KR102018991B1 - 수조시험용 모형선의 외력 계측을 위한 2점지지식 완전구속예인장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모형선을 두 개의 고정된 스트럿으로 고정시키되, 모형선과의 연결부에는 4자유도 힘 계측 센서를 적용함으로써, 모형선과 시험장비의 탄성 변형을 최소화함은 물론 센서 응력을 두 곳으로 분산하여 힘과 모멘트의 허용 용량을 최소화하는 수조시험용 모형선의 외력 계측을 위한 2점지지식 완전구속예인장치에 관한 것이다.

Description

수조시험용 모형선의 외력 계측을 위한 2점지지식 완전구속예인장치{FULLY CAPTIVE TOWING DEVICE WITH TWO STRUTS FOR MODEL SHIP TESTS IN A TOWING TANK}

본 발명은 수조시험용 모형선의 외력 계측을 위한 2점지지식 완전구속예인장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 예인시험수조 내에서 모형선의 정수 혹은 파 중 외력을 측정하기 위하여, 모형선을 두 개의 고정된 스트럿으로 고정시키되, 모형선과의 연결부에는 4자유도 힘 계측 센서를 적용함으로써, 모형선과 시험장비의 탄성 변형을 최소화함은 물론 센서 응력을 두 곳으로 분산하여 힘과 모멘트의 허용 용량을 최소화하는 수조시험용 모형선의 외력 계측을 위한 2점지지식 완전구속예인장치에 관한 것이다.

일반적으로, 선박의 정수 혹은 파도 중 유체력을 추정하기 위하여 일반적으로 수조 내 축소 모형시험을 수행하게 된다. 특히 파도 중에서 모형선에 작용하는 외력은 모형선 자체 동요에 의한 방사력(radiation force), 파압력(Froude-Krylov force) 및 파 반사에 의한 산란력(diffraction force)의 합으로 표현된다.

파에 의한 외력 성분들을 방사력과 분리 추출한다면 동역학적 접근이 더 용이하며, 수치 계산 상에서는 보통 대상선박의 완전 구속된 조건으로 파에 의한 외력을 별도 추정한다. 따라서, 모형시험에서도 이를 구현한다면 수치 계산 자료를 검증하는 등 추가적인 해석에 보다 유용할 것이다.

한편, 종래의 모형선 예인시험장치 관련 발명들은 모형선의 자세를 실제 선박과 가능한 유사하게 재현할 수 있도록 최대한 구속하지 않거나, 혹은 원하는 동요 운동을 강제로 부가하기 위한 기술이 대부분이다. 모형선을 예인수조 전차에 완전하게 구속하는 것은 단순하게 여겨질 수 있으나, 실제로 센서 용량 및 분해능, 장비 부재의 구조적 변형과 안정성 등 고려해야 할 요소가 많다.

따라서, 실제 수조시험에 활용되는 모형선은 대부분 3미터급 혹은 그 이상이고, 길이가 폭보다 훨씬 긴 세장체 형상이므로 파도 중 완전 구속 시 특히 선수동요, 종동요 방향의 모멘트를 견디고 모형선을 안전하게 지지할 수 있는 장치가 필요한 실정이다.

