KR102223923B1 - 모형선의 횡동요 및 선수동요 방향 관성모멘트 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 크레인을 통해 모형선을 안착 및 고정한 상태에서, 모형선의 횡동요 시 모형선을 고정하는 고정장치가 원형 레일 상에서 모형선의 횡동요에 따라 진자운동되도록 하고, 또한 모형선의 선수동요 시 수평 테이블 상에서 모형선의 선수동요에 따라 용수철이 부착된 수평 테이블의 수직 축이 선수동요되도록 함으로써, 모형선을 고정시킨 상태에서 중력 복원력을 통한 정확한 횡동요 방향 관성모멘트와 선수동요 방향 관성모멘트를 함께 계측할 수 있도록 하는 모형선의 횡동요 및 선수동요 방향 관성모멘트 측정 장치에 관한 것이다.

Description

모형선의 횡동요 및 선수동요 방향 관성모멘트 측정 장치{APPARATUS FOR MEASURING THE MOMENT OF INERTIA OF MODEL SHIP IN THE DIRECTION OF ROLL AND YAW MOTIONS}

본 발명은 모형선의 횡동요 및 선수동요 방향 관성모멘트 측정 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 크레인을 통해 모형선을 안착 및 고정한 상태에서, 모형선의 횡동요 시 모형선을 고정하는 고정장치가 원형 레일 상에서 모형선의 횡동요에 따라 진자운동되도록 하고, 또한 모형선의 선수동요 시 수평 테이블 상에서 모형선의 선수동요에 따라 용수철이 부착된 수평 테이블의 수직 축이 선수동요되도록 함으로써, 모형선을 고정시킨 상태에서 중력 복원력을 통한 정확한 횡동요 방향 관성모멘트와 선수동요 방향 관성모멘트를 함께 계측할 수 있도록 하는 모형선의 횡동요 및 선수동요 방향 관성모멘트 측정 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 설계된 선박의 유체성능을 알 수 있는 방법으로는 대표적으로 모형시험이 있다. 파랑 중에서의 선박의 성능을 평가하는 내항성 시험이나 모형선이 단독으로 추진하여 선회시험, 지그재그시험 등을 수행하는 자유항주시험의 경우 모형선이 가속을 하는 상황에서 실험이 수행되기 때문에 상사법칙에 따라 질량과 질량의 중심 및 관성모멘트를 상사시켜주어야 한다.

종래에는 모형선의 횡동요 또는 종동요 방향 관성모멘트의 계측을 위해서 도 1과 같은 진자 형태의 관성모멘트 측정 장치가 주로 사용되어 왔다. 이 장치는 진자운동을 하는 모형선의 주기와 관성모멘트와의 관계를 이용해 관성모멘트를 측정한다. 모형선이 장치 위에 있는 상태에서 각변위가 발생하면 중력에 기인하는 복원모멘트가 발생하는 원리를 이용한 것으로, 이와 같은 장치의 경우 따로 복원력을 주기 위한 장치가 불필요하여 구조물 제작이 쉽다는 장점이 있다.

하지만 모형선의 크기가 커지면 그에 따른 구조물의 크기가 증가하게 되며, 이는 전체 시스템의 질량에 비하여 장치가 차지하는 질량이 커지게 되는 문제점을 야기한다. 따라서 모형선의 관성모멘트가 상대적으로 장치에 묻히게 되고, 관성변화에 따른 주기 변화가 상대적으로 작아져서 계측된 관성모멘트의 불확실성이 커지게 된다는 문제점이 있다

모형선의 횡동요 관성모멘트의 경우, 선박이 가지는 세장체 형태의 기하학적인 특성으로 인해 종동요나 선수동요에 비해 그 값이 훨씬 작게 나타난다. 그렇기 때문에 장치의 질량이 클수록 모형선의 관성모멘트의 오차가 커지는 경향이 다른 방향 관성모멘트에 비해 크게 나타나며, 진자 운동을 통해 계측된 관성모멘트의 불확실성이 상대적으로 크다고 할 수 있다.

또한 진자형 장치의 치명적인 문제점 중에 하나는 모형선의 거치에 관한 것이다. 보통 실험에 사용되는 모형선의 경우 작게는 150kg에서부터 크게는 400kg이상의 무게가 나가게 되기 때문에 모형선을 사람의 힘으로 들기에는 어려움이 있으며, 크레인을 통해 장치에 거치하게 된다. 이 때 진자형 장치 상단부의 회전부(그림 1 참고)에 모형선이 걸리게 되어 모형선 거치에 번거로움을 동반한다. 이 회전부를 제거할 수도 있겠으나, 그렇게 되면 모형선 거치부가 양옆의 힌지로만 모든 하중을 견디게 되는 구조가 되어 구조적으로 취약할 수밖에 없게 된다. 그렇게 되면 이를 보완하기 위한 전체 시스템의 질량이 더욱 커지게 되는 결과를 야기하게 된다.

