KR101810475B1 - 고속선의 조종 운동 유체력 미계수 획득을 위한 선수각 강제 동요 장치 및 시험 기법 - Google Patents

Abstract

본원발명에 따르면, 직선 또는 왕복 운동을 가하도록 이루어지는 동력부; 상기 동력부로부터 상기 직선 또는 왕복 운동을 전달받는 동력 전달부; 상기 동력 전달부로부터 상기 직선 또는 왕복 운동을 전달받고, 선박이 상기 선박의 폭 방향으로 동요되는 힘을 계측하는 좌우 동요 힘 계측부; 상기 선박에 연결되고, 상기 좌우 동요 힘 계측부로부터 상기 직선 또는 왕복 운동을 전달받아 상기 선박으로 전달하는 선수 연결부; 상기 선박의 선미에 연결되고, 상기 선박의 폭 방향 일축을 중심으로 상기 선박으로부터 회전 가능한 회전부를 구비하는 선미 연결부; 및 상기 선미 연결부에 연결되어, 상기 선박의 높이 방향 운동, 길이 방향 동요 힘, 폭 방향 힘 및 선수동요 모멘트 중 적어도 하나를 측정하는 계측부를 포함하는 선박의 조종 운동 시험 장치가 제공될 수 있다.

Description

고속선의 조종 운동 유체력 미계수 획득을 위한 선수각 강제 동요 장치 및 시험 기법{DEVICE AND TEST METHOD TO OBTAIN MANEUVERING HYDRODYNAMIC DERIVATIVES FOR HIGH SPEED VESSEL}

본원발명은 고속선의 조종 운동 유체력 미계수 획득을 위한 선수각 강제 동요 장치 및 시험 기법에 관한 것이다.

본원발명은 조선해양공학 기술 중 고속선의 조종 성능 추정 및 평가를 위한 모형 시험 장치 및 모형 시험 기법 그리고 결과 해석 기술에 관한 것이다.

선박의 유체성능 중의 하나인 조종 성능은 직진성능 및 선회성능 등을 통칭하며 선박이 미리 설정해 놓은 궤적을 추종하거나 목표하는 지점까지 도착할 수 있는 능력과 직결된다. 특히나 악천후의 기상상태를 회피하기 위한 기동을 하거나 장애물이 많은 연안에서의 안정적인 항해를 위해서는 선박의 조종 성능이 선박의 생존성과 직결되는 아주 중요한 문제가 된다. 이 때문에 국제해사기구 (International Maritime Organization, IMO) 에서는 2002년 선박의 조종 성능과 관련된 규약을 제정 (IMO, 2002a; IMO, 2002b) 하여 모든 선박이 일정 수준 이상의 조종 성능을 가지는 것을 의무화하고 있다. 선박의 조종 성능은 이전보다 훨씬 중요한 문제로 인식되었으며, 이에 따라 모형수조 관련 국제협회기구인 International Towing Tank Conference (ITTC) 에서는 실선의 정확한 조종 성능 추정을 위해 모형 시험 기법 및 실선 시운전 기법 (ITTC, 2002a; ITTC, 2002b; ITTC, 2002c) 등에 대한 내용들을 정리하여 관련된 각 연구들은 이러한 방법들을 따르도록 권장하고 있다.

정해진 시간 내에 안정적인 수송만을 주 목적으로 하는 상선과는 다르게, 함정은 특수한 군사목적의 임무를 수행해야 하므로 해상에서 다양하고 복잡한 기동을 원활하게 구현할 수 있는 고수준의 조종 성능이 요구된다. 게다가 함정은 상선과는 상이한 외형적인 형상 및 운용속도 때문에 그 유체역학적 특성이 상선과는 달라 기존의 상선에서 사용되던 이론 및 실험적 기법으로는 조종 성능 추정에 있어서 정확도가 떨어지게 된다. 특히 고속함정의 경우, 매우 빠른 항주속도로 인해 안정적인 항주자체가 어렵고, 저속함정에 비하여 훨씬 복잡한 기동이 요구되기 때문에 고속함정의 조종 성능에 대한 정확한 추정 및 해석은 주어진 임무의 성공 여부와 직결되므로 매우 중요하다.

일반적으로 선박의 조종 성능 추정은 선박의 조종 운동 수학 모델을 기반으로 하여, 운동방정식 내의 유체력 미계수들을 수치해석적 방법 혹은 모형 시험에 의한 방법을 통해 획득하여 수행하게 된다. 고속선은 일반 상선과 달리 매우 빠른 속도에서 운용되므로, 선박 주위의 유체역학적 특성이 저속비대선 주위의 유체역학적 특성과는 매우 다르고, 속도 및 선체 부가물 부착 조건 등에 따라 항주 자세가 다양하게 바뀌게 된다. 이 때문에 고속선의 조종 성능은 저속비대선에 적용해 왔던 기존의 방식으로는 추정이 어려우며, 고속선에 적용가능한 새로운 조종 운동 수학 모델 및 유체력 미계수 획득법에 대한 연구가 필요하다.

