KR102083440B1

KR102083440B1 - 강화플라스틱(frp) 선박 선체의 횡단면 단면특성치 계산방법

Info

Publication number: KR102083440B1
Application number: KR1020190109851A
Authority: KR
Inventors: 류성곤
Original assignee: 한국해양교통안전공단
Priority date: 2019-09-05
Filing date: 2019-09-05
Publication date: 2020-03-02

Abstract

본 발명은 강화플라스틱(FRP) 선박 선체의 횡단면 단면특성치 계산방법에 관한 것으로, 본 발명은 선체 횡단면 모델링을 통해 중립축, 관성모멘트, 단면계수를 간편하고 정확하게 계산하는 방법에 있어서, 선체 횡단면 모델링을 통해 부재 정보를 입력 받는 단계 및 상기 입력받은 정보를 기반으로 수평축에 대한 중립축, 관성모멘트, 갑판 및 선저위치에서의 단면계수를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 아울러, 상기 선체 횡단면 모델링은, 상기 선체 주요 부재의 기준점인 절점(Node)을 생성하고 저장하는 단계와, 상기 생성한 절점을 이용하여 선체 주요 부재인 판(Plate)의 위치를 지정 후, 판의 두께를 계산하고 저장하는 단계와, 상기 생성한 절점을 이용하여 상기 판(Plate)을 보강하는 보강재(Stiffener)의 위치를 지정한 후, 강화플라스틱(FRP) 성형용 심재의 재료, 보강재의 위치, 보강재의 방향, 강화플라스틱(FRP) 적층 두께를 계산하고 저장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

강화플라스틱(FRP) 선박 선체의 횡단면 단면특성치 계산방법{Calculation method for cross sectional properties of FRP vessel}

본 발명은 강화플라스틱(FRP) 선박의 선체 횡단면 단면특성치를 계산하기 위한 방법에 관한 것으로, 특히 본 발명은 스프레드시트 등 수동계산 방식이 아닌 선체 횡단면 모델링을 통해 중립축, 관성모멘트, 단면계수를 간편하고 정확하게 계산할 수 있는 계산 방법에 관한 것이다.

일반적으로 선체의 길이방향 굽힘 거동(종굽힘, Longitudinal hull girder bending)에 대한 선체구조의 저항 능력을 판단하기 위하여 관성모멘트(Moment of inertia) 및 단면계수(Section modulus)를 계산하고 정부기준 또는 선급규칙에서 요구하는 요구치와 비교하여 굽힘 거동에 대한 선체의 구조안전성을 평가한다.

여기서, 선박 선체의 구조안전성을 평가하기 위해서는 선체 횡단면의 정확한 형상에 근거한 단면특성치 계산이 필수적으로 선행되어야 한다.

또한, 설계도면 또는 현물을 확인하여 선체의 길이방향 굽힘 거동에 저항하는 구조부재를 선별하고 각 구조부재의 위치, 치수 및 형상 등을 정확하게 반영하여 단면특성치를 계산하는 것이 중요하다.

종래에는 설계도면 또는 현물을 확인하여 각 구조부재의 위치, 치수 및 형상등을 스프레드시트에 일일이 입력하고 수식 계산을 통해 단면특성치를 계산함으로서 인력, 시간 등이 과도하게 소요되며 입력값 및 수식 오류 등에 따른 계산결과의 신뢰성 저하 문제가 있었다.

