이 연구에서는 상용코드(AQWA)를 이용하여 규칙파 중 8점 계류 중인 플로팅 도크의 계류 장력과 운동응답특성을 고찰하였다. 연구의 목적을 달성하기 위해 수심 10 m 연안환경(파 진폭 1.05 m, 파주기 3.85 sec, 풍속 20.21 m/s, 풍향 및 조류방향 $90^{\circ}$, 입사파 ${\chi}=180^{\circ}$, $135^{\circ}$ 및 $90^{\circ}$ 조건에서 수치 해를 적용하였다. 해석모델은 길이 140 m, 폭 32 m 및 높이 14.6 m의 강구조물로 현수선의 길이는 최대 120 m를 적용하였다. 해석결과 상하동요와 종동요는 선수파 보다 횡파에서 크게 나타났으며 계류 장력도 횡파와 풍하중에 의해 크게 작용하였다.
이 연구에서는 상용코드(AQWA)를 이용하여 규칙파 중 8점 계류 중인 플로팅 도크의 계류 장력과 운동응답특성을 고찰하였다. 연구의 목적을 달성하기 위해 수심 10 m 연안환경(파 진폭 1.05 m, 파주기 3.85 sec, 풍속 20.21 m/s, 풍향 및 조류방향 $90^{\circ}$, 입사파 ${\chi}=180^{\circ}$, $135^{\circ}$ 및 $90^{\circ}$ 조건에서 수치 해를 적용하였다. 해석모델은 길이 140 m, 폭 32 m 및 높이 14.6 m의 강구조물로 현수선의 길이는 최대 120 m를 적용하였다. 해석결과 상하동요와 종동요는 선수파 보다 횡파에서 크게 나타났으며 계류 장력도 횡파와 풍하중에 의해 크게 작용하였다.
The paper was investigated on the mooring forces(or tension) and motion response characteristics for a 8-point mooring floating dock in regular waves using a commercial code(AQWA). To achieve the aim of the research, a numerical simulation was adapted on an inner port environment condition, which th...
The paper was investigated on the mooring forces(or tension) and motion response characteristics for a 8-point mooring floating dock in regular waves using a commercial code(AQWA). To achieve the aim of the research, a numerical simulation was adapted on an inner port environment condition, which the water depth is 10 meters, significant wave amplitude(1.05 m). wave period(3.85 sec), wind speed(20.21 m/s), wind and current direction ($90^{\circ}$), incident waves(${\chi}=180^{\circ}$, $135^{\circ}$ and $90^{\circ}$). The dimension of the numerical model is length(140 m), breadth(32 m), depth(14.6 m). The maximum length of a mooring line is 120m. We can expected that roll and pitch motions appeared in beam seas better than head sea. the mooring forces also indicated higher in bean seas than in head seas including wind forces.
The paper was investigated on the mooring forces(or tension) and motion response characteristics for a 8-point mooring floating dock in regular waves using a commercial code(AQWA). To achieve the aim of the research, a numerical simulation was adapted on an inner port environment condition, which the water depth is 10 meters, significant wave amplitude(1.05 m). wave period(3.85 sec), wind speed(20.21 m/s), wind and current direction ($90^{\circ}$), incident waves(${\chi}=180^{\circ}$, $135^{\circ}$ and $90^{\circ}$). The dimension of the numerical model is length(140 m), breadth(32 m), depth(14.6 m). The maximum length of a mooring line is 120m. We can expected that roll and pitch motions appeared in beam seas better than head sea. the mooring forces also indicated higher in bean seas than in head seas including wind forces.
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문제 정의
부유 상태의 플로팅 도크가 조류력과 풍력의 영향을 받을 때 발생하는 계류 장력을 계산하는데 목적을 두고 있다.
가설 설정
이 논문에서 운동응답특성과 계류 장력을 추정한 플로팅 도크는 목포 연안에서 실제 운용되고 있는 부유구조물을 적용하였다. 이 구조물은 육지방향선수를 기준으로 3개 플로팅 도크(47 m)가 연결된 구조로서 운동응답특성 계류 장력 추정 시에는 3개의 플로팅 도크를 연결한 전장 140 m 부유구조물로 가정하여 해석을 수행하였다. 플로팅 도크의 주요제원은 Table 2(Oh et al.