기존에 수행된 고속선에 대한 연구는 고속의 구현을 위한 선형개발 및 저항감소 등에 초점이 맞추어져 있었다. 특히 고속선은 정수 중 직진항주 자체에서도 불안정한 운동이 야기될 수 있으므로, 정수 중 항주 자세에 대한 연구가 주를 이루어 왔다. 이에 따라 고속에서의 선회 운동과 같은 고수준의 조종 성능에 대한 연구는 거의 수행되지 않아왔다. 하지만 해상 전투체계에서에서 고속함만이 수행할 수 있는 임무들에 대한 관심이 주목되면서 고속함의 조종 성능에 관한 연구에 대한 관심이 커지고 있다.

<참고문헌>

1. International Maritime Organization (IMO, 2002a): Resolution “Standards for Ship Maneuverability,”MSC.137(76) 4 December 2002.

2. International Maritime Organization (IMO, 2002b): “Explanatory Notes to the Standards for Ship Maneuverability,” MSC/Circ 1053, 16 December 2002.

3. International Towing Tank Conference (ITTC, 2002a) Recommended Procedures for Testing and Extrapolation Methods Manoeverability Captive Model Test Procedure 7.5-02 06-02.

4. International Towing Tank Conference (ITTC, 2002b) Recommended Procedures for Testing and Extrapolation Methods Manoeverability Validation of Manoevering Simulation Models 7.5-02 06-03.

5. International Towing Tank Conference (ITTC, 2002c) Recommended Procedures for Full Scale Measurements Manoeuvrability Full Scale Manoevering Trials Procedure 7.5-04 02-01.

본원발명의 목적은 모형 시험을 통해 획득한 유체력 미계수들을 통해 조종 운동 수학 모델을 정립하고, 이를 이용하여 고속선의 속도 및 항주 자세에 따른 직진 안정성 수준을 제공함에 있다.

보다 구체적으로, 본원발명의 일 목적은 고속선의 조종 운동 유체력 미계수 획득을 통해 직진 안정성 성능을 평가하는 것이다.

본원발명의 다른 일 목적은 실험을 통해 얻어낸 유체력 미계수들을 조종 운동 수학 모델에 적용하여 고속선형의 직진 안정성 성능 평가를 수행하는 것이다.

본원발명의 또 다른 일 목적은 실험을 통해 얻어낸 선형의 직진 안정성을 기반으로 선미에 부착되는 직진 안정성 향상을 위한 부가물 및 타 설계에 응용하는 것이다.

본원발명의 또 다른 일 목적은 조종 운동 수학 모형을 간단히 변환시켜, 선회 운동 및 지그재그 운동과 같은 복잡한 조종 운동 모드의 성능 추정을 수행하는 것이다.

이와 같은 본원발명의 해결 과제를 해결하기 위하여, 본원발명의 일 실시예에 따르면, 직선 또는 왕복 운동을 가하도록 이루어지는 동력부; 상기 동력부로부터 상기 직선 또는 왕복 운동을 전달받는 동력 전달부; 상기 동력 전달부로부터 상기 직선 또는 왕복 운동을 전달받고, 선박이 상기 선박의 폭 방향으로 동요되는 힘을 계측하는 좌우 동요 힘 계측부; 상기 선박에 연결되고, 상기 좌우 동요 힘 계측부로부터 상기 직선 또는 왕복 운동을 전달받아 상기 선박으로 전달하는 선수 연결부; 상기 선박의 선미에 연결되고, 상기 선박의 폭 방향 일축을 중심으로 상기 선박으로부터 회전 가능한 회전부를 구비하는 선미 연결부; 및 상기 선미 연결부에 연결되어, 상기 선박의 높이 방향 운동, 길이 방향 동요 힘, 폭 방향 힘 및 선수동요 모멘트 중 적어도 하나를 측정하는 계측부를 포함하는 선박의 조종 운동 시험 장치가 제공될 수 있다.

본원발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상기 동력 전달부는, 상기 선박의 높이 방향으로 연장되게 형성되고, 일단은 상기 회전 운동 변환부에 연결되어 직선 운동 또는 왕복 운동을 전달받으며, 타단에는 상기 선박의 길이 방향을 따라 형성된 중공을 구비하는 제1 상하 연결봉; 및 상기 선박의 길이 방향을 따라 연장되게 형성되고, 상기 선박의 길이 방향을 따라 자유 이동 가능하게, 일단은 상기 제1 상하 연결봉의 중공을 관통하여 구비되는 전후 연결봉을 포함하는 것을 특징으로 하는 선박의 조종 운동 시험 장치가 제공될 수 있다.

본원발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 동력부는, 회전 운동을 생성하는 모터; 및 상기 모터의 회전축에 연결되어, 상기 회전 운동을 직선 또는 왕복 운동으로 변환시키는 회전 운동 변환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박의 조종 운동 시험 장치가 제공될 수 있다.