한국등록특허 제10-1722752호

본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 모형선을 두 개의 고정된 스트럿으로 고정시키되, 모형선과의 연결부에는 4자유도 힘 계측 센서를 적용함으로써, 모형선과 시험장비의 탄성 변형을 최소화함은 물론 센서 응력을 두 곳으로 분산하여 힘과 모멘트의 허용 용량을 최소화하는 수조시험용 모형선의 외력 계측을 위한 2점지지식 완전구속예인장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 수조시험용 모형선의 외력 계측을 위한 2점지지식 완전구속예인장치는 일정한 길이를 가지는 레일 프레임에 고정되는 레일 고정부, 상기 레일 고정부의 중심부에서 하측 방향을 향해 각각 돌출되도록 위치하는 스트럿부 및 상기 스트럿부 각각의 하측에 마련되며, 모형선과 연결되어 상기 모형선의 정수 운동 또는 파 운동에 따라 발생되는 상기 모형선의 외력을 측정하는 센서부를 포함하며, 상기 레일 고정부, 상기 스트럿부 및 상기 센서부는 하나로 모듈화 되어, 상기 레일 프레임의 길이 방향을 따라 적어도 2개 이상 설치될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 레일 고정부는 서로 수평한 레일 프레임의 상측에 설치되는 레일, 상기 레일의 상측에 안착되는 수평 지지판 및 상기 수평 지지판의 위치가 상기 레일 프레임 상에 고정되도록 하는 수평 지지판 고정부를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 수평 지지판 고정부는 상기 수평 지지판을 수직 방향으로 관통하도록 설치되며, 상기 수평 지지판을 기준으로 수직 방향으로 길이 조절이 가능하도록 마련되는 수직 고정봉 및 상기 수직 고정봉의 하측에 마련되며, 상기 레일 프레임의 하측면과 접하여 마찰력을 발생시킴에 따라 상기 수평 지지판이 상기 레일 프레임으로부터 움직이지 않고 위치가 고정되도록 하는 고정 플레이트를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 스트럿부는 상기 수평 지지판의 하측부를 향해 돌출되도록 위치하는 고정 스트럿, 상기 고정 스트럿의 내측에서 하측 방향으로 인입 및 인출되어 길이 조절이 가능하도록 마련되는 길이조절 스트럿 및 상기 길이조절 스트럿의 하측에 마련되는 하부 스트럿을 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 길이조절 스트럿은 상기 고정 스트럿과 나사결합을 통해 연결되며, 상기 길이조절 스트럿의 상측부에 마련된 회전 손잡이가 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하는 경우 상기 길이조절 스트럿이 따라 회전하면서 상기 고정 스트럿의 내측 방향으로 인입되거나 외측 방향으로 인출될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 고정 스트럿의 일측에는 상기 길이조절 스트럿의 인입 또는 인출 상태가 고정되도록 하는 고정수단이 마련될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 센서부는 상기 모형선의 전후방향(X), 좌우방향(Y), 상하방향(Z) 및 횡동요(roll, K)를 측정하는 4축 로드 셀 및 상기 4축 센서의 하측에 마련되며, 상기 모형선의 정수 운동 또는 파 운동에 따른 종동요(pitch, M) 및 선수동요(yaw, N)를 가이드하는 베어링을 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 센서부는 상기 모형선의 선수 및 선미에 각각 별도로 마련되며, 각 센서부를 통해 측정되는 측정값을 토대로, 상기 모형선의 6자유도에 해당하는 전후방향(X), 좌우방향(Y), 상하방향(Z), 횡동요(K), 종동요(M) 및 선수동요(N)를 산출할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 각 센서부에 각각 포함된 4축 로드 셀은 상기 모형선의 길이 방향을 기준으로 상기 모형선의 중심부로부터 동일한 거리만큼 서로 이격되도록 위치되며, 상기 모형선의 높이 방향을 기준으로 수면과 동일하도록 위치될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 모형선을 두 개의 고정된 스트럿으로 고정시키되, 모형선과의 연결부에는 4자유도 힘 계측 센서를 적용함으로써, 모형선과 시험장비의 탄성 변형을 최소화함은 물론 센서 응력을 두 곳으로 분산하여 힘과 모멘트의 허용 용량을 최소화할 수 있는 이점을 가진다.

또한 본 발명의 일 측면에 따르면, 2점지지 방식으로 모형선의 완전구속 구현이 가능한 이점을 가진다.

또한 본 발명의 일 측면에 따르면, 모형선과의 연결부에 추가되는 베어링을 통해 모형선의 4자유도 힘 계측 센서들의 잔류 응력을 최소화할 수 있는 이점을 가진다.

