부유체의 횡동요는 승조원의 피로를 누적시키고, 심지어 구조물 전체를 전복시키기 까지 하고, 또 선체에 반복적인 외력을 가하는 등 부유체의 안정성과 구조물의 안전에 심대한 영향을 끼친다. 그래서 거의 모든 선박의 경우에는 빌지킬을 설치하여 횡동요를 감소시키고 있고, 특수한 경우에는 안티롤링 탱크나 핀 스태빌라이저나 자이로스코프 등을 설치하여 횡동요를 줄이고 있다. 그러나 안티롤링 탱크는 설치하는데 용적을 많이 차지하고, 핀 스태빌라이저나 자이로스코프는 설치비와 유지 관리비가 많이 든다. 본 연구에서는 안티롤링 진자를 이용하여 부유체의 횡동요를 줄이고자 한다. 보통 단진자라고 하면 질량체를 끈으로 어디엔가 고정시켜 놓고 자유롭게 흔들리는 구조를 말한다. 여기에서는 통상의 진자 대신에 진자를 원궤도에 올려놓아서 단진동 운동을 하도록 하는 원리를 이용한다. 제안한 장치를 실험선에 적용하여 그 효능을 입증하였다. 안티롤링 탱크의 약 1/8의 중량과 약 1/6의 용적을 가진 안티롤링 진자를 이용하여 이것보다 더 좋은 효과를 낼 수 있음을 확인하였다. 여기에 더하여 선체에 안티롤링 진자를 부가한 모델의 선형운동방정식과 비선형 운동방정식을 제시하였다.
부유체의 횡동요는 승조원의 피로를 누적시키고, 심지어 구조물 전체를 전복시키기 까지 하고, 또 선체에 반복적인 외력을 가하는 등 부유체의 안정성과 구조물의 안전에 심대한 영향을 끼친다. 그래서 거의 모든 선박의 경우에는 빌지킬을 설치하여 횡동요를 감소시키고 있고, 특수한 경우에는 안티롤링 탱크나 핀 스태빌라이저나 자이로스코프 등을 설치하여 횡동요를 줄이고 있다. 그러나 안티롤링 탱크는 설치하는데 용적을 많이 차지하고, 핀 스태빌라이저나 자이로스코프는 설치비와 유지 관리비가 많이 든다. 본 연구에서는 안티롤링 진자를 이용하여 부유체의 횡동요를 줄이고자 한다. 보통 단진자라고 하면 질량체를 끈으로 어디엔가 고정시켜 놓고 자유롭게 흔들리는 구조를 말한다. 여기에서는 통상의 진자 대신에 진자를 원궤도에 올려놓아서 단진동 운동을 하도록 하는 원리를 이용한다. 제안한 장치를 실험선에 적용하여 그 효능을 입증하였다. 안티롤링 탱크의 약 1/8의 중량과 약 1/6의 용적을 가진 안티롤링 진자를 이용하여 이것보다 더 좋은 효과를 낼 수 있음을 확인하였다. 여기에 더하여 선체에 안티롤링 진자를 부가한 모델의 선형운동방정식과 비선형 운동방정식을 제시하였다.
A ship's rolling motion can make crew and passengers sick and/or apply forces to the structure that cause damage.. Therefore bilge keels are equipped in most ships for anti-rolling. In special cases, anti-rolling tanks (ARTs), fin stabilizers, or gyroscopes can be installed. However, ARTs require a ...
A ship's rolling motion can make crew and passengers sick and/or apply forces to the structure that cause damage.. Therefore bilge keels are equipped in most ships for anti-rolling. In special cases, anti-rolling tanks (ARTs), fin stabilizers, or gyroscopes can be installed. However, ARTs require a large area to install, and fin stabilizers and gyroscopes are costly to install and expensive to operate. This paper suggests a Anti-rolling pendulum (ARP) to reduce roll motion. ARPs acts like ARTs. However, the ARP has a circular shaped guidance arc instead of the string or wire of a simple pendulum. The device suggested has about 1/ 8 the weight and 1/ 6 the volume of a ART and is more effective. This study derives the nonlinear and linear differential equations of system motion.