본원발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 모터는, 서보 모터이고, 상기 회전 운동 변환부는, 기어 또는 캠 중 적어도 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 선박의 조종 운동 시험 장치가 제공될 수 있다.

본원발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 전후 연결봉의 타단은 상기 좌우 동요 힘 계측부에 연결되고, 상기 선수 연결부는, 상기 선박의 높이 방향으로 연장되게 형성되고, 일단은 상기 좌우 동요 힘 계측부에 연결되며, 타단은 상기 선박의 선수에 연결되는 제2 상하 연결봉으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 선박의 조종 운동 시험 장치가 제공될 수 있다.

본원발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 계측부는, 상기 선박의 높이 방향으로 연장되게 형성되고, 일단은 상기 회전부와 연결되며, 상기 선박의 높이 방향으로 운동하는 정도를 계측하는 상하 운동 계측부; 및 상기 상하 운동 계측부의 타단과 연결되어, 상기 선박의 길이 방향 동요 힘, 폭 방향 힘 및 선수동요 모멘트를 측정하는 3분력계를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박의 조종 운동 시험 장치가 제공될 수 있다.

본원발명에 따르면, 모형 시험을 통해 획득한 유체력 미계수들을 통해 조종 운동 수학 모델을 정립할 수 있고, 이를 이용하여 고속선의 속도 및 항주 자세에 따른 직진 안정성 수준을 제공할 수 있다.

보다 구체적으로, 본원발명에 따르면, 고속선의 조종 운동 유체력 미계수 획득을 통해 직진 안정성 성능을 평가할 수 있다.

본원발명에 따르면, 실험을 통해 얻어낸 유체력 미계수들을 조종 운동 수학 모델에 적용하여 고속선형의 직진 안정성 성능 평가를 수행할 수 있다.

본원발명에 따르면, 실험을 통해 얻어낸 선형의 직진 안정성을 기반으로 선미에 부착되는 직진 안정성 향상을 위한 부가물 및 타 설계에 응용할 수 있다.

본원발명에 따르면, 조종 운동 수학 모형을 간단히 변환시켜, 선회 운동 및 지그재그 운동과 같은 복잡한 조종 운동 모드의 성능 추정을 수행할 수 있다.

도 1은 본원발명의 일 실시예에 따른 고속선의 조종 운동 시험 장치의 사시도이다.
도 2는 본원발명의 일 실시예에 따른 고속선의 조종 운동 시험 장치의 회전 운동 변환부의 확대사시도이다.
도 3은 본원발명의 일 실시예에 따른 고속선의 조종 운동 시험 장치의 상하 운동 계측부의 확대사시도이다.
도 4는 본원발명의 일 실시예에 따른 고속선의 조종 운동 시험 장치의 선미 연결부 및 회전부의 확대사시도이다.
도 5는 본원발명의 일 실시예에 따른 고속선의 조종 운동 시험 장치에 실제로 고속정 모형을 설치하여 실험을 수행하는 모습을 도시한 사시도이다.
도 6은 본원발명의 일 실시예에 따른 고속선의 조종 운동 시험 장치를 이용하여 선수 동요 강제 운동 모형 시험을 수행할 때의 고속선의 움직임을 개략적으로 도시한 개략도이다.
도 7은 본원발명의 일 실시예에 따른 고속선의 조종 운동 시험 장치를 이용하여 고속선의 회전 반경 및 선수 동요각 값을 구하는 모습을 도시한 개략도이다.
도 8은 본원발명의 일 실시예에 따른 고속선의 조종 운동 시험 장치를 이용하여 좌우 동요 및 선수 동요 함수를 획득하는 해석 기법의 각 단계를 도시한 순서도이다.

이하, 본원발명의 선박의 조종 운동 시험 장치(100)에 대하여 본원 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음의 설명으로 갈음한다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성요소들 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 추가적인 구성요소 또는 단계들이 더 포함될 수 있는 것으로 해석되어야 한다.

본 명세서 및 특허청구범위에서 사용되는 용어나 단어는 통상적이거나 사전적 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되고, 본원발명의 기술적 사항에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

이하, 본원발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예에는 본원발명을 예시하는 것일 뿐 본원발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.

본원발명은 고속선의 조종 운동 유체력 미계수 획득을 위한 선수각 강제 동요 장치의 작동 메카니즘 및 실험 수행 방법, 그리고 모형 시험 결과의 해석 기법에 대한 내용이다.

본원발명의 선박의 조종 운동 시험 장치(100)는 원래 고속선을 모델링하기 위하여 개발되었으나 기타 다양한 선박들을 모델링하는 경우에도 적용할 수 있다.

따라서, 이하에서는 고속선을 포함한 일반 선박에 대한 모델링을 수행하는 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.