또한 본 발명의 일 측면에 따르면, 4자유도 힘 계측 센서들의 힘 성분을 합하여 구속 모형선이 받는 6자유도 힘과 모멘트를 정확히 추출할 수 있는 이점을 가진다.

또한 본 발명의 일 측면에 따르면, 레일 프레임의 길이가 충분할 경우 모형선 사이즈가 증가하더라도 수평 지지판의 위치를 변경함으로써 활용이 가능한 이점을 가진다.

또한 본 발명의 일 측면에 따르면, 모형선의 크기가 소형일 경우에는 두 스트럿 중 하나만을 이용하여 1점지지 방식으로 예인시험을 수행할 수 있는 이점을 가진다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수조시험용 모형선의 외력 계측을 위한 2점지지식 완전구속예인장치(100)의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 센서부(130)를 보다 구체적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 수조시험용 모형선의 외력 계측을 위한 2점지지식 완전구속예인장치(100)가 적용된 모형선(1)의 6자유도를 힘 계측 과정을 도시한 도면이다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수조시험용 모형선의 외력 계측을 위한 2점지지식 완전구속예인장치(100)의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1을 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수조시험용 모형선의 외력 계측을 위한 2점지지식 완전구속예인장치(100)는 크게 레일 고정부(110), 스트럿부(120) 및 센서부(130)를 포함하여 구성될 수 있다.

먼저, 레일 고정부(110)는 서로 수평한 한 쌍의 레일 프레임(a, b)의 상측에서, 한 쌍의 레일 프레임(a, b)의 길이와 상응하는 방향으로 설치되는 레일(111, 112), 레일(111, 112)의 상측에 안착되는 수평 지지판(113), 및 수평 지지판(113)의 위치가 레일 프레임(a, b) 상에 고정되도록 하는 수평 지지판 고정부(114)를 포함하여 구성될 수 있다.

레일(111, 112)은 레일 프레임(a, b)과 상응한 길이 방향으로 레일 프레임(a, b)의 상측과 수평 지지판(113)의 하측 사이에 설치되며, 수평 지지판(113)은 레일(111, 112)의 상에 안착될 수 있다. 따라서, 수평 지지판(113)은 레일(111, 112)을 통해 레일 프레임(a, b) 상에서 자유로이 길이 방향으로 위치 이동될 수 있다.

한편, 수평 지지판 고정부(114)는 수평 지지판(113)을 수직 방향으로 관통하도록 설치되며, 수평 지지판(113)의 수직 방향으로 길이 조절이 가능하도록 마련되는 수직 고정봉(114a), 수직 고정봉(114a)의 하측에서 레일 프레임(a, b)의 하측면과 접하여 마찰력을 발생시킴에 따라 수평 지지판(113)이 레일 프레임(a, b)으로부터 움직이지 않고 현 위치가 고정되도록 하는 고정 플레이트(114b)를 포함할 수 있다.

여기에서, 고정 플레이트(114b)는 그 말단부가 레일 프레임(a, b)을 향해 돌출형성됨에 따라, 레일 프레임(a, b)의 하측면에 걸리면서 마찰면을 형성하게 된다.

이때 수직 고정봉(114a)의 상측, 즉 수평 지지판(113)의 상측으로 돌출된 영역에는 수직 고정봉(114a)의 길이가 고정되도록 하는 고정 너트가 마련되는데, 이를 통해 고정 플레이트(114b)와 레일 프레임(a, b) 간의 접합 상태가 유지되거나 해제될 수 있다.

수평 지지판(113)의 중심부에는 스트럿부(120)가 마련되는데, 이에 대해 살펴보면 다음과 같다.

스트럿부(120)는 수평 지지판(113)의 중심부에서 하측부를 향해 돌출되도록 위치하는 고정 스트럿(121), 고정 스트럿(121)의 내측에서 하측 방향으로 인입되거나 인출되어 길이 조절이 가능한 길이조절 스트럿(122) 및 길이조절 스트럿(122)의 하측에 마련되는 하부 스트럿(123)을 포함할 수 있다.