따라서, 사용자가 선체 횡단면과 부재 형상 등을 직접 육안으로 확인하면서 비교적 적은 인력과 시간으로 단면특성치를 계산할 수 있는 방법이 필요한 실정이다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명은 기존의 스프레드시트 등을 이용한 수동계산 방식이 아닌 선체 횡단면 모델링을 통해 선박 형상을 정확하게 표현한 후, 각 구조부재의 위치, 치수 및 형상 등을 정확하게 반영하여 단면특성치를 계산할 수 있는 강화플라스틱(FRP) 선박 선체의 횡단면 단면특성치 계산방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 강화플라스틱(FRP) 선박 선체의 횡단면 단면특성치 계산방법에 관한 것으로, 본 발명은 선체 횡단면 모델링을 통해 중립축, 관성모멘트, 단면계수를 간편하고 정확하게 계산하는 방법에 있어서, 선체 횡단면 모델링을 통해 부재 정보를 입력 받는 단계 및 상기 입력받은 정보를 기반으로 수평축에 대한 중립축, 관성모멘트, 갑판 및 선저위치에서의 단면계수를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 선체 횡단면 모델링은, 상기 선체 주요 부재의 기준점인 절점(Node)을 생성하고 저장하는 단계와, 상기 생성한 절점을 이용하여 선체 주요 부재인 판(Plate)의 위치를 지정 후, 판의 두께를 계산하고 저장하는 단계와, 상기 생성한 절점을 이용하여 상기 판(Plate)을 보강하는 보강재(Stiffener)의 위치를 지정한 후, FRP 성형용 심재의 재료, 보강재의 위치, 보강재의 방향, FRP 적층 두께를 계산하고 저장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 수평축에 대한 중립축은 아래의 식 1로 산출되는 것을 특징으로 하며, 식 1 :

여기서 상기

은 각 부재의 도심(Centroid)과 기준선(Reference line)간 거리를 나타낸다.

또한, 상기 수평축에 대한 관성모멘트는 아래의 식 2로 산출되는 것을 특징으로 하며, 식 2 :

여기서 상기

은

, b는 각 부재의 폭(Breadth), h는 각 부재의 높이(Height), A는 각 부재의 단면적(Section area),

는 각 부재의 도심(Centroid)과 중립축(Neutral axis) 간 거리를 나타낸다.

또한, 상기 수평축에 대한 갑판 및 선저 위치에서의 단면계수는 아래의 식 3으로 산출하며, 최종 단면계수는 두 개의 값 중 작은 값을 취하는 것을 특징으로 한다.

식 3:

,

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 선체의 주요 치수와 특성치 정보를 입력하여 선체 횡단면을 정확한 형상으로 모델링 할 수 있으며, 이를 기반으로 단면특성치를 계산하여 계산의 정확도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 사용자가 선체 횡단면과 부재 형상 등을 직접 육안으로 확인할 수 있어 비교적 적은 인력과 시간으로 작업을 효율적으로 수행할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 강화플라스틱(FRP) 선박 선체의 횡단면 단면특성치 계산방법의 단계를 보여주기 위한 블록도.
도 2는 본 발명에 따른 횡단면 모델링 및 단면특성 계산 기본화면을 나타내는 예시도.
도 3은 본 발명에 따른 절점(Node)을 생성하기 위한 과정을 나타내는 예시도.
도 4는 본 발명에 따른 판(Plate)을 생성하기 위한 과정을 나타내는 예시도.
도 5는 본 발명에 따른 보강재(Stiffener)를 생성하기 위한 과정을 나타내는 예시도.
도 6은 본 발명에 따른 선체 횡단면의 모델링이 완료된 후 단면계수 계산 결과를 나타낸 예시도.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명을 설명함에 있어서, 정의되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의 내려진 것으로, 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 아니 될 것이다.

먼저, 도 1은 본 발명에 따른 강화플라스틱(FRP) 선박 선체의 횡단면 단면특성치 계산방법의 단계를 보여주기 위한 블록도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 강화플라스틱(FRP) 선박 선체의 횡단면 단면특성치 계산방법은 선체 횡단면 모델링을 통해 중립축, 관성모멘트, 단면계수를 간편하고 정확하게 계산하는 방법에 관한 것으로, 선체 횡단면 모델링을 통해 부재 정보를 입력 받는 단계(S100)와, 상기 입력받은 정보를 기반으로 수평축에 대한 중립축, 관성모멘트, 갑판 및 선저위치에서의 단면계수를 계산하는 단계(S200)를 포함한다.

선체 횡단면은 중심선을 기준으로 좌현만을 모델링하며 단면특성치 계산시 중심선을 기준으로 우현에도 동일한 구조가 존재한다고 가정하여 계산결과에 반영하도록 한다.

다음으로, 도 2 내지 도 5는 본 발명에 따른 횡단면 모델링 및 단면특성 계산과정을 나타내는 예시도이다.