본원발명의 선박의 조종 운동 시험 장치(100)는 종래의 수평면 구속 모형 시험(PMM) 장비와 같이, 조종 운동 유체력 미계수를 획득하는 것을 그 목적으로 하고 있다.

하지만 고속선의 항주 중 자유로이 변하는 항주 자세를 표현하기 위해 트림각과 부상량을 구속하지 않도록, 본원발명의 선수 연결부(140)는 상하 방향(선박의 높이 방향) 및 전진 방향(선박의 길이 방향)으로는 구속이 되어 있지 않다.

때문에 운항조건에 따라 변하는 실제 항주 자세를 반영한 유체력 미계수를 획득할 수 있다. 즉, 고정된 항주 자세가 아닌 실제 항주 자세에서의 조종 운동 유체력 미계수 획득이 가능하다는 특징을 가지고 있다.

종래의 수평면 구속 모형 시험(PMM)은 사항 시험, 순수 좌우 동요 시험, 순수 선수 동요 시험, 좌우 동요 및 선수 동요 연성 시험 등의 4 종류로 이루어지게 된다.

상기 종래의 수평면 구속 모형 시험(PMM)을 구성하고 있는 4종류의 모형 시험들은 조종 운동 유체력 미계수들을 각각의 운동 모드에 따라 독립적으로 획득하기 위하여 따로 수행된다. 따라서, 모형 시험 결과를 해석하는 측면에서는 편리하다는 장점을 가지고 있지만, 이 때문에 수행해야 하는 모형 시험의 횟수가 매우 많다는 단점 역시 가지고 있다.

뿐만 아니라, 실제로 운동 모드를 완벽하게 독립시키기는 어렵기 때문에 운동 해석 측면에서 불가피한 가정들을 포함시키므로, 구현하고자 하는 구속 운동 모드에 제한이 따르게 된다.

이에 반하여, 본원발명의 선박의 조종 운동 시험 장치(100)는 좌우 동요와 선수 동요 운동을 분리하지 않고 한꺼번에 인가함으로써, 수행해야 하는 모형 시험의 횟수를 줄여서 짧은 시간 내에 유체력 미계수들을 동시에 획득할 수 있다는 장점을 가지고 있다.

본원발명의 선박의 조종 운동 시험 장치(100)의 운동 모드는 모형선의 무게중심을 고정하고, 선수 동요를 일으켜서 예인한다. 일반적으로 선박의 선수 동요를 만들어 내기 위해서는 무게중심에서의 한 축 또는 상기 무게중심을 기준하는 양 축에 강제 모멘트를 가하는 방법이 사용된다.

상기 강제 모멘트는 고속선을 예인하면서 받게 되는 유체력보다 커야 하는데, 선수 동요의 회전중심이 무게중심에 가깝게 되면 회전팔의 길이가 길어져 구속부위에 강한 힘이 작용할 수 있다.

상기 고속선은 저속선에 비해 매우 큰 힘과 모멘트가 걸리기 때문에, 구속부위에 가해지는 강한 힘은 모형선의 손상 및 기구학적 변형 등을 야기할 수 있다.

이외에도 예인 중에 생기는 큰 유체력을 버티기 위해 모형 시험 장치가 불필요하게 커지고 무거워지기 때문에 고속예인전차에 부착하여 시험하기에는 적절하지 않다.

본원발명의 시험장비는 선수 동요의 회전중심을 선수부에 최대한 가깝게 하여 구속부위에서 받는 힘을 최소화하여 안정적인 모형 시험이 가능하도록 한다는 특징이 있다.

종래의 고속선의 저항 및 항주 자세를 계측하는 장비는 모형선의 무게중심 근처에 구속점을 두고, 힘과 자세 등을 계측한다.

본원발명의 선박의 조종 운동 시험 장치(100)는 종래의 저항 및 항주 자세를 계측하는 장비 앞에 따로 부착하고, 모형선의 선수부에 구속되어 운용된다.

이는 종래의 장비와는 독립적으로 운용될 수 있다는 의미이므로, 자유롭게 호환이 가능하다는 특징이 있다.

본원발명의 선박의 조종 운동 시험 장치(100)는 선수 동요를 위해 따로 컨트롤 모드 및 프로그램이 제작되어 있다.

컨트롤 모드는 위치 제어와 속도 제어로 나뉜다.

상기 위치 제어는 일정한 각도로 고정하고 예인할 수 있는 제어 모드이며, 상기 속도 제어는 선수 동요가 일종의 진폭과 주파수를 가지고 진동 운동을 하기 위한 제어 모드이다.

이렇게 분리된 제어 모드로 인해 사용자가 자유롭게 선수각을 강제 동요시켜서, 유체력 미계수 획득을 위한 운동 모드를 설정할 수 있다.

이하에서는 도면을 참조하여 본원발명의 선박의 조종 운동 시험 장치(100)의 구성에 대하여 설명한다.

