[논문]횡요상태 관측에 의한 선체 횡관성모멘트 값의 도출을 위한 일반식

최순만

doi:10.7837/kosomes.2015.21.5.538

초록
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선체의 횡관성모멘트는 선박의 횡운동 특성을 다루는 경우 제외될 수 없는 요소로서 그 크기의 적정성은 선체 동특성 해석의 결과와 신뢰성에 큰 영향을 미친다. 그러나 선박은 질량분포와 형상이 복잡하므로 이를 직접적인 계산을 통해 값을 구하기에는 과정이 매우 복잡하고 대상 선박의 구체적인 관련 자료를 얻기도 어렵다는 점에서 실용적으로는 선체 질량의 등가적 관성반경을 선체폭의 일정비율로 계산하는 간접적인 방법이 통용되고 있다. 한편, 어느 선체의 자유 횡운동이 나타내는 횡요 주기와 감쇠형태는 관성모멘트에 의해 영향을 받기 마련이고 따라서 이러한 응답의 결과적인 모양으로부터 역으로 해당 선박의 관성모멘트를 구하는 일반식의 도출이 가능할 것으로 유추될 수 있다. 본 연구에서는 관찰에 의한 선체의 횡요 주기는 경사각의 진폭 감쇠비에 의해서도 달라지는 관계를 해석하여 횡요 주기와 경사각 진폭 감쇠비 모두를 함수 인자로 포함하는 일반식에 의해 횡관성모멘트 크기가 구해질 수 있음을 나타내었다. 또한 이러한 일반식에 횡요 관찰 선박의 주요 제원을 적용하였을 때 나타나는 특성 그래프들을 분석한 결과 횡요주기뿐 아니라 진폭감쇠비가 함께 검토될 때 얻어지는 관성모멘트 값이 보다 정확해진다는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The transverse moment of inertia is an indispensable factor in analyzing the roll motion characteristics of ships and the calculating method needs to be based on the more reasonable theories when deciding the value as the results and reliability of analysis could be much affected by the correctness....

The transverse moment of inertia is an indispensable factor in analyzing the roll motion characteristics of ships and the calculating method needs to be based on the more reasonable theories when deciding the value as the results and reliability of analysis could be much affected by the correctness. However, the mass distribution and shape of hulls are quite complicated and give much difficulties in case of calculating the value directly from the ship design data, furthermore even acquiring the detailed design data for calculation is almost impossible. Therefore some simpler ways are practically adopted in the assumption that the gyradius of roll moment can be decided by a given ratio and hull width. It is well known that the responses of the free roll decay are varied according to the value of roll moment in view of roll period and amplitude decay ratio, so that the general formula to get the moment value can be derived also from the observation of roll decay responses. This study presents how the roll period and decay ratio are interrelated each other from the roll motion characteristics with suggesting a general formula to be able to calculate roll moment from it. Finally, the obtained general formula has been applied to a ship data to check the resultant characteristics through analyzing graphs and showed that the roll moment becomes more accurate when rolling period and decay ratio are considered together in calculation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 횡요 응답의 관찰로부터 대상 선박의 횡요 주기 및 횡요 주기마다 감소되는 경사각의 진폭 감쇠비가 확인되면 제시된 일반식에 이를 대입함으로써 횡관성모멘트를 계산할 수 있다는 것을 나타내었으며 이와 함께 횡관성모멘트가 횡요 주기뿐 아니라 진폭의 감쇠 형태에 의해서 달라지는 관계를 살펴보기로 한다.

성능/효과

조용한 수면에서 선체의 횡요 응답을 관찰할 때 얻어지는 횡요 주기 및 매 주기마다 감소되는 경사각의 진폭 감쇠비를 확인하면 이것을 통하여 해당 선체의 횡관성모멘트 크기를 보다 구체적으로 계산할 수 있는 일반식의 도출이 가능할 것으로 추정하였다. 먼저, 횡관성모멘트의 일반식을 얻기 위해 관찰에 의한 실제 주기 및 진폭 감쇠비를 토대로 선체의 고유각속도가 계산되었으며 이 결과 횡관성모멘트는 대체로 횡요 주기의 제곱에 비례하므로 지배적인 영향을 받는 한편, 진폭감쇠비에 의해서도 부분적으로 크기가 달라진다는 것을 알 수 있었다.
횡관성모멘트 및 관성반지름의 일반식이 나타내는 이러한 특성을 모델선박에 적용한 결과 이로부터 얻어지는 그래프에서도 추정되었던 서로의 관계가 해석적으로 설명될 수 있었다. 이를 통하여 횡요 주기와 함께 진폭감쇠비가 함께 적용되어야 보다 자세한 관성모멘트의 크기가 얻어진다는 것이 확인되었으며 또한 구해진 일반식이 선체 관련 계산에 있어서 실용적으로 사용될 수 있음을 나타내었다. 이를 토대로 향후 선박의 선종 별 동특성의 분석에 제시된 횡관성 모멘트의 일반식을 활용하기 위한 연구가 과제로 남아있다고 하겠다.