도 2는, 본 발명에 따른 횡단면 모델링 및 단면특성 계산 기본화면을 나타내는 예시도로 화면에는 Toolbar와 절점, 판 또는 보강재를 선택하여 생성할 수 있는 Component select button, 계산 결과를 확인할 수 있는 Calculation result, 자재 세부사항을 확인할 수 있는 Component list, Y 및 Z좌표 안내선 등이 나타내져 있다.

도 3은 본 발명에 따른 절점(Node)을 생성하기 위한 과정을 나타내는 예시도로, 선체 주요 구조부재의 기준점인 절점을 생성하는 과정을 보인다.

먼저, 절점을 생성하기 위하여 도 2의 툴바(Toolbar)에 형성되어 있는 아이콘을 선택하여 좌표를 직접 입력하여 절점을 생성하거나 이미 생성된 두 개의 절점 사이에 사용자가 원하는 개수의 절점을 추가로 생성할 수 있다.

도 3에 도시된 [Add single node]는 새로운 단일 절점을 생성하는 과정을 보여주는데, 우선, 새로운 절점을 생성하는

아이콘을 실행하면 팝업 창으로 'Add node' 창이 뜨고(①Click, ②Pop-up), 이 팝업 창에 Y 및 Z좌표를 입력한 다음(③Enter Y&Z coord) 'Add node' 명령키를 실행시켜(④'Add node' button click) 절점을 생성할 수 있다.

그리고, [Add node(s) between nodes]는 이미 생성된 두 개의 절점 사이에 절점을 추가로 생성하는 과정을 일괄적으로 보여주는데, 보는 바와 같이

아이콘을 선택하면 팝업 창으로 'Add node(s) between nodes' 창이 뜨고(①Click, ②Pop-up) 상기 팝업 창이 열린 상태에서

아이콘을 실행시킨 후(③Click) 시작지점의 절점과 종료지점의 절점을 선택하면(④Click start node, ⑤Click end node) 상기 팝업 창에 각 절점의 좌표가 자동으로 입력이 되며 'No. of internal nodes' 칸에 추가하고자 하는 절점의 개수를 입력한 다음 'Add node' 명령키를 실행시키면(⑥Enter value, ⑦'Add node' button click) 상기 입력한 개수만큼의 절점이 시작지점의 절점과 종료지점의 절점 사이에 생성될 수 있다.

아울러, 화면에 출력된 절점의 정보를 수정하기 위해서는, 먼저

아이콘을 선택하여 'Node info'팝업 창을 실행 시킨 후(①Click, ②Pop-up), 수정하고자 하는 절점을 선택하고 상기 팝업 창의 Y 및 Z좌표값을 정정한 다음 'Update' 명령키를 실행하면(③Click node, ④Update info, ⑤Update button click) 해당 결과가 반영되는 것을 확인할 수 있다.

이러한 상기의 과정들을 통해 절점을 생성하면 화면상에 절점마크, 절점번호(Node ID), 좌표값이 출력되는 것을 확인할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 판(Plate)을 생성하기 위한 과정을 나타내는데, 선체 주요 구조부재인 판은 화면상에 하나의 선(Line)으로 표현된다. 상기 판을 생성하기 위해 먼저, 보는 바와 같이

아이콘을 선택하여 'Add plate' 팝업 창을 실행 시킨 후(①Click, ②Pop-up), 시작절점과 끝 절점을 선택하여 위치정보를 입력하고(③Click start node, ④Click end node) 'Thickness calc' 명령키를 실행시키면 적층재료인 Chopped strand mat 및 Roving cloth의 정보를 입력할 수 있는 팝업 창이 열리게 된다(⑤'Thickness calc' button click, ⑥Pop-up). 이 팝업 창에 단위면적당 중량, 유리함유물 등의 정보를 입력하여 두께를 계산하고 'Save/Exit' 명령키를 실행하면 해당 팝업 창이 닫히게 된다(⑦정보 입력 후 'Thickness calc' button click, ⑧'Save/Exit' button click). 이어서, 해당 판이 선체의 어느 부위에 위치하는지와 판의 두께가 어느 방향으로 향하는지 선택한 후 'Add plate' 명령키를 실행시키면(⑨Location 선택(Deck/Side/Bottom), ⑩'Add plate' button click) 화면상에 선, 판 번호(Plate ID), 두께가 출력되는 것을 확인할 수 있다.