A ship's rolling motion can make crew and passengers sick and/or apply forces to the structure that cause damage.. Therefore bilge keels are equipped in most ships for anti-rolling. In special cases, anti-rolling tanks (ARTs), fin stabilizers, or gyroscopes can be installed. However, ARTs require a large area to install, and fin stabilizers and gyroscopes are costly to install and expensive to operate. This paper suggests a Anti-rolling pendulum (ARP) to reduce roll motion. ARPs acts like ARTs. However, the ARP has a circular shaped guidance arc instead of the string or wire of a simple pendulum. The device suggested has about 1/ 8 the weight and 1/ 6 the volume of a ART and is more effective. This study derives the nonlinear and linear differential equations of system motion.
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문제 정의
본 연구에서는 안티롤링 진자를 이용하여 선박의 횡동요를 저감시키는 방법을 제안하여서 다음의 결론을 얻었다.
여기에서는 안티롤링 진자를 장치한 선박의 횡동요 특성을 이론적인 해석으로 접근한다.
가설 설정
먼저 선박이 소각도로 동요한다고 가정하여 운동방정식을 선형화한 식 (8)을 적용하여 해석하고, 다음에 비선형 방정식(7)을 이용하여 비선형 해석을 한다.
선박의 횡동요는 수직축에 대하여 θ1 회전하고, 안티롤링 진자는 점 P를 중심으로 선체에 대하여 θ2 회전하는 모델을 상정하기로 한다.
선체의 회전중심은 정확히 알 수 없으나 수선면의 중앙인 O에 있는 것으로 가정하기로 한다. 또 선체의 복원력은 #이므로 이 모델을 단순화하면 O점에 질량 △인 추가 길이 #인 곳에 매달려서 진동하는 단진자로 상정할 수 있고, 이때의 질량관성모멘트는 J0는 선박의 횡동요 진동수 wn를 알 수 있으면 다음과 같이 추산할 수 있다.
빌지 킬은 선체에 고정된 장치이므로 선박의 운동을 줄이는 감쇠 장치로 고려하면 되고, 자이로스코프는 외력으로 고려하면 되고, 안티롤링 탱크는 자유도를 증가시켜서 해석하여야 한다. 제안하는 안티롤링 진자의 경우도 개념은 안티롤링 탱크와 완벽하게 같다. 안티롤링 탱크의 질량체인 물은 물 자체로의 감쇠 성질을 가지고 있고, 더하여 물이 흐르는 통로의 크기에 따라서 감쇠의 정도가 달라지기 때문에 감쇠를 반드시 고려하여야 한다.
제안 방법
3. 안티롤링 진자를 장치한 선박의 횡동요에 대하여 수학모델을 제시하여서 선형화한 모델과 비선형 모델에 대한 해석적 방법을 제시하였다.
또 안티롤링 진자의 경우는 단진자의 주기가 배의 동요주기와 일치하도록 설계하였다. 단진자의 주기 T는 다음과 같다.
먼저 안티롤링 장치를 갖추지 않은 선박의 자유진동에 대한 횡동요의 감쇠 특성을 살펴보기 위하여 곡선맞춤법을 이용하여 계수들을 구하여 보았다. 점성감쇠계의 자유진동의 일반해는 다음과 같이 주어진다.
실험은 수조에서 실시하였고, 초기 횡동요 각은 10°로 하여 최대한 조용한 상태에서 배를 놓아주었다.
여기에서는 안티롤링 진자를 구조물의 본체에 부가하여 제어기 없이 안티롤링 진자의 운동만으로 선박의 횡동요를 감소시키는 장치에 대하여 시스템의 운동방정식을 유도하고 실험 결과와 비교 검토한다.
중심은 배를 실로 매달아 찾았고, 메타센터는 계산에 의하여 구하였고, #은 1kg의 추를 좌현에서 우현으로 우현에서 좌현으로 이동시키는 실험에 의하여 구하였다. 이로부터 복원력을 구하고, 횡동요 주파수로부터 선체의 질량 관성모멘트 J0를 추정하였다. 따라서 이 J0에는 부가질량에 의한 질량관성모멘트가 포함되어 있다.