도 1은 본원발명의 일 실시예에 따른 고속선의 조종 운동 시험 장치(100)의 사시도이다.

본원발명의 일 실시예에 따르는 선박의 조종 운동 시험 장치(100)는 동력부(110), 동력 전달부(120), 좌우 동요 힘 계측부(130), 선수 연결부(140), 선미 연결부(150) 및 계측부(160)를 포함할 수 있다.

상기 동력부(110)는 직선 또는 왕복 운동을 가하도록 이루어질 수 있다.

상기 동력부(110)는 모터(111) 및 회전 운동 변환부(112)를 포함하도록 이루어질 수 있다.

상기 모터(111)는 회전 운동을 생성하도록 이루어질 수 있다. 상기 모터(111)는 주로 서보 모터를 이용할 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 종류의 동력원들이 활용될 수 있을 것이다.

상기 모터(111)는 실제 제어부에 속하는 서보 모터일 수 있다. 포텐셔미터가 바깥쪽에 연결되어 있어 모형선의 정확한 선수각 제어를 위해 모터의 회전 정도를 계측하도록 이루어질 수 있다. 또한, 상기 모터(111)의 속도 및 위치 제어를 할 수 있어서 다양한 진폭과 주파수로의 진동 운동이 구현이 가능하며, 일정한 선수각을 고정시킨 상태를 유지하여 모형 시험을 수행할 수도 있게 해준다.

도 2는 본원발명의 일 실시예에 따른 고속선의 조종 운동 시험 장치(100)의 회전 운동 변환부(112)의 확대사시도이다.

상기 회전 운동 변환부(112)는 상기 모터(111)의 회전축에 연결되어, 상기 회전 운동을 직선 또는 왕복 운동으로 변환시키도록 구성될 수 있다. 상기 회전 운동 변환부(112)는 기어 또는 캠 중 적어도 하나로 구성될 수 있지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 회전 운동을 직선 또는 왕복 운동으로 변환시켜 줄 수 있는 구조라면 어느 것이든 적용 가능할 것이다.

상기 동력 전달부(120)는 상기 동력부(110)로부터 상기 직선 또는 왕복 운동을 전달받도록 이루어질 수 있다. 상기 동력 전달부(120)는 이렇게 전달받은 직선 또는 왕복 운동을 후술할 상기 좌우 동요 힘 계측부(130)로 전달하도록 이루어질 수 있다.

상기 좌우 동요 힘 계측부(130)는 상기 동력 전달부(120)로부터 전달받은 상기 직선 또는 왕복 운동을 상기 선박으로 전달하도록 이루어질 수 있다. 상기 선박은 이러한 운동력을 전달받아 상기 선박의 폭 방향으로 동요되게 되고, 상기 좌우 동요 힘 계측부(130)는 이렇게 좌우로 동요되는 힘을 계측하도록 이루어질 수 있다.

이를 위해 상기 좌우 동요 힘 계측부(130)는 상기 선박의 상하 방향 또는 길이 방향으로는 상기 선박에 아무런 구속을 가하지 않으면서도 상기 선박의 좌우 폭 방향으로 동요되는 힘을 계측할 수 있도록 이루어질 수 있다.

상기 모터(111)에 의해 인가된 운동은 상기 선박이 큰 좌우 동요 힘을 받도록 해준다. 이때, 무게중심에 걸리는 힘은 선수부에 구속된 부분에 나뉘어져 걸리게 된다. 그러므로 실제 상기 선박에 걸리는 총 좌우 동요 힘은 선수부와 무게중심 이렇게 구속된 두 부분에 걸리는 힘을 모두 고려하여 주어야 한다. 이 때문에 상기 선수 연결부(140)에 상기 상기 좌우 동요 힘 계측부(130)를 부착하도록 설계하는 것이 바람직하다.

상기 선수 연결부(140)는 상기 선박에 연결되고, 상기 좌우 동요 힘 계측부(130)로부터 상기 직선 또는 왕복 운동을 전달받아 상기 선박으로 전달하는 기능을 수행한다.

상기 선수 연결부(140)는 상기 선박의 앞 부분(선수 부분)에 구속되는 구성요소로서 상기 모터(111)에서의 회전 운동이 상기 선박에 직접적으로 전달되는 부분이다.

상기 선수 연결부(140)는 상기 선박의 높이 방향으로 연장되게 형성되고, 일단은 상기 좌우 동요 힘 계측부(130)에 연결되며, 타단은 상기 선박의 선수 측에 연결되는 제2 상하 연결봉(141)을 구비할 수 있다.

상기 제2 상하 연결봉(141)은 상기 선박의 구속 모형 시험 중 종동 요각의 변화를 방해하지 않기 위해 자유롭게 움직일 수 있도록 연결된 부분이다. 이 부분은 큰 종동 요각에도 선수부에 부딪히지 않도록 충분히 큰 높이를 가져야 한다.

