[논문]부이 특성에 따른 궤도 차량 동적 거동

김형우; 민천홍; 이창호; 홍섭; 배대성; 오재원

doi:10.4217/opr.2014.36.4.495

부이 특성에 따른 궤도 차량 동적 거동
Dynamic Analysis of Tracked Vehicle by Buoy Characteristics 원문보기

Ocean and polar research, v.36 no.4, 2014년, pp.495 - 503

김형우 (한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소) , 민천홍 (한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소) , 이창호 (한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소) , 홍섭 (한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소) , 배대성 (한양대학교 공과대학 기계공학과) , 오재원 (한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper focuses on the dynamic responses of a tracked vehicle crawling on extremely cohesive soft soil, each side of which is composed of two parallel tracks. The tracked vehicle consisted of 2 bodies. One body is the tracked vehicle body, which is assumed to be a rigid body with 6 DOFs. The other body is the buoy body. The two bodies are connected by a revolute joint. In order to evaluate the travelling performance of a 7 DOFs vehicle, a dynamic analysis program for the tracked vehicle was developed using Newmark's method and the incremental-iterative method. The effects of road wheels on the track and soil are not taken into account. A terra-mechanics model of extremely cohesive soft soil is implemented in form of relationships: normal pressure to sinkage, shear resistance to shear displacement, and dynamic sinkage to shear displacement. Pressure-sinkage relationship and shear displacement-stress relationship should represent the non-linear characteristics of extremely soft soil. Especially, since the shear resistance of soft soil is very sensitive to shear displacement, spatial distribution of shear displacement occurring at the contact area of the tracks should be calculated precisely. The proposed program is developed in FORTRAN.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

결과는 직진 주행과 선회 주행으로 분류하고 직진 주행에서 차량의 동적 거동에 대한 부이의 영향력을 분석하고 선회 주행에서 주행 특성에 영향을 미치는지 확인하고자 한다.
부이의 부력은 채광 로봇의 접지력에 영향을 주어 주행 특성을 변화시킬 수 있고, 부이의 장착 위치에 따라 부이와 채광 로봇을 연결시켜 주는 파이프의 길이가 달라짐으로써 모멘트 변화로 접지력에 영향을 줄 수 있다. 따라서 본 연구에서는 부이의 부력과 장착위치에 따른 MineRo의 주행성능에 대해 고찰하였으며, 향후 부이의 설계에 반영하고자 한다.
심해저 광물 채광 로봇 MineRo의 주행 성능을 향상시키기 위해서 기존의 유연관과 직접적인 체결 방식을 변경하여 유연관의 거동이 MineRo의 거동에 영향을 주지 않도록 거동을 분리하는 방안을 본 연구에서 제시하였다. 제안된 방안의 효율성을 검증하기 위해 수치해석 시뮬레이션을 수행하였다.

제안 방법

(2013)의 연구에서 검증된 값을 이용하여 오직 부이의 특성에 관련된 변수만을 설계변수로 정의하였다. 설계 변수는 부이와 MineRo를 연결하는 관의 높이, 부이의 부력 크기, 궤도의 주행 속도, 궤도의 선회비이다. 각각의 변수에 대한 수치들은 Table 2에서 보여준다.
직진 주행에서는 부이로 인해 차량의 침하 정도와 회전, 부이의 거동 특성을 확인하였고 선회 주행에서는 차량의 선회 반경 영향력에 대해 검토하였다. 수치해석 설계변수로는 부이의 부력 크기, 부이의 장착 위치, MineRo의 주행 속도와 선회비를 사용하였다. MineRo의 거동에 영향을 주는 인자로는 부력의 크기와 주행 속도, 선회비이며 파이프의 길이는 차량의 거동에는 영향력이 없었다.
연약 지반 특성은 Kim et al. (2013)의 연구에서 검증된 값을 이용하여 오직 부이의 특성에 관련된 변수만을 설계변수로 정의하였다. 설계 변수는 부이와 MineRo를 연결하는 관의 높이, 부이의 부력 크기, 궤도의 주행 속도, 궤도의 선회비이다.
채광 로봇과 유연관의 거동을 분리하는 방법으로 본 논문에서는 Fig. 3과 같이 부이 구조물을 장착하는 방법을 제안하였다. 유연관은 채광 로봇의 heave와 pitch 움직임에 가장 큰 영향을 준다.

