 위하여 기존의 2차원 도면을 기반으로 내부 장비에 대한 모델링을 수행하고 이를 이용하여 디지털 목업을 제작하였다. 시뮬레이션을 통하여 간섭 여부를 검토하고 인간공학적 관점에서 공간적 시각적 분석을 함으로써 장비배치의 적절성을 검토하였다.
다음으로는 장비의 조립 및 유지보수를 위한 장비의 반출입경로, 승조원들의 작전 수행 및 기기 유지보수에 필요한 활동 공간의 확보 등 인간공학적인 요소를 고려한 효율적인 배치가 되도록 검토 및 수정/보완을 반복하여야 한다. 이를 위하여 디지털 목업에 인간 모델인 휴먼을 투입하여 가상공간에서의 인간공학적 측면에서 배치의 적절성 여부를 고려하였다. 본 연구에서 휴먼 시뮬레이션은 다음과 같은 관점에서 수행되었다.
잠수함의 개념설계단계에서 작성된 장비들에 대한 3차원 모델들은 데이터베이스로 구축하여 활용할 수 있도록 하였다. 3차원 형상모델은 중량 및 무게중심, 체적, 위치, 자세 등의 정보를 포함하고 있으므로 잠수함의 기본계산 시에 필요한 정보를 쉽게 추출할 수 있으며 Hydrostatic, Trim, 안전성에 관련된 계산을 수행하는데 기초적인 자료를 손쉽게 제공할 수 있다.
잠수함의 내부 장비 모델들은 기존의 2차원 도면들을 기반으로 3차원 솔리드로 모델링하였으며 시뮬레이션 시 부하를 고려하여 단순화 하였다. 각 장비 모델에는 중량, 무게중심 정보를 파라미터 형태로 저장하여 이를 중량 분포 계산 및 이를 이용한 장비 배치에 활용할 수 있도록 하였다.
전체적인 과정을 보면 먼저 기존의 잠수함 선형들을 분석하여 도출된 배수량에 관한 1차 방정식으로 부터 잠수함 각 부의 기본제원을 추정한다. 추정된 데이터를 이용하여 2차원 선형데이터를 생성하고 이를 기반으로 카티아에서 3차원 모델을 자동 생성하게 된다.
주요 장비는 그룹별 형상 라이브러리로 구축하며 각 부품별로 중량, 부피, 위치 정보 등을 갖는 E-BOM(Engineering Bill of Materials)을 구축한다. 형상 라이브러리를 이용하여 장비간 간섭 제거, 인간공학적 공간 배치 관점에서 일반배치의 적절성을 검토하며 Visual Basic을 이용하여 선체와 압력선체의 곡면 데이터용 자동생성용 프로그램을 개발한다.
주요 장비는 그룹별 형상 라이브러리로 구축하며 각 부품별로 중량, 부피, 위치 정보 등을 갖는 E-BOM(Engineering Bill of Materials)을 구축한다. 형상 라이브러리를 이용하여 장비간 간섭 제거, 인간공학적 공간 배치 관점에서 일반배치의 적절성을 검토하며 Visual Basic을 이용하여 선체와 압력선체의 곡면 데이터용 자동생성용 프로그램을 개발한다.

대상 데이터

본 연구에서 대상으로 삼은 잠수함의 경우 2차원 도면 기반으로 설계한 기존 안의 경우 장비간의 간섭문제가 완전히 검증 되지 못한 상태였다. 이를 3차원 설계를 실시한 후 카티아의 공간분석(Space Analysis) 기능을 이용한 결과 Fig.

이론/모형

Sail의 형상은 NACA Section(Abbott and Von Doehoff, 1959)에 따라 형상별로 선택하도록 하였으며, 선형 추정식에 의해 계산된 기본 제원을 이용하여 Sail의 Tip, Root, Span (Fig. 11 참조)을 계산하였다. 계산된 Tip, Root의 길이비를 이용하여 설계자가 선택한 NACA Seciton의 형상을 확대하였으며 Sail의 위치는 Casing의 존재 여부에 따라 결정되도록 하였다.