표면장력은 고려하지 않으며 운동크기와 속도는 작다고 가정한다. 이런 유체입자의 운동은 자유 수면으로부터 하향수직방향 거리인 z값의 함수가 됨을 가정할 수 있다. 따라서 해양파의 속도 퍼텐셜을 식(1)으로 정의할 수 있으며 규칙파의 속도 퍼텐셜은 식(5)와 Table 1에서 정의하고 있는 라플라스(Laplace) 방정식, 해저면 경계조건, 동역학적 자유수면 경계조건, 운동학적 자유수면 경계조건을 만족하여야 한다(Yum, 2010, Sohn, 1998).
표면장력은 고려하지 않으며 운동크기와 속도는 작다고 가정한다. 이런 유체입자의 운동은 자유 수면으로부터 하향수직방향 거리인 z값의 함수가 됨을 가정할 수 있다.
제안 방법
이런 경험을 겪는 부유구조물은 수명주기 동안 심각한 구조손상을 받을 수 있다. 따라서 이 논문에서는 상용코드를 이용하여 규칙파 중 8점 계류 중인 플로팅 도크의 운동응답(RAOs)특성에 대한 계류력을 산정하였다. 연구 목적을 달성하기 위해 목포 연안에서 실제 운용되고 있는 플로팅 도크(길이140 m, 폭32 m 및 높이14.
수심 10 m 연안환경에서 파 진폭 1.05 m, 파주기 3.85 sec, 풍향 및 조류방향 90°, 입사파 180°, 135° 및 90° 조건에서 수치 해를 적용하도록 하였다.
파랑진폭에 의한 플로팅 도크의 응답인 응답진폭함수 (RAOs, Response Amplitude Operator)는 방향별로 산정하였으며 방향에 따른 운동응답진폭함수를 나타내었다. 도식 방향은 부유구조물인 플로팅 도크가 대칭구조이므로 90°, 135°, 180°에 대해서만 나타내었다.
대상 데이터
2와 같은 형태로 계류되어 운용되고 있으며 선미부분에 80톤의 앵커(Anchor) 2개와 현측부분 5톤의 싱커(Sinker) 6개로 설치되어 있다. 계류삭 (Mooring line)은 단위길이 당 무게가 95.4 kg/m, 지름 65 mm, 절단시험하중 1.66 MN인 G2체인을 사용하였다. 현수선의 길이는 식(12)와 같은 현수선의 길이 산정식으로 이용하여 계류삭의 길이를 120 m로 계산하여 적용하였다.
연구 목적을 달성하기 위해 목포 연안에서 실제 운용되고 있는 플로팅 도크(길이140 m, 폭32 m 및 높이14.6 m, 현수선 길이 120 m)를 선정하여 파 진폭 1.05 m, 파주기 3.85 sec, 풍속 20.21 m/s, 풍향 및 조류방향 90°, 입사파 χ = 180°, 135° 및 90° 의 연안환경조건에서 수치 해(解)를 적용하였다.
유체특성은 이상유체, 비회전성, 비압축성, 비점성이다.
1과 같이 도식하였다. 이 논문에서 운동응답특성과 계류 장력을 추정한 플로팅 도크는 목포 연안에서 실제 운용되고 있는 부유구조물을 적용하였다. 이 구조물은 육지방향선수를 기준으로 3개 플로팅 도크(47 m)가 연결된 구조로서 운동응답특성 계류 장력 추정 시에는 3개의 플로팅 도크를 연결한 전장 140 m 부유구조물로 가정하여 해석을 수행하였다.
3은 동유체력 해석의 요소상태를 도식하였다. 플로팅 도크의 요소상태는 사각형 요소(QUAD4)를 사용하여 요소 수 7410개로 분할하여 해석에 이용하였다. 요소분할 방법은 허용공차(Defeaturing tolerance) 1.
이론/모형
고전방법으로 선체 단면 스트립(Strip)에 대한 유체력을 계산하여 전체 유체력을 구하는 근사방법이 널리 쓰이고 있다. 이런 스트립 방법은 Korvin-Kroukovsky나 Watanabe 등에 의해 제안된 OSM(Ordinary Strip Method)을 개선시켜 NSM(New Strip Method)으로 발표하였다. 이런 스트립 방법은 방사력(Radiation force)에 대해 선박의 2차원 단면에 작용하는 힘을 특이점 분포법(Singularity distribution method)으로 구하고 선체 길이방향으로 적분하여 구할 수 있다.