데이터처리

심해저 광물 채광 로봇 MineRo의 주행 성능을 향상시키기 위해서 기존의 유연관과 직접적인 체결 방식을 변경하여 유연관의 거동이 MineRo의 거동에 영향을 주지 않도록 거동을 분리하는 방안을 본 연구에서 제시하였다. 제안된 방안의 효율성을 검증하기 위해 수치해석 시뮬레이션을 수행하였다. 직진 주행에서는 부이로 인해 차량의 침하 정도와 회전, 부이의 거동 특성을 확인하였고 선회 주행에서는 차량의 선회 반경 영향력에 대해 검토하였다.

이론/모형

본 연구에서 사용한 수치적 방법은 recursive formulation으로 기준 강체를 제외한 다른 강체들은 조인트 좌표계로 변환되어 표현된다. 따라서 부이의 기구학적 정보는 조인트 좌표계로 변환하여 표현한다.
5(b)와 같은 속도 프로파일에 의해 선회 주행을 한다. 선회 주행을 위해서는 여러 종류의 속도 프로파일이 존재하지만 본 연구에서는 선회성능이 가장 좋은 속도 프로파일을 사용하였다(Kim et al. 2013). 각각의 궤도 속도를 정의하기 위해서 VR을 기준 속도로 정의하고 나머지 속도 변수들 간의 관계는 다음과 같이 정의하였다.

성능/효과

(d)에서는 동일한 주행 속도에서 부력의 크기와 파이프 길이에 따른 회전각의 변화를 보여주고 있다. 여기서 확실히 알 수 있는 사실은 파이프의 길이가 회전각의 변화에 거의 기여하지 않음을 확인할 수 있고, (b), (c), (d)를 종합해서 분석하면 부력의 크기와 주행 속도가 차량의 회전각에 가장 큰 기여를 하며, 파이프 길이는 거의 기여하지 않는다.
파이프의 길이가 커질수록 선회 반경이 커지고 부력의 크기가 커질수록 선회반경이 작아짐을 확인할 수 있었다. (b), (c), (d)를 종합해서 분석하면 선회반경의 변화에 지배적인 영향을 미치는 인자는 궤도의 선회비이고 파이프의 길이와 부력의 크기, 주행 속도는 기여도가 크지 않음을 알 수 있다. 따라서 부이를 장착하더라도 MineRo의 선회 주행 특성에는 큰 영향을 주지 않는 것을 확인할 수 있었다.
(c)에서는 동일한 주행 속도에서 부력의 크기와 파이프의 길이에 따른 침하량의 관계를 확인할 수 있다. 동일한 주행 속도 시, 부력의 크기가 커질수록 침하량이 감소하며 파이프 길이가 길어질수록 침하량이 감소함을 확인할 수 있다. 하지만 파이프의 길이에 따른 침하량의 변화가 너무 적기 때문에 기여도가 거의 없다고 할 수 있다.
(b), (c), (d)를 종합해서 분석하면 선회반경의 변화에 지배적인 영향을 미치는 인자는 궤도의 선회비이고 파이프의 길이와 부력의 크기, 주행 속도는 기여도가 크지 않음을 알 수 있다. 따라서 부이를 장착하더라도 MineRo의 선회 주행 특성에는 큰 영향을 주지 않는 것을 확인할 수 있었다.
또한 부력의 크기가 커질수록 진동이 발생하지 않고 작을수록 진동이 잘 발생한다. 따라서 부이의 동적 거동 특성에 지배적인 인자는 부력과 파이프 길이가 되고 속도는 영향력이 거의 없는 것을 알 수 있었다.
MineRo는 광물 채광 시 직진 주행뿐만 아니라 선회 주행도 한다. 부이 장착 시 선회 주행특성에는 영향력이 거의 없었기 때문에 본 연구에서 제안된 유연관과 MineRo의 거동 분리 방법으로 부이 구조물을 장착하는 방법이 타당하다고 판단된다. 또한 부이 장착시 효과는 유연관과 MineRo 거동의 분리뿐만 아니라 유연관의 형상이 S 형태가 아닌 catenary 형태이므로 관용부력재의 추가 구비 및 설치가 필요 없으며 부이 구조물에 펌프 등과 같은 기계 장치를 부수적으로 구축할 수 있다는 공간 확보의 장점이 존재한다.
(b)에서는 동일한 파이프 길이와 선회 반경 시, 주행 속도와 부력의 크기에 따른 선회 반경의 민감도를 보여준다. 여기서 부이의 부력 크기와 주행 속도는 선회 반경에 미치는 영향은 거의 없으며, 다만 부력의 크기가 커질수록 속도에 따른 선회 반경의 변화가 거의 없고, 속도가 커질수록 부력의 크기에 따른 선회 반경의 변화가 거의 없었음을 확인할 수 있었다. 이는 속도와 부력의 크기가 상호간에 관여하고 있음을 보여준다.
(c)에서는 동일한 속도와 부력 크기일 때, 파이프의 길이와 선회비의 변화에 따른 선회 반경의 크기를 보여준다. 여기서, 파이프의 길이의 변화에 따라서는 선회 반경의 변화가 거의 없었고 선회비는 명확하게 기여하고 있음을 확인할 수 있다. (d)에서는 동일한 주행 속도와 선회 비에서, 파이프 길이와 부력의 크기 변화에 따른 선회 반경의 크기를 보여준다.
(d)에서는 동일한 주행 속도와 선회 비에서, 파이프 길이와 부력의 크기 변화에 따른 선회 반경의 크기를 보여준다. 파이프의 길이가 커질수록 선회 반경이 커지고 부력의 크기가 커질수록 선회반경이 작아짐을 확인할 수 있었다. (b), (c), (d)를 종합해서 분석하면 선회반경의 변화에 지배적인 영향을 미치는 인자는 궤도의 선회비이고 파이프의 길이와 부력의 크기, 주행 속도는 기여도가 크지 않음을 알 수 있다.

