부유체의 횡동요는 승조원의 피로를 누적시키고, 심지어 구조물 전체를 전복시키기까지 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. 저자들은 안티롤링진자를 이용한 부유체의 롤링저감에 대한 연구를 하여 실험과 Runge-Kutta 해석에 의하여 그 유효성을 보인 바 있다. 여기에서는 선박에 안티 롤링 진자를 설치한 모델을 2자유도 점성감쇠계로 선형화하여 시스템을 해석하고 실험과 비교하여 수학 모델의 정당성을 보이고, 수학 모델의 정당성을 바탕으로 최적의 안티 롤링 진자를 제안한다. 7.7kg의 모형선의 경우 모형선 질량의 0.26%인 20g의 안티롤링 진자가 가장 효율이 좋음을 보였다. 또 안티 롤링 진자의 질량이 다른 몇 가지 경우에 대하여서 자유 롤링 실험을 하여 안티 롤링 진자의 유효성을 보인다.
부유체의 횡동요는 승조원의 피로를 누적시키고, 심지어 구조물 전체를 전복시키기까지 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. 저자들은 안티롤링진자를 이용한 부유체의 롤링저감에 대한 연구를 하여 실험과 Runge-Kutta 해석에 의하여 그 유효성을 보인 바 있다. 여기에서는 선박에 안티 롤링 진자를 설치한 모델을 2자유도 점성감쇠계로 선형화하여 시스템을 해석하고 실험과 비교하여 수학 모델의 정당성을 보이고, 수학 모델의 정당성을 바탕으로 최적의 안티 롤링 진자를 제안한다. 7.7kg의 모형선의 경우 모형선 질량의 0.26%인 20g의 안티롤링 진자가 가장 효율이 좋음을 보였다. 또 안티 롤링 진자의 질량이 다른 몇 가지 경우에 대하여서 자유 롤링 실험을 하여 안티 롤링 진자의 유효성을 보인다.
The rolling motion of a floating body makes crews and passengers exhausted and/or applies forces to the structure to cause damage; it might even upset the body. Therefore, almost all ships are equipped with bilge keels for anti-rolling; in special cases, an anti-rolling tank(ART) or fin stabilizer o...
The rolling motion of a floating body makes crews and passengers exhausted and/or applies forces to the structure to cause damage; it might even upset the body. Therefore, almost all ships are equipped with bilge keels for anti-rolling; in special cases, an anti-rolling tank(ART) or fin stabilizer or gyroscope could be installed. But an ART requires a large capacity to install it, and a fin stabilizer and gyroscope need great costs to install and also many expenses to operate. The authors suggest the use of an anti-rolling pendulum(ARP), and they showed that the ARP is effective to reduce rolling by experiments and via a Runge-Kutta analysis. This paper introduces the linearized 2 degrees of freedom with a viscous damping system for a ship equipped with ARP; it also shows the validation of the linearized analysis for the ship's roll motion. The paper proposes an optimum ARP on the basis of the justified model. The case of the 7.7kg model with ship 20g ARP of a mass ratio of 0.26%, is the most effective for reducing roll motion. The paper shows the ARPs with various mass ratios are effective for reducing the roll motion of a ship by free decaying roll experiments.
The rolling motion of a floating body makes crews and passengers exhausted and/or applies forces to the structure to cause damage; it might even upset the body. Therefore, almost all ships are equipped with bilge keels for anti-rolling; in special cases, an anti-rolling tank(ART) or fin stabilizer or gyroscope could be installed. But an ART requires a large capacity to install it, and a fin stabilizer and gyroscope need great costs to install and also many expenses to operate. The authors suggest the use of an anti-rolling pendulum(ARP), and they showed that the ARP is effective to reduce rolling by experiments and via a Runge-Kutta analysis. This paper introduces the linearized 2 degrees of freedom with a viscous damping system for a ship equipped with ARP; it also shows the validation of the linearized analysis for the ship's roll motion. The paper proposes an optimum ARP on the basis of the justified model. The case of the 7.7kg model with ship 20g ARP of a mass ratio of 0.26%, is the most effective for reducing roll motion. The paper shows the ARPs with various mass ratios are effective for reducing the roll motion of a ship by free decaying roll experiments.
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문제 정의
본 연구에서는 선박의 횡동요 고유진동수와 일치하는 고유진동수를 가지는 ARP를 선박에 설치함으로써 선박의 횡동요를 줄이고자 한다.
