KR101334636B1 - 선박 설계용 분석 데이터 제공 장치 - Google Patents

선박 설계용 분석 데이터 제공 장치 Download PDF

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김수형
박종우
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Abstract

선박 설계용 분석 데이터 제공 장치가 개시된다. 선박 설계용 분석 데이터 제공 장치는, 선종 및 Cp 값을 포함하는 설계 정보를 이용하여 선수부 및 선미부를 무차원화하고, 선수부 형상을 미러링하여 한 주기의 곡선을 생성하는 정보 가공부; 상기 한 주기의 곡선에 상응하는 n차 근사화된 푸리에 급수를 결정하는 푸리에 변환부; 및 상기 푸리에 급수를 1차 미분하여 선박의 각 포인트별 기울기 정보인 1차 도함수와 상기 1차 도함수를 재차 미분하여 배의 항해시 파도 형상 정보인 2차 도함수를 각각 산출하는 미분 수행부를 포함한다.

Description

선박 설계용 분석 데이터 제공 장치{Device for providing analyzing data for ship design}
본 발명은 선박 설계용 분석 데이터 제공 장치에 관한 것이다.
현대 사회에서 선박은 여행, 화물 운송, 국가 방위 등 여러 가지 용도로 사용되고 있다.
선박은 그 선종 별로 다른 특성을 가지도록 설계되고 있다. 즉, 컨테이너선이나 자동차 운반선, 여객 페리(RoRo Ferry) 등은 비교적 운항 속도비가 높은 특성을 가지고 있고, 최근 고부가 선박으로 각광을 받고 있는 액화가스 운반선 등은 그보다 약간 떨어지는 운항 속도비를 가지고 있다. 이에 비해, 유조선, 선적 화물선 등은 신속한 화물 운송에 의한 경제적 이득이 별로 없어 운항 속도비가 낮고, 선속이 높지 않은 저속비대선의 형상을 가진다.
이러한 선종에 따른 고유의 운항 특성은 선형 설계 및 개발 시 선박의 저항 성능, 추진 성능 최적화를 위한 가장 핵심적인 고려사항이 된다. 즉, 선박의 운항 속도비에 따라 주 저항성분들의 영역이 변화하며, 이때 선형은 변화하는 주 저항성분들을 최적화하는 형태로 설계되어야 한다.
운항 속도비가 작은 선박은 파도의 생성이 거의 없으므로, 마찰저항, 점성저항이 최소가 되는 형상을 가지도록 설계되나, 운항 속도비가 크면 선수부(Entrance)에서 발생되는 조파저항이 급격히 상승하므로 가능한 한 배수량의 분포를 선미쪽으로 이동시켜 선수부(Run)가 날씬해지도록 설계된다.
일반적으로 선형의 배수량 분포는, 선형의 수선면 하부 횡단면적값을 무차원화하여 횡축에는 길이를, 종축에는 면적값을 나타내고 이를 이은 곡선인 Cp(Prismatic Coefficient, 주형계수) 곡선으로 표현된다. 이를 통해, 선수부(Entrance, 도입부)와 선미부(Run, 결속부)의 길이, 배의 길이를 선폭으로 무차원화한 후 20 등분한 형태로 표시하여, 선수부 및 선미부가 선수 도는 선미 수선과 얼마나 큰 각도를 이루고 있는지 알 수 있어 각종 저항 성분과의 연계가 용이해진다.
포텐셜 이론으로부터 Cp곡선의 2차 도함수(derivative) 곡선이 선측파형(Wave profile)에 대응되는 것으로 알려져 있으며, 2차 도함수 곡선 파형의 진폭이 크거나 복잡하면 이에 상당하는 조파 저항이 예상될 수 있다. 즉 시간과 비용이 많이 드는 전산유체역학(CFD)계산을 수행하기 전에 Cp 곡선 분석으로 종방향의 체적(volume) 분포를 최적화하면 설계 시간을 대폭 줄일 수 있는 장점이 있다.