대상 데이터
Table 3에 의하여 3.5cm의 정사각형 단면을 가진 안티롤링 탱크를 만들어서 실험에 사용하였다. 이 때 이동수의 양은 490g이었다.
안티롤링 탱크의 크기는 선박의 배수량의 약 4%인 500g의 이동수가 되도록 하였고, 안티롤링 진자는 배수량의 약 0.5%인 64g인 직경 25mm의 쇠구슬을 이용하였다.
이론/모형
더 정확한 해를 구하기 위하여서는 식 (6)의 비선형 방정식을 풀어야 한다. 여기에서는 Runge-Kutta 법을 적용하였다.
성능/효과
1. 약 0.5%의 부가 중량인 안티롤링 진자를 이용하여 이보다 약 8배 무거운 안티롤링 탱크를 이용한 경우보다 동등 이상의 안티롤링 성능을 낼 수 있음을 확인하였다. 안티롤링 탱크를 밸러스트 탱크 등 다른 탱크를 이용할 경우에는 추가의 부피를 차지하지는 않지만 이동수의 고유진동수를 횡동요 고유진동수와 일치시키기에는 한계가 있다.
2. 인체나 화물에 직접적으로 영향을 주는 가속도의 관점에서 보면 안티롤링 진자를 이용할 경우가 안티롤링 탱크를 이용할 경우보다 월등히 좋은 효과를 볼 수 있음을 보였다.
4. 선형화한 모델 해석으로는 횡동요 주기를 맞추는데 한계가 있었으나, 비선형미분방정식을 적용한 결과 개선된 결과를 얻을 있었다.ㅇ
후속연구
제안한 장치는 큰 선박에 적용하기에는 0.5%의 중량도 큰 중량이 되기 때문에 많은 추가적인 연구가 필요할 것으로 보인다. 그러나 낚싯배 등 소형선박이나 소형 여객선에는 적용할 수 있을 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
횡동요를 감소시키기 위해서는?
부유체의 횡동요는 승조원의 피로를 누적시키고, 심지어 구조물 전체를 전복시키기 까지 하고, 또 선체에 반복적인 외력을 가하는 등 부유체의 안정성과 구조물의 안전에 심대한 영향을 끼친다. 그래서 거의 모든 선박의 경우에는 빌지킬을 설치하여 횡동요를 감소시키고 있고, 특수한 경우에는 안티롤링 탱크나 핀 스태빌라이저나 자이로스코프 등을 설치하여 횡동요를 줄이고 있다. 그러나 안티롤링 탱크는 설치하는데 용적을 많이 차지하고, 핀 스태빌라이저나 자이로스코프는 설치비와 유지 관리비가 많이 든다.
부유체의 횡동요의 영향은?
부유체의 횡동요는 승조원의 피로를 누적시키고, 심지어 구조물 전체를 전복시키기 까지 하고, 또 선체에 반복적인 외력을 가하는 등 부유체의 안정성과 구조물의 안전에 심대한 영향을 끼친다. 그래서 거의 모든 선박의 경우에는 빌지킬을 설치하여 횡동요를 감소시키고 있고, 특수한 경우에는 안티롤링 탱크나 핀 스태빌라이저나 자이로스코프 등을 설치하여 횡동요를 줄이고 있다.
안티롤링 탱크의 단점은?
안티롤링 탱크(anti-rolling tank: ART)의 경우는 선체에 횡방향으로 U자형의 탱크를 설치하여 횡동요와 더불어 탱크내의 물이 좌우로 이동하게 하는 장치로 이 때 선체의 운동과 물의 이동 사이에 위상차가 생기는 것을 이용하여 배의 횡동요를 줄이는 장치이다. 효과는 상당히 좋으나 큰 공간을 차지하는 단점이 있다. 물론 밸러스트 탱크나 청수 탱크를 이용하면 공간의 문제는 해결되지만 선박의 롤링 주파수와 ART의 이동수 고유주파수를 일치시켜야 롤링 저감의 효과가 가장 크다는 점을 고려하면 전용의 ART를 설치하는 것이 최선임을 알 수 있다.
참고문헌 (10)
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