본 연구에서는 안티롤링 진자를 이용하여 선박의 횡동요를 저감시키는 방법을 제안하여서 다음의 결론을 얻었다.
여기에서는 실험 결과와 이론 해석 결과를 비교하여 정립한 이론식의 실용성을 보이고자 한다.
여기에서는 안티롤링 진자를 장착한 선박을 점성감쇠를 갖는 2자유도계로 해석하고 실험 결과와 비교하여 수학 모델의 유효성을 보이고, 실제 선박에의 적용에 대한 가능성을 보이고자 한다.
가설 설정
안티롤링 탱크의 질량체인 물은 물 자체로의 감쇠 성질을 가지고 있고, 더하여 물이 흐르는 통로의 크기에 따라서 감쇠의 정도가 달라지기 때문에 감쇠를 반드시 고려하여야 한다. 안티롤링 진자의 경우는 단순한 궤도 위를 움직이도록 하면 거의 감쇠가 없다. 감쇠를 추가하려면 궤도에 액체를 채워서 진자의 운동을 방해하거나 액체의 통로를 반대 쪽 궤도까지 폐회로를 만들어 흐름을 제어하여 감쇠의 정도를 조정할 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
1. 안티롤링 진자를 장치한 선박의 횡동요에 대한 점성감쇠 수학 모델을 제시하였고, 실험을 통하여 수학 모델의 정당성을 확인하였다.
단진자의 감쇠계수를 구하기 위하여 ARP의 15도 경사 위치에서 50g의 쇠구슬을 조용히 놓아서 감쇠 특성을 조사하였다. 십 수 차례의 실험 결과 6초 동안 약 8.
데이터처리
어떤 경우든 초기에 10도 경사시킨 후 조용히 모형선을 놓아서 자유 횡동요를 관찰하였다. 계측은 MPU6050 6축 자이로 센서를 Arduino nano에 연결하고, Arduino nano를 USB 로 노트북에 연결하였고, 노트북에서는 PLX-DAQ라는 오픈 Excel 응용 프로그램을 이용하여 데이터를 눈으로 직접 확인하면서 실시하였다.
성능/효과
2. 수학 모델의 정당성을 확인하였으므로 수학 모델을 이용 하여 파랑 강제력 해석을 수행하였고, 선체 질량의 0.26%인 20g의 ARP가 최적의 ARP임을 알 수 있었다.
3. ARP의 감쇠효과를 확인하기 위하여 ARS를 장착하지 않은 경우, 50cc의 ART, 32g의 ARP, 40g의 ARP, 50g의 ARP 를 장착한 경우에 대하여 자유 횡동요 실험을 하여서 각각 감쇠비가 1.45배, 1.47배, 1.61배, 1.65배 증가함을 알 수 있었다. 또 32g의 ARP가 50cc의 ART와 동등 이상의 성능을 보여 주는 것을 알 수 있었다.
후속연구
논문에서 적용한 0.42~0.65%의 ARP의 중량도 큰 선박에 적용하기에는 큰 중량이기 때문에 대형선에 대하여서는 추가적인 연구가 필요할 것으로 보인다. 그러나 낚싯배 등 소형선 박이나 소형 여객선에는 비교적 쉽게 적용할 수 있을 것으로 사료된다.
또 최적의 ARP도출법에 대한 해석법과 실험에 의한 확인을 통하여 실선에 적용할 수 있는 연구와 ARP를 설치하는데 따르는 선체의 구조적인 문제에 대한 연구가 계속되어야 할 것으로 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
선박의 횡동요를 저감시키는 방법은 ?
저자들은 안티롤링 진자를 구조물의 본체에 부가하여 제어기 없이 안티롤링 진자의 운동만으로 선박의 횡동요를 감소 시키는 장치에 대하여 시스템의 운동방정식을 유도하여 적용 하고 실험 결과와 비교 검토한 바 있다(Park et al., 2016).
부유체의 횡동요의 영향은 ?
부유체의 횡동요는 승조원의 피로를 누적시키고, 심지어 구조물 전체를 전복시키기까지 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 ?
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. 저자들은 안티롤링진자를 이용한 부유체의 롤링저감에 대한 연구를 하여 실험과 Runge-Kutta 해석에 의하여 그 유효성을 보인 바 있다.
참고문헌 (11)
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