이와 같이 2차 도함수 분석은 선형 설계에서의 필수 과정이라 할 수 있으며, 2차 도함수를 분석하는 과정은 먼저 1차 도함수를 구하고 이로부터 다시 2차 도함수를 구하기 때문에 단순 숫자 계산으로는 사실상 불가능하여 전산코드로 구현됨이 일반적이다.
그러나, 종래기술에 따른 Cp곡선 2차 도함수 분석법은 모든 점들을 스플라인(spline) 처리한 후 튀는 점을 필터링(filtering)하는 기법으로 구현되었다. 그러나 이러한 방법은 동일한 Cp곡선일지라도 곡선을 구성하는 점의 개수, 곡선의 순정도(fairness) 등에 따라 해석 결과의 차이가 발생하는 문제점이 있었다. 또한 분석 결과를 그래프로 도시하거나 편집함에 있어 불편함을 야기하는 문제점도 있었다.
본 발명은 푸리에 급수(Fourier Series) 전개를 이용하여 적절한 차수(order)의 삼각 급수로 근사시킨 후 이를 미분함으로써 필터링(filtering) 또는 곡선의 정형화(smoothing)하는 과정이 불필요한 선박 설계용 분석 데이터 제공 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 선수부(Entrance) 및 선미부(Run)만을 해석하고 중앙 평형부는 분석과정에서 배제하여 분석이 용이해질 수 있고, 스테이션(station) 및 x/B 축 좌표를 지원하는 상용 소프트웨어(예를 들어 Tecplot) 파일을 결과 파일로 생성함으로써 그래프를 쉽게 도시할 수 있도록 하는 선박 설계용 분석 데이터 제공 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 선박 설계용 분석 데이터 제공 장치에 있어서, 선종(ship_type) 및 Cp(주형 계수) 값을 포함하는 설계 정보를 이용하여 선수부(Entrance) 및 선미부(Run)를 무차원화하고, 선수부 형상을 미러링하여 한 주기의 곡선을 생성하는 정보 가공부; 상기 한 주기의 곡선에 상응하는 n(임의의 자연수)차 근사화된 푸리에 급수를 결정하는 푸리에 변환부; 및 상기 푸리에 급수를 1차 미분하여 선박의 각 포인트별 기울기 정보인 1차 도함수와 상기 1차 도함수를 재차 미분하여 배의 항해시 파도 형상 정보인 2차 도함수를 각각 산출하는 미분 수행부를 포함하는 선박 설계용 분석 데이터 제공 장치가 제공된다.
선박 설계용 분석 데이터 제공 장치는, 상기 Cp(주형 계수) 값, 상기 1차 도함수 및 상기 2차 도함수를 이용하여 선박 설계용 분석 결과에 상응하는 그래프를 생성하는 그래프 생성부를 더 포함할 수 있다.
미리 지정된 기준에 따른 선박 크기 정보에 의해 상기 선종이 상대적으로 비대선(肥大船)을 지정한 것인 경우 상기 n은 상대적으로 큰 값으로 지정될 수 있다. 예를 들어, 상기 선종이 탱커선(Tanker) 또는 벌커선(Bulker)인 경우 상기 n은 12로 지정되고, 상기 선종이 컨테이너선(Container) 또는 가스 운반선(LNGC)인 경우 상기 n은 6으로 지정될 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 푸리에 급수(Fourier Series) 전개를 이용하여 적절한 차수(order)의 삼각 급수로 근사시킨 후 이를 미분함으로써 필터링(filtering) 또는 곡선의 정형화(smoothing)하는 과정이 불필요한 효과가 있다.