고정 스트럿(121)은 수평 지지판(113)의 중심부 하측면에 설치되며, 가운데가 중공된 원기둥 형태를 가질 수 있는데, 이때 내측면에는 나사선이 형성될 수 있다. 따라서, 내측에 위치한 길이조절 스트럿(122)의 외주면에 형성된 나사선과 맞물릴 수 있다. 이러한 점은 고정 스트럿(121)과 길이조절 스트럿(122)이 서로 나사결합됨을 의미하는데, 이를 통해 길이조절 스트럿(122)의 상측부에 마련된 회전 손잡이(122a)가 회전하면서 길이조절 스트럿(122)이 따라 회전함을 의미한다. 이를 통해, 길이조절 스트럿(122)은 고정 스트럿(121)의 내측에서 시계방향 또는 반시계방향으로 회전하면서 인출되거나 인입되어 길이 조절이 될 수 있다.

한편, 회전 손잡이(122a)는 사용자(작업자)에 파지가 용이한 형태로 형성되는 바, 상세한 설명은 생략하기로 한다.

한편, 고정 스트럿(121)의 일측에는 길이조절 스트럿(122)의 인입 또는 인출 상태가 현 상태에서 고정되도록 락(lock)시키는 고정수단(124)이 마련될 수 있다.

따라서, 고정수단(124)을 통해 길이조절 스트럿(122)이 견고히 고정되게 된다.

한편, 일 실시예에서 하부 스트럿(124)의 하측에는 센서부(130)가 마련되는데, 이를 도 2를 통해 살펴보면 다음과 같다.

도 2는 도 1에 도시된 센서부(130)를 보다 구체적으로 도시한 도면이다.

도 2를 살펴보면, 센서부(130)는 스트럿부(120)의 하측에 마련되며, 모형선과 연결됨으로써 모형선의 정수 운동 또는 파 운동에 따라 발생되는 모형선의 외력(보다 구체적으론, 6자유도 힘)을 계측하는 역할을 한다.

보다 구체적으로, 센서부(130)는 모형선의 전후방향(X), 좌우방향(Y), 상하방향(Z) 및 횡동요(roll K)를 측정하는 4축 로드 셀(131)과, 4축 로드 셀(131)의 하측에 마련되며 모형선의 정수 또는 파 운동에 따른 종동요(pitch, M) 및 선수동요(yaw, N)를 가이드 하는 베어링(132)을 포함할 수 있다.

보다 구체적으로, 센서부(130)는 모형선의 선수 및 선미에 각각 별도로 마련될 수 있는데, 이를 통해 각 센서부(130)를 통해 측정되는 측정값을 토대로 모형선의 6자유도에 대한 전후방향(X), 좌우방향(Y), 상하방향(Z), 횡동요(K) 및 선수동요(N)를 산출하게 되는데, 이는 도 3을 통해 보다 구체적을 살펴보기로 한다.

각 센서부(130)에 포함된 각각의 4축 로드 셀(131)은 모형선의 길이 방향을 기준으로 모형선의 중심부로부터 동일한 거리만큼 이격되어 위치되며, 모형선의 높이 방향을 기준으로는 수면과 동일한 수평선 상에 위치될 수 있다.

한편, 레일 고정부(110), 스트럿부(120) 및 센서부(130)는 하나로 모듈화 되어, 레일 프레임의 길이를 따라 적어도 2개 이상 설치될 수 있다.

도 3은 도 1에 도시된 수조시험용 모형선의 외력 계측을 위한 2점지지식 완전구속예인장치(100)가 적용된 모형선(1)의 6자유도를 힘 계측 과정을 도시한 도면이다.