횡동요 방향 관성모멘트를 추정하기 위한 다른 방법은 횡요 감쇠시험(Free roll decay test)을 수행하는 것이다. 이 방법은 모형선을 수조에 띄운 후 모형선을 임의의 횡동요각으로 기울였다가 놓았을 때 발생하는 횡동요 운동의 주기를 이용해 관성모멘트를 추정하는 방법이다.

횡요 감쇠시험을 통해서 추정한 관성모멘트에는 유체에 의한 부가질량이 포함되어 있는데, 이 부가질량은 strip method와 같은 방법을 통해 직접 계산하거나 경험적으로 전체 관성모멘트에서 차지하는 비율을 고려하는 방식으로 처리할 수 있다. 발라스팅 탱크(Ballasting tank)와 같은 간이 수조가 있는 경우 별다른 장치 필요 없이 간단하게 횡동요 방향 관성모멘트를 추정할 수 있는 방법이기 때문에 근래에도 많이 활용되고 있다.

모형선의 선수동요 방향 관성모멘트를 계측하기 위해서는 주로 스프링과 같은 장치를 이용하여 인위적으로 선수동요 방향의 복원력을 주는 방식을 택하고 있다. 이와 같은 방식을 사용할 때에는 장치의 제작에 있어서 스프링에 의한 용수철복원력이 선수동요 방향 변위각에 대하여 선형적으로 증가 해야하고, 모형선의 선수동요 원점에서 용수철에 의한 초기 탄성력이 존재하지 않도록 하는 주의가 필요하다.

한국등록특허 제10-1045045호

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 크레인을 통해 모형선을 안착 및 고정한 상태에서, 모형선의 횡동요 시 모형선을 고정하는 고정장치가 원형 레일 상에서 모형선의 횡동요에 따라 진자운동되도록 함으로써, 모형선을 고정시킨 상태에서 중력 복원력을 통해 정확한 횡동요 방향 관성모멘트를 계측하는 모형선의 횡동요 및 선수동요 방향 관성모멘트 측정 장치를 제공하고자 한다.

또한 본 발명은 또한 모형선의 선수동요 시 수평 테이블 상에서 모형선의 선수동요에 따라 용수철이 부착된 수평 테이블의 수직 축이 선수동요되도록 함으로써, 모형선을 고정시킨 상태에서 중력 복원력을 통한 정확한 선수동요 방향 관성모멘트를 계측하는 모형선의 횡동요 및 선수동요 방향 관성모멘트 측정 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 모형선의 횡동요 및 선수동요 방향 관성모멘트 측정 장치는 바닥면에 안착 및 지지되는 지지부, 상기 지지부의 상측에 마련되는 변위각 계측기, 상기 변위각 계측기의 상측과 연결되며, 중심부에서 가장자리로 갈수록 높이가 증가하는 원형 레일부 및 모형선이 안착 및 고정되고, 하측에 마련된 하나 이상의 휠이 상기 원형 레일부의 상측에 안착된 상태에서 상기 원형 레일부를 따라 횡동요 방향으로 진자운동하는 고정부를 포함하며, 상기 모형선의 횡동요에 따라 상기 고정부가 상기 원형 레일부 상에서 횡동요되고, 상기 모형선의 선수동요에 따라 상기 고정부가 상기 변위각 계측기 상에서 선수동요됨에 따라, 상기 모형선의 횡동요 방향 관성모멘트 및 선수동요 방향 관성모멘트가 측정되는 것을 특징으로 할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 변위각 계측기는 포텐시오미터(potentiometer) 일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 원형 레일부는 상기 변위각 계측기의 상측과 연결되는 지지 프레임 및 상기 지지 프레임 상에 마련되며, 상기 고정부의 하측에 마련된 하나 이상의 휠이 접하여 횡동요 방향으로 진자운동되도록 곡면 형태를 가지는 원형 레일을 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 원형 레일부는 상기 지지 프레임과 상기 고정부의 하측에 마련된 하나 이상의 휠을 고정시킴으로써, 상기 고정부가 횡동요 방향으로 진자운동하지 않도록 위치를 고정하는 횡동요각 고정장치를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 고정부는 상기 모형선이 안착되는 안착면, 안착된 모형선의 측면을 고정하는 모형선 고정장치, 안착된 모형선의 중심부와 상기 안착면의 중심부의 원점을 맞추기 위하여, 상기 안착면을 수평이동시키는 모형선 수평위치 조절장치, 안착된 모형선의 무게중심과, 모형선의 횡동요 시 회전중심을 맞추기 위하여, 상기 안착면을 수직이동시키는 모형선 수직위치 조절장치 및 상기 안착면의 횡동요 변위각을 계측하는 디지털 수준기를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 모형선 고정장치의 상단부에는 상기 모형선의 횡동요 시 회전중심의 위치를 나타내는 지침이 마련되는 것을 특징으로 할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 안착면은 크레인을 이용하여 모형선을 상기 안착면의 상측에서 하측방향으로 이동시켜 안착시킬 수 있도록, 상부가 개방된 형태를 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 모형선을 고정시킨 상태에서 중력 복원력을 통한 정확한 횡동요 방향 관성모멘트와 선수동요 방향 관성모멘트를 동일한 장치 상에서 함께 계측할 수 있는 이점을 가진다.