후속연구

이를 통하여 횡요 주기와 함께 진폭감쇠비가 함께 적용되어야 보다 자세한 관성모멘트의 크기가 얻어진다는 것이 확인되었으며 또한 구해진 일반식이 선체 관련 계산에 있어서 실용적으로 사용될 수 있음을 나타내었다. 이를 토대로 향후 선박의 선종 별 동특성의 분석에 제시된 횡관성 모멘트의 일반식을 활용하기 위한 연구가 과제로 남아있다고 하겠다.
조용한 수면에서 선체의 횡요 응답을 관찰할 때 얻어지는 횡요 주기 및 매 주기마다 감소되는 경사각의 진폭 감쇠비를 확인하면 이것을 통하여 해당 선체의 횡관성모멘트 크기를 보다 구체적으로 계산할 수 있는 일반식의 도출이 가능할 것으로 추정하였다. 먼저, 횡관성모멘트의 일반식을 얻기 위해 관찰에 의한 실제 주기 및 진폭 감쇠비를 토대로 선체의 고유각속도가 계산되었으며 이 결과 횡관성모멘트는 대체로 횡요 주기의 제곱에 비례하므로 지배적인 영향을 받는 한편, 진폭감쇠비에 의해서도 부분적으로 크기가 달라진다는 것을 알 수 있었다.
한편, 잔잔한 해면상태의 항내 선박에서 화물의 이동 등으로 선체 경사가 발생할 때 선교의 경사계(Clinometer)와 스톱워치 등을 이용하여 횡요 상황을 관찰할 수 있는 조건이라면 보다 직접적인 방법으로 해당 선박의 횡관성모멘트를 구하는 것이 가능할 것으로 유추된다. 횡요 응답에서의 횡요 주기와 감쇠모양은 선체의 GM값과 관성모멘트 크기에 의해 고유한 형태로 나타나게 된다는 점에서 이러한 응답으로부터 역으로 횡관성모멘트를 계산하는 일반식을 도출할 수 있을 것으로 보아진다.
한편, 잔잔한 해면상태의 항내 선박에서 화물의 이동 등으로 선체 경사가 발생할 때 선교의 경사계(Clinometer)와 스톱워치 등을 이용하여 횡요 상황을 관찰할 수 있는 조건이라면 보다 직접적인 방법으로 해당 선박의 횡관성모멘트를 구하는 것이 가능할 것으로 유추된다. 횡요 응답에서의 횡요 주기와 감쇠모양은 선체의 GM값과 관성모멘트 크기에 의해 고유한 형태로 나타나게 된다는 점에서 이러한 응답으로부터 역으로 횡관성모멘트를 계산하는 일반식을 도출할 수 있을 것으로 보아진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	선체의 횡관성모멘트 크기의 적정성은 어떤 영향을 미치는가?	선체의 횡관성모멘트는 선박의 횡운동 특성을 다루는 경우 제외될 수 없는 요소로서 그 크기의 적정성은 선체 동특성 해석의 결과와 신뢰성에 큰 영향을 미친다. 그러나 선박은 질량분포와 형상이 복잡하므로 이를 직접적인 계산을 통해 값을 구하기에는 과정이 매우 복잡하고 대상 선박의 구체적인 관련 자료를 얻기도 어렵다는 점에서 실용적으로는 선체 질량의 등가적 관성반경을 선체폭의 일정비율로 계산하는 간접적인 방법이 통용되고 있다.
	선체의 횡관성모멘트 크기를 계산을 통해 구하기 어려운 이유는 무엇인가?	선체의 횡관성모멘트는 선박의 횡운동 특성을 다루는 경우 제외될 수 없는 요소로서 그 크기의 적정성은 선체 동특성 해석의 결과와 신뢰성에 큰 영향을 미친다. 그러나 선박은 질량분포와 형상이 복잡하므로 이를 직접적인 계산을 통해 값을 구하기에는 과정이 매우 복잡하고 대상 선박의 구체적인 관련 자료를 얻기도 어렵다는 점에서 실용적으로는 선체 질량의 등가적 관성반경을 선체폭의 일정비율로 계산하는 간접적인 방법이 통용되고 있다. 한편, 어느 선체의 자유 횡운동이 나타내는 횡요 주기와 감쇠형태는 관성모멘트에 의해 영향을 받기 마련이고 따라서 이러한 응답의 결과적인 모양으로부터 역으로 해당 선박의 관성모멘트를 구하는 일반식의 도출이 가능할 것으로 유추될 수 있다.
	선체의 횡관성모멘트는 어떤 요소인가?	선체의 횡관성모멘트는 선박의 횡운동 특성을 다루는 경우 제외될 수 없는 요소로서 그 크기의 적정성은 선체 동특성 해석의 결과와 신뢰성에 큰 영향을 미친다. 그러나 선박은 질량분포와 형상이 복잡하므로 이를 직접적인 계산을 통해 값을 구하기에는 과정이 매우 복잡하고 대상 선박의 구체적인 관련 자료를 얻기도 어렵다는 점에서 실용적으로는 선체 질량의 등가적 관성반경을 선체폭의 일정비율로 계산하는 간접적인 방법이 통용되고 있다.

참고문헌 (5)

IMO Resolution A.749(1993), Code on Intact for all Type of Ships Covered by IMO instruments.
Kruger, S. and F. Kluwe(2008), A Simplified Method for the Estimation of the Natural Roll Frequency of Ships in Heavy Weather, HANSA Bd 145, pp. 1-7.
Papanikolaou, A., E. Boulougouris and D. Spanos(1997), On the Roll Radius of Gyration of Ro-Ro Passenger Ships, The 7th International Offshore and Polar Engineering Conference, Vol. 3, pp. 499-506.
Surendran, S. and J. Venkata Ramana Reddy(2003), Numerical simulation of ship stability for dynamic environment, Ocean Engineering, Vol. 30, No. 10, pp. 1315-1317.
Vredeveldt, A. W. and J. M. J. Journee(1991), Roll motions of ships due to sudden water ingress, calculations and experiments, International Conference on Ro-Ro Safety and Vulnerability the Way Ahead, RINA, Vol. I, pp. 13-30.

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