성능/효과

시뮬레이션을 통하여 간섭 여부를 검토하고 인간공학적 관점에서 공간적 시각적 분석을 함으로써 장비배치의 적절성을 검토하였다. 이를 통하여 디지털 목업이 고가의 실제 목업을 대체하여 설계 오류를 감소시킬 수 있음을 보였다.

후속연구

다음으로는 장비의 조립 및 유지보수를 위한 장비의 반출입경로, 승조원들의 작전 수행 및 기기 유지보수에 필요한 활동 공간의 확보 등 인간공학적인 요소를 고려한 효율적인 배치가 되도록 검토 및 수정/보완을 반복하여야 한다. 이를 위하여 디지털 목업에 인간 모델인 휴먼을 투입하여 가상공간에서의 인간공학적 측면에서 배치의 적절성 여부를 고려하였다.
본 연구는 3000톤급 디젤 잠수함 모델을 대상으로 설계 절차및 활용도를 검토하였다. 향후 Hydrostatic & Trim 계산 모듈 등과 연계하여 성능 분석 등 초기 개념설계 단계에서 활용도를 높일 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	3차원 솔리드 설계 도입에 장애 요인들은 어떻게 해결될 것으로 전망되는가?	한편 범용 3차원 CAD시스템을 조선 설계에 도입하는 연구도 이루어지고 있다(이준호와 김동준, 2004). 3차원 솔리드 설계 도입에 장애가 되었던 데이터 용량 문제와 그래픽 처리 속도 문제는 정보기술(IT)의 발달로 많은 부분 자연스럽게 해결될 수 있을 것으로 보인다.
	잠수함 설계에서 디지털 목업 기반 설계기술의 개발이 요구되는 이유는?	잠수함 설계의 경우 공간적 제약과 장비 배치의 복잡성 등으로 인하여 설계 및 건조과정에서 오류가 발생하기 쉽고 그러므로 이를 방지하기 위하여 고가에 목업을 제작하게 된다. 따라서 디지털 목업을 기반으로 하는 설계기술의 개발이 시급한 바, 국내 관련연구로는 잠수함 기본설계 전용 시스템이 개발된 바 있으며(김충열과 이성근, 2002), 잠수함 디지털 목업 개발에 관한 연구가 보고되고 있다(김태환 등, 2005a, 2005b).
	조선해양산업에서 완전한 3차원 솔리드 설계가 적용되지 못하는 이유는?	조선해양산업에서는 조선해양 전용 3차원 CAD 소프트웨어의 미비 및 설계데이터 용량의 과다 등의 이유로 완전한 3차원 솔리드 설계가 현업에 완전히 적용되지 못하고 있다. 이를 해결하기위하여 조선해양산업체와 CAD 업체가 협력하여 3차원 CAD 시스템을 개발하는 등의 노력이 이루어지고 있으며, 기존의 조선해양 전용 CAD 시스템들도 3차원 솔리드 기반 CAD 시스템으로 변화하고 있다(김성민, 2008).

참고문헌 (7)

김성민 (2008). "조선전용 3차원 CAD 시스템을 이용한 Pipe Offset Routing 프로그램 개발", 울산대학교 자동차선박기술대학원 석사논문
김충열, 이성근 (2002). "잠수함 기본설계 시스템(SUB-21)을 이용한 중형잠수함 설계결과 소개", 대한조선학회지, 제39권, 제2호, pp 75-82

원문보기 상세보기
김태환, 전상후, 신동목 (2005a). "3차원 제품모델을 이용한 잠수함 설계 프로세스에 관한 연구", 대한조선학회 2005년도 추계 학술발표대회 논문집, pp 759-765
김태환, 신동목, 이연암, 전상후 (2005b). "3차원 제품모델을 이용한 잠수함의 디지털 목업 및 형상설계 프로그램 개발", 한국해양공학회 2005년도 추계 학술발표대회 논문집, pp 68-73
신면섭 역 (2005). "잠수함 설계개념", 동명사, p 74
이준호, 김동준 (2004). "범용 CAD 프로그램에서의 응용을 위한 선형 곡면화 방법론에 관한 연구", 대한조선학회 논문집, 제41권, 제1호, pp 75-81

원문보기 상세보기
Abbott, I.H. and Von Doehoff, A.E. (1959). "Theory of Wing Sections", Dover Publications Inc., pp 310-457

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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