성능/효과
이 연구는 규칙파 중 8점계류 중인 플로팅 도크의 운동 응답과 계류 장력을 통한 안정성을 추정하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 규칙파 중 운동응답특성은 선수파에서 가장 안정적이고 횡파에서 가장 큰 운동특성 값을 나타내었다. 이 때 플로팅도크의 계류 장력은 계류삭의 절단 시험 하중의 범위 이하에서 발생됨에 따른 안정성을 확인할 수 있었다.
또한 선수파(Bow seas 180°, 이하 선수파)는 선수사파의 경우와 유사한 경향을 나타내었다. 상기 결과를 토대로 플로팅 도크의 상하동요 운동응답특성은 횡파, 선수사파, 선수파의 운동응답은 낮은 주파수에서 강하게 나타나고 있지만 선수사파와 선수파에 비해 횡파가 가장 큰 응답을 나타내었다. (b)는 종동요의 운동응답특성을 나타내며 여기서, 선수사파의 운동응답특성은 주파수 0.
규칙파 중 운동응답특성은 선수파에서 가장 안정적이고 횡파에서 가장 큰 운동특성 값을 나타내었다. 이 때 플로팅도크의 계류 장력은 계류삭의 절단 시험 하중의 범위 이하에서 발생됨에 따른 안정성을 확인할 수 있었다. 도출 결과는 한정적인 결과로서 향후 다양한 해양환경상태와 계류방법에 대한 상호응답 연구를 수행하여 더 효율적이고 실질적인 연구결과를 도출할 필요가 있다고 사료된다.
후속연구
이 때 플로팅도크의 계류 장력은 계류삭의 절단 시험 하중의 범위 이하에서 발생됨에 따른 안정성을 확인할 수 있었다. 도출 결과는 한정적인 결과로서 향후 다양한 해양환경상태와 계류방법에 대한 상호응답 연구를 수행하여 더 효율적이고 실질적인 연구결과를 도출할 필요가 있다고 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
플로팅 도크의 특징은 무엇인가?
이런 문제를 극복하기 위해 해상에서 횡단면이 유자형태인 플로팅 도크(Floating dock) 등 같은 부유구조물을 이용하여 공간부족 문제를 해결하고 있다. 플로팅 도크는 선체를 입거시킬 때 흘수에 맞추어 각 탱크에 물을 넣어 도크를 침하시킨 다음 선체를 끌어들이고 나서 배수 펌프로 배수시켜 도크를 부상하게 한다. 드라이 도크와 플로팅 도크의 장·단점을 비교하면 다음과 같다.
우리나라 조선소가 일반적으로 선박 건조를 진행하는 곳은 어디인가?
우리나라 대·중소형 조선소는 일반적으로 드라이 도크 (Dry dock) 또는 육상에서 주로 선박 건조를 진행하고 있지만 최근, 공간부족으로 건조 시 상당한 애로사항을 겪고 있는 실정이다. 이런 문제를 극복하기 위해 해상에서 횡단면이 유자형태인 플로팅 도크(Floating dock) 등 같은 부유구조물을 이용하여 공간부족 문제를 해결하고 있다.
선박운동 예측 시 산정될 수 있는 성분은 무엇인가?
선박운동은 종횡운동으로 구분하여 각각의 유체력 성분을 구해 선박운동을 예측할 수 있다. 예측 시 산정될 수 있는 성분은 부가질량, 조파감쇠계수, 복원력계수, 파 강제력 등이 있다. 고전방법으로 선체 단면 스트립(Strip)에 대한 유체력을 계산하여 전체 유체력을 구하는 근사방법이 널리 쓰이고 있다.
참고문헌 (6)
ANSYS, Inc.(2010), AQWA User's manual. pp. 1-84.
Han, Seung-Jae, In-Cheol Kim, Dea-Kyun Oh, Gyoung-Woo Lee and Ok-Sok Gim(2012), Longitudinal Motion Analysis in Multi-Directional Irregular Waves for a Training Ship using Commercial Code, Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety, Vol. 18, No. 6, pp. 577-583.
Koh, Hyeok-Jun and Il-Hyoung Cho(2010), Analysis of Motion Response on Tension Leg Type Automatic Feeding System in Waves, The Korean Association of Ocean Science and Technology Societies, 2010 Conference, pp. 2504-2507
Oh, Young-Cheol, Ok-Sok Gim and Jae-Yong Ko(2012), Hydrodynamic-Structural Response Coupling Analysis to a Rectangle Floating Structures, Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety, Vol. 18, No. 6, pp. 577-583.
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