하지만 만약 모형선의 선수부에서 지나치게 높아지면 횡 동요 모멘트 암이 커지게 되므로 너무 큰 높이는 부적절하다.

일반적으로 고속선은 아무리 크더라도 트림각이 약 10˚ 이내의 값들을 가지므로 이 부분을 반영하여 약 10˚의 트림각까지는 전혀 방해받지 않고 운동할 수 있도록 설계하는 것이 바람직하다.

도 4는 본원발명의 일 실시예에 따른 고속선의 조종 운동 시험 장치(100)의 선미 연결부(150) 및 회전부(151)의 확대사시도이다.

상기 선미 연결부(150)는 상기 선박의 선미와 연결되고, 상기 선박의 폭 방향 일축을 중심으로 상기 선박으로부터 회전 가능한 회전부(151)를 구비하도록 이루어질 수 있다.

즉, 상기 회전부(151)를 통하여 상기 선박과 연결됨으로써 상기 선박의 선미 부분은 상기 선박의 폭 방향 일축을 중심으로 자유롭게 회전할 수 있게 된다. 이를 통해 상기 선박은 자유롭게 피치 운동을 할 수 있게 된다.

상기 회전부(151)는 상기 선박이 종동요 운동을 자유롭게 할 수 있도록 구성된 부분이다. 이를 위해 최대각이 약 350˚ 정도로 실제 운동 모사에는 문제가 없도록 설계하는 것이 바람직하다.

상기 계측부(160)는 상기 선미 연결부(150)에 연결되어, 상기 선박의 높이 방향 운동, 길이 방향 동요 힘, 폭 방향 힘 및 선수동요 모멘트 중 적어도 하나를 측정하도록 이루어질 수 있다.

상기 계측부(160)는 상하 운동 계측부(161) 및 3분력계(162)를 포함할 수 있다.

도 3은 본원발명의 일 실시예에 따른 고속선의 조종 운동 시험 장치(100)의 상하 운동 계측부(161)의 확대사시도이다.

상기 상하 운동 계측부(161)는 상기 선박의 높이 방향으로 연장되게 형성되고, 일단은 상기 회전부(151)와 연결되며, 상기 선박의 높이 방향으로 운동하는 정도를 계측하도록 이루어질 수 있다.

상기 상하 운동 계측부(161)는 상기 선박의 예인 중에 자유로운 상하 운동의 구현을 위해 안쪽 몸체와 바깥쪽 몸체를 구분하여 연결될 수 있다. 또한, 이 부분에도 따로 포텐셔미터가 부착되어 있어 상하 방향 운동을 계측할 수 있도록 구성될 수 있다.

상기 3분력계(162)는 상기 상하 운동 계측부(161)의 타단과 연결되어, 상기 선박의 길이 방향 동요 힘, 폭 방향 힘 및 선수동요 모멘트 등을 측정하도록 이루어질 수 있다.

다시 말해, 상기 3분력계(162)는 3가지 종류의 힘과 모멘트(전후 동요 힘, 좌우 동요 힘, 선수 동요 모멘트)를 계측하는 부분이다. 예인 전차의 한 쪽 끝이 외부 PC에 연결되어 계측 신호를 전달하고, 이를 실시간으로 보고 파일로 저장할 수 있도록 설계할 수 있다.

본원발명의 일 실시예에 따른 고속선의 조종 운동 시험 장치(100)의 상기 동력 전달부(120)는 제1 상하 연결봉(121) 및 전후 연결봉(122)을 포함할 수 있다.

상기 제1 상하 연결봉(121)은 상기 모터(111) 및 회전 기어 등이 포함된 상기 회전 운동 변환부(112)가 구비되는 상부에서의 운동을 정확하고 효율적으로 하부에 전달하기 위한 연결봉으로 이루어질 수 있다.

즉, 상부에서 내려온 상기 제1 상하 연결봉(121)은 두께에 비해 매우 길기 때문에 구조적 변형 등을 막기 위해 겉에서 두꺼운 몸체를 덧입혀 설계하는 것이 바람직 하다.

상기 모터(111)에 의한 회전은 실제 회전축 중심이 무게중심에 있지 않다. 하지만 실제 선박의 회전 운동은 무게중심을 그 회전축으로 하고 있다. 그러므로 상기 전후 연결봉(122)을 부착하여 선수부에서 회전하는 동안 그 회전암의 길이를 자유롭게 변경할 수 있도록 설계할 수 있다.

이렇게 되면 실제 회전축이 무게중심에 있지 않더라도 무게중심에서 선수부 구속 부분까지의 길이가 일정하게 되므로, 무게중심으로 기준으로 일정한 회전축을 가진 회전 운동을 구현할 수 있다.

도 5는 본원발명의 일 실시예에 따른 고속선의 조종 운동 시험 장치(100)에 실제로 고속정 모형을 설치하여 실험을 수행하고 있는 모습을 도시한 사시도이다.