또한 선수부(Entrance) 및 선미부(Run)만을 해석하고 중앙 평형부는 분석과정에서 배제하여 분석이 용이해질 수 있고, 스테이션(station) 및 x/B 축 좌표를 지원하는 상용 소프트웨어(예를 들어 Tecplot) 파일을 결과 파일로 생성함으로써 그래프를 쉽게 도시할 수 있도록 하는 효과도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 설계용 분석 데이터 제공 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 정보 가공부의 처리 과정을 개념적으로 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 설계용 분석 데이터 생성을 위한 설계 정보를 예시한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 설계용 분석 데이터의 구성을 예시한 도면.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 실시예들에 따른 선종별 선박 설계용 분석 데이터를 그래프로 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 설계용 분석 데이터 제공 방법을 나타낸 순서도.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 명세서에 기재된 "…부", "…유닛", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 설계용 분석 데이터 제공 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 정보 가공부의 처리 과정을 개념적으로 나타낸 도면이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 설계용 분석 데이터 생성을 위한 설계 정보를 예시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 설계용 분석 데이터의 구성을 예시한 도면이며, 도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 실시예들에 따른 선종별 선박 설계용 분석 데이터를 그래프로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 선박 설계용 분석 데이터 제공 장치(이하, 분석 데이터 제공 장치로 칭함)는 정보 가공부(120), 푸리에 변환부(130), 미분 수행부(140) 및 그래프 생성부(150)를 포함할 수 있다.
정보 가공부(120)는 입력된 설계 정보를 푸리에 변환부(130) 등의 구성 요소에서 처리할 수 있는 데이터로 변환한다.
설계 정보는 예를 들어 도 3에 도시된 바와 같이 프로젝트 제목(예를 들어, 4000TEU), 선종(예를 들어, C), 포인트 개수(예를 들어, 37), 수선간장(선수 수선(fore perpendicular)과 선미 수선(after perpendicular)간의 수평 거리이며, 예를 들어, 244.8000), 폭(예를 들어, 32.25), 흘수(수선(waterline)과 선체의 가장 깊은 부분까지의 수직 거리일 수 있으며, 예를 들어, 11.0), 각 스테이션(station)에 대한 단면적 및 Cp 값 등 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
즉, 정보 가공부(120)는 주어진 선형에 대해서 설계 흘수에 대응하는 Cp 곡선 등을 입력으로 한다.
정보 가공부(120)는 입력된 설계 정보를 예를 들어 하기 표 1과 같은 자료 구조로 변화시켜 여러 선형에 대한 동시 분석이 가능한 장점을 가진다.
구조체 구성 변수명 변수형식 설  명
Title 문자열 HullForm_A
Ship_type 단일문자 TK,CN,GS = T,C,G
Lpp float 길이
B float 선폭
T float 흘수
CP float CP value
S_aft 곡선구조체 선미곡선 (Run)
S_fwd 곡선구조체 선수곡선 (Entrance)
order_aft int Order of Fourier transform
order_fwd int Order of Fourier transform
A_aft[MAX_ORDER] array Fourier 계수
B_aft[MAX_ORDER] array Fourier 계수
A_fwd[MAX_ORDER] array Fourier 계수
B_fwd[MAX_ORDER] array Fourier 계수
위 표 1에서 곡선 구조체는 곡선을 구성하는 점과 끝단 각도를 포함할 수 있다.
또한 정보 가공부(120)는 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 선미부(Run)와 선수부(Entrance)의 길이(X 좌표)를 선폭(B)으로 무차원화시킨다. 이때, 선수부는 물이 흐르는 방향으로 좌표를 가지도록 하고, 선미부는 이와 반대 방향의 좌표를 가지도록 할 수 있다.
이어서, 정보 가공부(120)는 삼각 급수 변환이 용이하도록 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 선수부를 미러링(mirroring)하여 대칭값을 만들어 한 주기의 곡선으로 형성한다.
푸리에 변환부(130)는 정보 가공부(120)에 의해 선수부의 형상을 미러링하여 형성된 한 주기의 곡선을 대표적인 삼각급수의 한 종류인 푸리에 변환을 수행하여 각 차수(order)에 해당하는 계수값을 산출한다.
푸리에 변환을 수행하기 위한 적절한 차수는 선종 및 선박의 비대도에 따라 결정되며, 이를 예시하면 하기 표 2와 같다.