후속연구

또한 부이 장착시 효과는 유연관과 MineRo 거동의 분리뿐만 아니라 유연관의 형상이 S 형태가 아닌 catenary 형태이므로 관용부력재의 추가 구비 및 설치가 필요 없으며 부이 구조물에 펌프 등과 같은 기계 장치를 부수적으로 구축할 수 있다는 공간 확보의 장점이 존재한다. 차후에는 부이 구조물의 실제 설계에 대해 연구를 수행할 예정이다.
하지만 파이프의 길이는 부이의 거동에 진동발생 등의 큰 영향을 주었다. 파이프의 길이와 부력의 관계에 따라 진동의 발생 여부를 확인하였고 차후 설계 시이를 반영할 예정이다. MineRo는 광물 채광 시 직진 주행뿐만 아니라 선회 주행도 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	망간단괴란?	육상광상에 비해 니켈, 코발트, 구리의 함량이 대단히 높은 심해저 망간단괴는 수심 3000~5000 m의 전 세계 심해저에 널리 분포되어 있는 대표적인 심해저 광물자원이다. 특히, 태평양의 클라리온-클립퍼톤 해역(CCFZ)에 부존되어 있으며, 막대한 양의 망간단괴는 세계 선진 각국의 상업적 개발의 목표가 되고 있으며, 1970년대 미국, 유럽 등의 선진국을 중심으로 현재까지 활발히 수행되고 있다(Brink and Chung 1981; Chung 1996, 1998; Hong and Kim 1999; Morgan et al.
	심해저의 퇴적지반은 어떤 문제점을 가지고 있는가?	심해저의 퇴적지반은 매우 높은 함수율을 가지는 미세한 입자들로 구성되어 지반의 지지력이 매우 미약하다는 문제점을 가진다. 이러한 미약한 지반 지지력으로 인해 상업생산에 요구되는 연간 150만~300만톤에 달하는 망간단괴를 집광시스템으로 실어 운반하는 것은 불가능하며, 해상의 채광선까지 양광관을 통하여 연속적으로 채광하는 것(Continuous mining, Fig.
	부이의 부력과 장착위치에 따른 MineRo의 주행성능에 대해 고찰이 필요한 이유는 무엇인가?	부이 구조물과 채광 로봇을 회전이 가능한 조인트 형태로 장착하고 부이에 유연관을 장착하여 채광 로봇의 heave와 pitch 움직임을 독립적으로 할 수 있다. 이 때, 장착될 부이 특성에 영향을 주는 부력크기와 장착위치 등의 설계 인자 결정은 매우 중요하다. 부이의 부력은 채광 로봇의 접지력에 영향을 주어 주행 특성을 변화시킬 수 있고, 부이의 장착 위치에 따라 부이와 채광 로봇을 연결시켜 주는 파이프의 길이가 달라짐으로써 모멘트 변화로 접지력에 영향을 줄 수 있다. 따라서 본 연구에서는 부이의 부력과 장착위치에 따른 MineRo의 주행성능에 대해 고찰하였으며, 향후 부이의 설계에 반영하고자 한다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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