도 3을 살펴보면, 본 발명에 따른 수조시험용 모형선의 외력 계측 위한 2점지지식 완전구속예인장치(100)는 먼저,

모형선의 길이 방향을 기준으로 모형선의 중심부로부터 동일한 거리만큼 서로 이격되도록 설치되며, 그 높이는 모형선의 높이 방향을 기준으로 수면과 동일한 위치로 위치될 수 있다.

예컨대, 모형선의 중심선을 기준으로 양측에는 수조시험용 모형선의 외력 계측을 위한 2점지지식 완전구속예인장치(100)의 센서부(130)가 각각 설치될 수 있다.

한편, 센서부(130)는 모형선의 선수 및 선미에 각각 설치된 센서부(130)로부터 측정되는 측정값의 합을 통해 모형선의 정확한 6자유도 힘을 계측할 수 있는데, 이는 다음과 같다.

센서부(130)는 모형선의 전후(X), 좌우(Y), 상하(Z), 횡동요(K)를 측정하는 4축 로드 셀(131) 및 베어링을 포함하는데, 베어링은 4축 로드 셀(131)의 하측에 마련되며, 모형선의 정수 운동 또는 파 운동에 따른 모형선의 종동요(pitch, M) 및 선수동요(yaw, N)를 가이드하는 역할을 할 수 있다.

예컨대, 센서부(130)는 각각의 4축 로드 셀(131)을 통해 측정된 전후(X)값인 X1과 X2의 값을 합산함으로써 모형선의 전후방향 힘(X)을 산출할 수 있다.

또한, 센서부(130)는 각각의 4축 로드 셀(131)을 통해 측정된 좌우(Y)값인 Y1과 Y2의 값을 합산함으로써, 모형선의 좌우방향 힘(Y)을 산출할 수 있다.

또한, 센서부(130)는 각각의 4축 로드 셀(131)을 통해 측정된 상하(Z)값인 Z1과 Z2의 값을 합산함으로써, 모형선의 상하방향 힘(Z)을 산출할 수 있다.

또한, 센서부(130)는 각각의 4축 로드 셀(131)을 통해 측정된 횡동요 모멘트(K)값인 K1과 K2의 값을 합산함으로써, 모형선의 횡동요 모멘트(K)을 산출할 수 있다.

또한, 센서부(130)는 각각의 4축 로드 셀(131)을 통해 측정된 종동요 모멘트(M)값인 -Z1*L1(모형선의 중심으로부터 4축 로드 셀까지의 거리)과 Z2*L2(모형선의 중심으로부터 4축 로드 셀까지의 거리)의 값을 합산함으로써, 모형선의 종동요 모멘트(M)를 산출할 수 있다.

또한, 센서부(130)는 각각의 4축 로드 셀(131)을 통해 측정된 선수동요 모멘트(N)값인 Y1*L1(모형선의 중심으로부터 4축 로드 셀까지의 거리)과 Y2*L2(모형선의 중심으로부터 4축 로드 셀까지의 거리)의 값을 빼줌으로써, 모형선의 선수동요 모멘트(N)를 산출할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 수조시험용 모형선의 외력 계측을 위한 2점지지식 완전구속예인장치
110: 레일 고정부
111, 112: 레일
113: 수평 지지판
114: 수평 지지판 고정부
114a: 수직 고정봉
114b: 고정 플레이트
120: 스트럿부
121: 고정 스트럿
122: 길이조절 스트럿
122a: 회전 손잡이
123: 하부 스트럿
124: 고정수단
130: 센서부
131: 4축 로드 셀
132: 베어링

Claims (9)