일례이지만, 이 실험에서 무게중심에서 선수부 구속 부분까지의 거리는 824mm 이고, 서보 모터에 의한 회전 운동 중심으로부터 선수부 구속 부분까지의 거리는 325mm이다.

[모형 시험 수행기법]

종래의 조종 운동 모형 시험(PMM)은 크게 정적 시험(사항 시험)과 동적 시험 (순수 좌우 동요 시험, 순수 선수 동요 시험)으로 구분할 수 있다.

본원발명에서의 선수 동요 모형 시험은 종래의 동적 시험을 대체하는 모형 시험 기법이다. 본원발명에 따르면, 좌우 동요와 선수 동요 운동을 동시에 인가시키게 된다.

도 6은 본원발명의 일 실시예에 따른 고속선의 조종 운동 시험 장치(100)를 이용하여 선수 동요 강제 운동 모형 시험을 수행할 때의 고속선의 움직임을 개략적으로 도시한 개략도이다.

모형선은 도 6에 도시한 것과 같이 예인하게 되며, 선수 동요각을 순수 진동 운동시킬 경우 전후 동요, 좌우 동요, 선수 동요 속도 및 가속도끼리의 기하하적 관계가 미리 정의될 수 있다.

도 7은 본원발명의 일 실시예에 따른 고속선의 조종 운동 시험 장치(100)를 이용하여 고속선의 회전 반경 및 선수 동요각 값을 구하는 모습을 도시한 개략도이다.

도 7에 도시한 것과 같이, 모형선에는 무게중심(170)과 선수 연결부(140)에 실험 장치가 연결된다.

본원발명의 일 실시예에 따른 고속선의 조종 운동 시험 장비(100)에 의한 회전중심(180)으로부터 선수 연결부(140)까지의 길이가 실제 운동 회전반경이 되며, 기하하적 관계에 의해 모형선의 회전반경 및 회전 각도를 이용하여 실제 모형선의 선수 동요 각을 계산할 수 있다.

상기 수학식 1 내지 4를 정리하면 이하와 같다.

[모형 시험 결과 해석 기법]

모형 시험 결과로 얻게 되는 데이터는 선수 동요 각, 전후 동요 힘, 좌우 동요 힘 그리고 선수 동요 모멘트이다.

도 8은 본원발명의 일 실시예에 따른 고속선의 조종 운동 시험 장치를 이용하여 좌우 동요 및 선수 동요 함수를 획득하는 해석 기법의 각 단계를 도시한 순서도이다.

계측된 데이터들은 실제 유체력 미계수 획득을 위하여 도 8에 도시한 과정을 통해 함수화할 수 있다.

우선, 선수 동요 운동 시계열의 운동 주파수가 실제 모형선에 인가한 운동 주파수와 일치하는지 확인한다.

다음으로, 회귀 분석을 통해 선수 동요 함수를 획득한다.

그리고, 기하하적 관계를 통해 좌우 동요 및 선수 동요 속도를 계산한다.

다음으로, 계측된 힘과 모멘트에서 관성항에 해당하는 부분을 계산하여 제거하여 순수한 유체에 의한 힘과 모멘트를 추출한다.

그리고 선수 동요 각과 마찬가지로 좌우 동요 힘과 선수 동요 모멘트를 함수화한다.

진동하는 시계열의 진동 함수를 얻어내는 방법은 푸리에 변환을 이용하는 것이 일반적이다. 하지만 본원발명에서의 모형 시험은 고속 예인을 가정하고 있기 때문에 예인 과정에서 충분히 많은 주기를 가지는 진동 운동 시계열을 얻어낼 수 없다. 그리고 이미 인가하는 주파수를 확인한 상태에서 진동 함수로 함수화하는 것이므로, 사인 함수 회귀 분석을 사용하여 함수화하도록 한다.

사인 함수 회귀 분석은 주파수를 알고 있는 상태에서 시계열 전 구간 데이터를 이용하여 진동 함수의 진폭과 위상을 한꺼번에 구할 수 있는 방법이다. 다음과 같이 얻어진 데이터 시계열은 사인 함수로 가정한 후, 분리하여 일반적인 회귀 분석 방식을 이용한다.

함수화된 시계열 정보들을 이용하여 유체력 미계수를 획득하는 과정은 다음과 같다. 우선 유체력의 회귀 분석 함수를 위상차를 이용하여 사인 함수와 코사인 함수로 분리한다. 그리고 선형화하여 표현된 다항식형태의 유체력에 함수화된 선수 동요 각에 의해 계산된 변수들을 대입하여 정리한다. 이렇게 되면 진동 함수의 직교성에 의해 각 함수가 완벽하게 두 부분으로 분리되게 된다.

회귀 분석 함수로 표현된 유체력과 다항식형태의 유체력을 이용하여 정리하면, 운동 각과 유체력의 진폭과 위상을 이용하여 유체력 미계수들을 얻어낼 수 있다.