아울러, 화면에 출력된 판의 정보를 수정하기 위해서는, 먼저

아이콘을 선택하여 'Plate info' 팝업 창을 실행 시킨 후(①Click, ②Pop-up), 수정하고자 하는 선(Line)의 중앙을 선택하면 시작 절점과 끝 절점의 정보가 자동으로 입력되고(③Click node), 상기 시작 절점 혹은 끝 절점을 변경하길 원한다면 변경하고자 하는 위치에 생성되어 있는 절점을 선택한 뒤 'Update' 명령키를 실행하면(④Update info, ⑤'Update' button click) 기존에 생성되어 있던 선(Line)이 상기 변경된 절점과 연결된 것을 화면에서 확인할 수 있다.

또한, 기존에 입력한 적층재료인 Chopped strand mat 및 Roving cloth의 정보를 수정하고자 할때는, 상기 'Plate info' 팝업 창의 하단에 위치해있는 Node/Plate/Stiffener 중에서 Plate를 선택하고 'Thickness calc' 명령키를 실행시키면 상기 판을 생성할때와 동일한 팝업 창이 열리게 되며, 해당 창에서 변경하고자 하는 정보를 수정한 후 상술한 내용과 동일하게 진행하면 변경된 정보가 화면에 반영되는 것을 확인할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 보강재(Stiffener)를 생성하기 위한 과정을 나타내는 예시도로, 상기 판을 지지하는 보강재는 성형용 심재를 적층재료인 Chopped strand mat와 Roving cloth를 ㄷ자 형태로 감싸(Hat형 구조) 적층하여 시공할 수 있으며, 상기 보강재는 화면상에 주황색의 사각형으로 표현된다.

상기 보강재를 생성하기 위해 먼저, 보는 바와 같이

아이콘을 선택하여(①Click) 'Add Stiffener'팝업 창을 실행 시킨 후(②Pop-up), 생성된 절점을 선택하여 위치정보를 입력하고 'Stiffener calc' 명령키를 실행시키면 성형용 심재의 폭, 높이 등의 정보를 입력할 수 있는 팝업 창이 열리게 된다(③Click node, ④'Stiffener calc' button click, ⑤Pop-up). 이 팝업 창에 해당 정보들을 입력하여 두께계산을 실행하면 성형용 심재의 폭, 높이 및 적층두께를 계산하고 정부기준에서 요구하는 최소요구두께와 비교/판정하여 이를 만족한다면 계산결과가 화면에 반영되고, 이어서 'Save/Exit' 명령키를 실행하면 해당 팝업 창이 닫히게 된다(⑥정보 입력 후 'Thickness calc' button click, ⑦'Save/Exit' button click). 그리고, 해당 보강재가 선체의 어느 부위에 위치하는지와 보강재가 어느 방향으로 향하는지 선택한 후 'Add Stiffener' 명령키를 실행시키면(⑧Location 선택(Deck/Side/Bottom), ⑨'Add Stiffener' button click) 화면상에 보강재 마크, 보강재 번호(Plate ID), 폭, 높이, 두께가 출력되는 것을 확인할 수 있다.

아울러, 화면에 출력된 보강재의 정보를 수정하기 위해서는, 먼저

아이콘을 선택하여(①Click) 'Stiffener info'팝업 창을 실행 시킨 후(②Pop-up), 수정하고자 하는 보강재가 위치한 절점 근처를 선택하면 절점의 정보가 자동으로 입력되고(③Click stiffener), 상기 보강재가 위치한 절점의 정보를 변경하고자 한다면 변경하고자 하는 위치에 생성되어 있는 절점을 선택한 뒤 'Update' 명령키를 실행하면(④Update info, ⑤'Update' button click) 기존에 생성되어 있던 보강재의 위치가 변경된 절점의 위치로 이동된 것을 화면에서 확인할 수 있다.

또한, 기존에 입력한 보강재의 정보를 수정하고자 할때는, 상기 'Stiffener info' 팝업 창의 하단에 위치해있는 Node/Plate/Stiffener 중에서 Stiffener를 선택하고 'Stiffener calc' 명령키를 실행시키면 상기 판을 생성할때와 동일한 팝업 창이 열리게 되며, 해당 창에서 변경하고자 하는 정보를 수정한 후 상술한 내용과 동일하게 진행하면 변경된 정보가 화면에 반영되는 것을 확인할 수 있다.