1. 일정한 길이를 가지는 레일 프레임에 고정되는 레일 고정부;
   상기 레일 고정부의 중심부에서 하측 방향을 향해 각각 돌출되도록 위치하는 스트럿부; 및
   상기 스트럿부의 하측에 마련되며, 모형선과 연결되어 상기 모형선의 정수 운동 또는 파 운동에 따라 발생되는 상기 모형선의 외력을 측정하는 센서부;를 포함하며,
   상기 레일 고정부, 상기 스트럿부 및 상기 센서부는 하나로 모듈화 되어, 상기 레일 프레임의 길이 방향을 따라 적어도 2개 이상 설치되며,
   상기 레일 고정부는,
   서로 수평한 레일 프레임의 상측에 설치되는 레일;
   상기 레일의 상측에 안착되는 수평 지지판; 및
   상기 수평 지지판의 위치가 상기 레일 프레임 상에 고정되도록 하는 수평 지지판 고정부;를 포함하며,
   상기 수평 지지판 고정부는,
   상기 수평 지지판을 수직 방향으로 관통하도록 설치되며, 상기 수평 지지판을 기준으로 수직 방향으로 길이 조절이 가능하도록 마련되는 수직 고정봉; 및
   상기 수직 고정봉의 하측에 마련되며, 상기 레일 프레임의 하측면과 접하여 마찰력을 발생시킴에 따라 상기 수평 지지판이 상기 레일 프레임으로부터 움직이지 않고 위치가 고정되도록 하는 고정 플레이트;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 수조시험용 모형선의 외력 계측을 위한 2점지지식 완전구속예인장치.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 스트럿부는,
   상기 수평 지지판의 하측부를 향해 돌출되도록 위치하는 고정 스트럿;
   상기 고정 스트럿의 내측에서 하측 방향으로 인입 및 인출되어 길이 조절이 가능하도록 마련되는 길이조절 스트럿; 및
   상기 길이조절 스트럿의 하측에 마련되는 하부 스트럿;을 포함하는 것을 특징으로 하는, 수조시험용 모형선의 외력 계측을 위한 2점지지식 완전구속예인장치.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 길이조절 스트럿은 상기 고정 스트럿과 나사결합을 통해 연결되며, 상기 길이조절 스트럿의 상측부에 마련된 회전 손잡이가 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하는 경우 상기 길이조절 스트럿이 따라 회전하면서 상기 고정 스트럿의 내측 방향으로 인입되거나 외측 방향으로 인출되는 것을 특징으로 하는, 수조시험용 모형선의 외력 계측을 위한 2점지지식 완전구속예인장치.
   
6. 제4항에 있어서,
   상기 고정 스트럿의 일측에는,
   상기 길이조절 스트럿의 인입 또는 인출 상태가 고정되도록 하는 고정수단;이 마련되는 것을 특징으로 하는, 수조시험용 모형선의 외력 계측을 위한 2점지지식 완전구속예인장치.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 센서부는,
   상기 모형선의 전후방향(X), 좌우방향(Y), 상하방향(Z) 및 횡동요(roll, K)를 측정하는 4축 로드 셀; 및
   상기 4축 로드 셀의 하측에 마련되며, 상기 모형선의 정수 운동 또는 파 운동에 따른 종동요(pitch, M) 및 선수동요(yaw, N)를 가이드하는 베어링;을 포함하는 것을 특징으로 하는, 수조시험용 모형선의 외력 계측을 위한 2점지지식 완전구속예인장치.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 센서부는,
   상기 모형선의 선수 및 선미에 각각 별도로 마련되며, 각 센서부를 통해 측정되는 측정값을 토대로, 상기 모형선의 6자유도에 해당하는 전후방향(X), 좌우방향(Y), 상하방향(Z), 횡동요(K), 종동요(M) 및 선수동요(N)를 산출하는 것을 특징으로 하는, 수조시험용 모형선의 외력 계측을 위한 2점지지식 완전구속예인장치.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 각 센서부에 각각 포함된 4축 로드 셀은,
   상기 모형선의 길이 방향을 기준으로 상기 모형선의 중심부로부터 동일한 거리만큼 서로 이격되도록 위치되며,
   상기 모형선의 높이 방향을 기준으로 수면과 동일하도록 위치되는 것을 특징으로 하는, 수조시험용 모형선의 외력 계측을 위한 2점지지식 완전구속예인장치.

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