선종 약어 Order
Tanker/Bulker T 12th order로 근사
Container C 6th order로 근사
Gas Carrier (LNGC) G 6th order로 근사
기타 E 사용자 입력 order로 근사 가능
표 2에 예시된 바와 같이, 비대선(예를 들어, 탱커(tanker), 벌커(bulker) 등)에 대해서는 12차수로 근사화하여 계수값을 산출하고, 컨테이너(container)나 LNGC에 대해서는 6차수로 근사화하여 계수값을 산출한다.
미분 수행부(140)는 푸리에 변환부(130)에 의해 계수값이 산출된 푸리에 급수를 한번 미분하여 1차 도함수(derivative)를 산출하고, 재차 미분하여 2차 도함수를 산출한다.
미분 수행부(140)에 의해 산출된 1차 도함수는 선박의 각 포인트에서의 기울기를 확인(즉, 선박 형상의 확인)하기 위한 용도로 이용될 수 있고, 2차 도함수는 선박이 항해하는 경우 파도의 형상(wave profile)(즉, 저항의 크기)을 판단하기 위해 이용될 수 있다.
푸리에 급수는 이미 순정도(fairness)를 가지는 곡선을 나타내므로, 푸리에 급수를 여러 번 미분할지라도 여전히 순정도를 가지는 곡선으로 표현될 수 있다.
그래프 생성부(150)는 정보 가공부(120)에 입력된 하나 이상의 설계 정보(예를 들어, Cp 값 등)와 미분 수행부(140)에 의해 산출된 해석 정보(예를 들어, 1차 도함수 및 2차 도함수 등)를 포함하는 선박 설계용 분석 데이터를 이용하여 분석 데이터 제공 장치에 구비된 디스플레이부(도시되지 않음)를 통해 출력될 그래프를 생성한다.
선박 설계용 분석 데이터는 예를 들어 도 4에 도시된 바와 같이 스테이션(station) 및 x/B 축 좌표를 지원하는 상용 소프트웨어(예를 들어 Tecplot)에서 처리될 수 있는 데이터 형태를 가지며, 변수로서 x/B, 스테이션 번호(ST), Cp 값(Cp), 1차 도함수(Cp1) 및 2차 도함수(Cp2)를 포함하여 구성될 수 있다.
도 5a 내지 도 5c에는 설계 정보(110)에 의해 지정된 각 선종별로 생성된 선박 설계용 분석 데이터를 이용하여 도시된 그래프가 예시되어 있다.
참고로, 도 5a는 컨테이너선에 대해 선박 설계용 분석 데이터에 따른 그래프이고, 도 5b는 가스 운반선(Gas Carrier, LNGC) 에 대해 선박 설계용 분석 데이터에 따른 그래프이며, 도 5c는 탱커선에 대해 선박 설계용 분석 데이터에 따른 그래프이다.
도 5a 내지 도 5c를 참조할 때 각 선종별로 선수(각 그래프의 우측 하단의 CP 곡선 참조) 형상이 상이하고, 선박 형상을 나타내는 각 포인트의 기울기(각 그래프의 1차 도함수 곡선 참조)가 상이하며, 운항 속도비가 상이하므로 배의 항해시 파도 형상(각 그래프의 2차 도함수 곡선 참조)가 상이함을 알 수 있다.
작업자는 제시된 그래프를 참조하여 선박의 형상이나 파도의 형상이 부적합한 경우 설계 정보를 수정함으로써 적절한 선박의 형상을 설계할 수 있을 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 설계용 분석 데이터 제공 방법을 나타낸 순서도이다.
도 6을 참조하면, 분석 데이터 제공 장치는 단계 610에서 프로젝트 제목, 선종, 포인트 개수, 수선간장, 폭, 흘수, 각 스테이션(station)에 대한 단면적 및 Cp 값 등 중 하나 이상이 포함된 설계 정보를 입력받는다.
이어서, 분석 데이터 제공 장치는 단계 620에서 선미부(Run)와 선수부(Entrance)의 길이(X 좌표)를 선폭(B)으로 무차원화한 후, 단계 630에서 삼각 급수 변환이 용이해지도록 선수부를 미러링(mirroring)하여 한 주기의 곡선을 생성한다.