다음으로 도 6은 본 발명에 따른 선체 횡단면의 모델링이 완료된 후 단면계수 계산 결과를 나타낸 예시도이다.

상술한 상기 절점 생성단계와 판 생성단계 및 보강재 생성단계를 거쳐 선체 횡단면의 모델링이 완료되면 계산실행 버튼을 실행시켜 수평축에 대한 중립축, 관성모멘트, 갑판 및 선저 위치에서의 단면계수 계산 결과를 확인할 수 있으며 화면상에 수평 중립축의 위치와 값이 출력되는 것을 확인할 수 있다.

이 때, 상기 수평축에 대한 중립축은 아래의 식 1로 산출되는 것을 특징으로 하며, 식 1은 다음과 같다.

식 1 :

여기서 상기

또한, 상기 수평축에 대한 관성모멘트는 아래의 식 2로 산출되는 것을 특징으로 하며, 식 2는 다음과 같다.

식 2 :

여기서 상기

은

식 3:

,

본 발명은 선체 횡단면 모델링으로 정확한 형상과 정보입력을 구현하고 이를 기반으로 단면특성치를 계산하여 소요인력 및 시간을 절감하고 계산 정확도를 향상시키는데 기여할 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

선체 횡단면 모델링을 통해 중립축, 관성모멘트, 단면계수를 간편하고 정확하게 계산하는 방법에 있어서,
선체 횡단면 모델링을 통해 부재 정보를 입력 받는 단계; 및
상기 입력받은 정보를 기반으로 수평축에 대한 중립축, 관성모멘트, 갑판 및 선저위치에서의 단면계수를 계산하는 단계;를 포함하되,
상기 선체 횡단면 모델링은,
선체 주요 부재의 기준점인 절점(Node)을 생성하고 저장하는 단계;
상기 생성한 절점을 이용하여 선체 주요 부재인 판(Plate)의 위치를 지정 후, 판의 두께를 계산하고 저장하는 단계;
상기 생성한 절점을 이용하여 상기 판(Plate)을 보강하는 보강재(Stiffener)의 위치를 지정한 후, 강화플라스틱(FRP) 성형용 심재의 재료, 보강재의 위치, 보강재의 방향, 강화플라스틱(FRP) 적층 두께를 계산하고 저장하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 강화플라스틱(FRP) 선박 선체의 횡단면 단면특성치 계산방법.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 수평축에 대한 중립축(
)은 아래의 식 1로 산출되는 것을 특징으로 하는 강화플라스틱(FRP) 선박 선체의 횡단면 단면특성치 계산방법.
식 1 :

여기서, 상기
은 각 부재의 도심(Centroid)과 기준선(Reference line)간 거리를 나타냄.
제 1항에 있어서,
상기 수평축에 대한 관성모멘트(
)는 아래의 식 2로 산출되는 것을 특징으로 하는 강화플라스틱(FRP) 선박 선체의 횡단면 단면특성치 계산방법.
식 2 :

여기서, 상기
은
, b는 각 부재의 폭(Breadth), h는 각 부재의 높이(Height), A는 각 부재의 단면적(Section area),
는 각 부재의 도심(Centroid)과 중립축(Neutral axis) 간 거리를 나타냄.
제 1항에 있어서,
상기 수평축에 대한 갑판(
) 및 선저(
) 위치에서의 단면계수는 아래의 식 3으로 산출하며, 최종 단면계수는 두 개의 값 중 작은 값을 취하는 것을 특징으로 하는 강화플라스틱(FRP) 선박 선체의 횡단면 단면특성치 계산방법.
식 3:

,

여기서, 상기
는 수평축에 대한 중립축,
는 수평축에 대한 관성모멘트,
은
, b는 각 부재의 폭(Breadth), h는 각 부재의 높이(Height), A는 각 부재의 단면적(Section area),
는 각 부재의 도심(Centroid)과 중립축(Neutral axis) 간 거리를 나타냄.