다음은 좌우 동요 유체력 미계수들을 얻어내는 수학적 관계식을 표현한 것이다.

상기 수학식 21은 좌우 동요 유체력의 회기 분석 함수이다.

상기 수학식 22는 좌우 동요 / 선수 동요 속도로 표현한 좌우 동요 유체력 형태를 나타낸 식이다.

상기 수학식 23 및 24는 유체력의 진폭/위상을 이용하여 유체력 미계수를 계산한 것이다.

이상의 설명은 본원발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본원발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본원발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다.

또한, 본원발명에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본원발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본원발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본원발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본원발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 본원발명의 선박의 조종 운동 시험 장치
110 : 동력부
111 : 모터
112 : 회전 운동 변환부
120 : 동력 전달부
121 : 제1 상하 연결봉
122 : 전후 연결봉
130 : 좌우 동요 힘 계측부
140 : 선수 연결부
141 : 제2 상하 연결봉
150 : 선미 연결부
151 : 회전부
160 : 계측부
161 : 상하 운동 계측부
162 : 3분력계
170 : 무게중심
180 : 회전중심
200 : 시험 장치 고정면

Claims (6)

1. 모터, 및 상기 모터의 회전축과 연결되어 상기 모터의 회전운동을 직선 또는 왕복 운동으로 변환하는 회전 운동 변환부를 구비하는 동력부;
   상기 회전 운동 변환부와 연결되는 제1 상하 연결봉과 상기 제1 상하 연결봉의 하단부와 연결되는 전후 연결봉을 구비하여, 상기 동력부로부터 상기 직선 또는 왕복 운동을 전달하는 동력 전달부;
   상기 전후 연결봉과 연결되어 상기 동력 전달부로부터 상기 직선 또는 왕복 운동을 전달받고, 선박이 상기 선박의 폭 방향으로 동요되는 힘을 계측하는 좌우 동요 힘 계측부;
   상기 선박에 연결되고, 상기 좌우 동요 힘 계측부로부터 전달되는 상기 직선 또는 왕복 운동을 전달받아 상기 선박으로 전달하는 선수 연결부;
   상기 선박의 선미에 연결되고, 상기 선박의 폭 방향 일축을 중심으로 상기 선박으로부터 회전 가능한 회전부를 구비하는 선미 연결부; 및
   상기 선미 연결부에 연결되어, 상기 선박의 높이 방향 운동, 길이 방향 동요 힘, 폭 방향 힘 및 선수동요 모멘트 중 적어도 하나를 측정하는 계측부를 포함하고,
   상기 전후 연결봉은, 양측이 상기 좌우 동요 힘 계측부의 원주면 양측을 각각 감싸고 상기 좌우 동요 힘 계측부의 상하 길이방향으로 개방되도록 “ㄷ”자 형태의 동력전달부재를 구비하여, 상기 동력전달부재의 양측을 통해 상기 좌우 동요 힘 계측부의 양측으로 상기 선박의 폭 방향 운동을 전달하는 선박의 조종 운동 시험 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 상하 연결봉은,
   상기 선박의 높이 방향으로 연장되게 형성되고, 일단은 상기 회전 운동 변환부에 연결되어 직선 운동 또는 왕복 운동을 전달받으며, 타단에는 상기 선박의 길이 방향을 따라 형성된 중공을 구비하고,
   상기 전후 연결봉은,
   상기 선박의 길이 방향을 따라 연장되게 형성되고, 상기 선박의 길이 방향을 따라 자유 이동 가능하게, 일단은 상기 제1 상하 연결봉의 중공을 관통하여 구비되는 것을 특징으로 하는 선박의 조종 운동 시험 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 동력부는,
   회전 운동을 생성하는 모터; 및
   상기 모터의 회전축에 연결되어, 상기 회전 운동을 직선 또는 왕복 운동으로 변환시키는 회전 운동 변환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박의 조종 운동 시험 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 모터는,
   서보 모터이고,
   상기 회전 운동 변환부는,
   기어 또는 캠 중 적어도 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 선박의 조종 운동 시험 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 전후 연결봉의 타단은 상기 좌우 동요 힘 계측부에 연결되고,
   상기 선수 연결부는,
   상기 선박의 높이 방향으로 연장되게 형성되고, 일단은 상기 좌우 동요 힘 계측부에 연결되며, 타단은 상기 선박의 선수에 연결되는 제2 상하 연결봉으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 선박의 조종 운동 시험 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 계측부는,
   상기 선박의 높이 방향으로 연장되게 형성되고, 일단은 상기 회전부와 연결되며, 상기 선박의 높이 방향으로 운동하는 정도를 계측하는 상하 운동 계측부; 및
   상기 상하 운동 계측부의 타단과 연결되어, 상기 선박의 길이 방향 동요 힘, 폭 방향 힘 및 선수동요 모멘트를 측정하는 3분력계를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박의 조종 운동 시험 장치.

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