분석 데이터 제공 장치는 단계 640에서 선수부의 형상을 미러링하여 형성된 한 주기의 곡선을 대표적인 삼각급수의 한 종류인 푸리에 변환을 수행하여 n차수(order)에 해당하는 계수값을 산출한다.
푸리에 변환을 수행하기 위한 적절한 차수는 선종 및 선박의 비대도에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 비대선(예를 들어, 탱커(tanker), 벌커(bulker) 등)에 대해서는 12차수로 근사화하여 계수값을 산출할 수 있고, 컨테이너(container)나 LNGC에 대해서는 6차수로 근사화하여 계수값을 산출할 수 있다.
분석 데이터 제공 장치는 단계 650에서 계수값이 산출된 푸리에 급수를 미분하여 1차 도함수 및 2차 도함수를 각각 산출한다. 여기서, 1차 도함수는 선박의 각 포인트에서의 기울기를 확인(즉, 선박 형상의 확인)하기 위한 용도로 이용될 수 있고, 2차 도함수는 선박이 항해하는 경우 파도의 형상(wave profile)(즉, 저항의 크기)을 판단하기 위해 이용될 수 있다.
분석 데이터 제공 장치는 단계 660에서 하나 이상의 설계 정보(예를 들어, Cp 값 등)와 단계 650에 의한 해석 정보(예를 들어, 1차 도함수 및 2차 도함수 등)를 포함하는 선박 설계용 분석 데이터(즉, 해석 결과)를 이용하여 분석 데이터 제공 장치에 구비된 디스플레이부를 통해 출력될 그래프를 생성하여 출력한다.
상술한 선박 설계용 분석 데이터 제공 방법은 디지털 처리 장치에 내장되거나 설치된 프로그램 등에 의해 시계열적 순서에 따른 자동화된 절차로 수행될 수도 있음은 당연하다. 상기 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 또한, 상기 프로그램은 디지털 처리 장치가 읽을 수 있는 정보저장매체(computer readable media)에 저장되고, 디지털 처리 장치에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써 상기 방법을 구현한다. 상기 정보저장매체는 자기 기록매체, 광 기록매체 및 캐리어 웨이브 매체를 포함한다.
상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
120 : 정보 가공부 130 : 푸리에 변환부
140 : 미분 수행부 150 : 그래프 생성부

Claims (4)

  1. 선박 설계용 분석 데이터 제공 장치에 있어서,
    선종(ship_type) 및 Cp(주형 계수) 값을 포함하는 설계 정보를 이용하여 선수부(Entrance) 및 선미부(Run)를 무차원화하고, 선수부 형상을 미러링하여 한 주기의 곡선을 생성하는 정보 가공부;
    상기 한 주기의 곡선에 상응하는 n(임의의 자연수)차 근사화된 푸리에 급수를 결정하는 푸리에 변환부; 및
    상기 푸리에 급수를 1차 미분하여 선박의 각 포인트별 기울기 정보인 1차 도함수와 상기 1차 도함수를 재차 미분하여 배의 항해시 파도 형상 정보인 2차 도함수를 각각 산출하는 미분 수행부를 포함하는 선박 설계용 분석 데이터 제공 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 Cp(주형 계수) 값, 상기 1차 도함수 및 상기 2차 도함수를 이용하여 선박 설계용 분석 결과에 상응하는 그래프를 생성하는 그래프 생성부를 더 포함하는 선박 설계용 분석 데이터 제공 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    미리 지정된 기준에 따른 선박 크기 정보에 의해 상기 선종이 상대적으로 비대선(肥大船)을 지정한 것인 경우 상기 n은 상대적으로 큰 값으로 지정되는 선박 설계용 분석 데이터 제공 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 선종이 탱커선(Tanker) 또는 벌커선(Bulker)인 경우 상기 n은 12이고, 상기 선종이 컨테이너선(Container) 또는 가스 운반선(LNGC)인 경우 상기 n은 6인 선박 설계용 분석 데이터 제공 장치.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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