또한 본 발명의 일 측면에 따르면, 크레인을 이용한 모형선의 안착이 용이하며, 횡방향 진자운동 메커니즘의 특성상 전체 동요시스템에서 장치가 차지하는 관성모멘트 성분이 작도록 설계가 가능하며, 따라서 모형선의 횡방향 관성모멘트를 높은 정확도로 측정할 수 있는 이점을 가진다.

도 1은 모형선의 관성모멘트를 측정하기 위한 종래의 진자 형태 측정 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모형선의 횡동요 및 선수동요 방향 관성모멘트 측정 장치(100)를 도시한 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 모형선의 횡동요 및 선수동요 방향 관성모멘트 측정 장치(100)를 통한 횡동요 방향 및 선수동요 방향을 개략적으로 도시한 도면이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 모형선의 횡동요 및 선수동요 방향 관성모멘트 측정 장치에 대하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모형선의 횡동요 및 선수동요 방향 관성모멘트 측정 장치(100)를 도시한 도면이고, 도 3은 도 2에 도시된 모형선의 횡동요 및 선수동요 방향 관성모멘트 측정 장치(100)를 통한 횡동요 방향 및 선수동요 방향을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2 및 도 3을 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 모형선의 횡동요 및 선수동요 방향 관성모멘트 측정 장치(100)는 크게 지지부(110), 변위각 계측기(120), 원형 레일부(130) 및 고정부(140)를 포함하여 구성된다.

지지부(110)는 바닥면에 안착 및 지지되어 모형선(1)의 횡동요 및 선수동요 시 흔들리지 않도록 지지하는 역할을 한다.

변위각 계측기(120)는 프레임 형태의 지지부(110)의 상측에 고정되며, 후술되는 원형 레일부(130)의 선수동요 시 변위각을 계측하는 역할을 한다. 이러한 변위각 계측기(120)는 포텐시오미터(potentiometer)가 적용될 수 있다.

원형 레일부(130)는 변위각 계측기(120)의 상측과 연결되며, 후술되는 고정부(140)의 하측에 마련된 하나 이상의 휠이 접하는 원형의 레일을 포함한다.

보다 구체적으로, 원형 레일부(130)는 변위각 계측기(120)의 상측과 연결되는 프레임 형태의 지지 프레임(131) 및 지지 프레임(131) 상에 마련되며 고정부(140)의 하측에 마련되는 하나 이상의 휠이 접하여 횡동요 방향으로 진자운동되도록 곡면 형태를 가지는 원형 레일(132)을 포함한다.

원형 레일(132)은 원형 레일부(130)의 폭 방향을 향해, 중심부에서 가장자리로 갈수록 그 높이가 높아지는 형태를 취하는데, 고정부(140)의 하측에 마련되는 휠의 개수가 바람직하게는 4개가 될 수 있으므로, 원형 레일(132)은 이러한 4개의 휠이 모두 접할 수 있는 충분한 크기를 가진다.

또한, 원형 레일부(130)의 지지 프레임(131)에는 고정부(140)의 하나 이상의 휠을 고정시킴으로써 고정부(140)가 횡동요 방향으로 진자운동하지 않도록 위치를 고정하는 횡동요 고정장치(133)가 마련된다.

횡동요 고정장치(133)는 모형선의 선수동요 방향 관성모멘트 측정 시, 고정부(140)가 원형 레일(132) 상에서 움직이지 않도록 하는 고정수단이다.

고정부(140)는 모형선(1)이 안착되는 안착면(141), 안착됨 모형선(1)의 측면을 고정함으로써 모형선(1)이 움직이지 않도록 하는 모형선 고정장치(142), 안착된 모형선(1)의 중심부와 안착면(141)의 중심부의 원점을 맞추기 위하여, 안착면(141)을 수평이동시키는 모형선 수평위치 조절장치(143), 안착된 모형선(1)의 무게중심과 모형선의 횡동요 시 회전중심의 높이를 맞추기 위하여 안착면(141)을 수직이동시키는 모형선 수직위치 조절장치(144) 및 안착면(141)의 횡동요 변위각을 계측하는 디지털 수준기(145)를 포함하여 구성된다.

여기에서, 모형선 수평위치 조절장치(143) 및 모형선 수직위치 조절장치(144)는 핸들의 회전을 통해 수평위치 및 수직위치가 미세조정될 수 있다.

이때, 모형선 고정장치(142)의 최상단부에는 모형선(1)의 횡동요 시 회전중심의 위치를 나타내는 지침(142a)이 마련된다. 이러한 지침(142a)은 모형선(1)의 횡동요 시 모형선의 무게중심과 횡동요 회전중심의 상대적인 거리를 맞추기 위한 기준이 될 수 있다. 이때, 모형선(1)과 고정부(140)의 회전중심은 원형 레일부(130)의 회전중심이 되며, 이 점을 중심으로 중력에 의한 복원력에 의해 고정부(140)가 진자운동하게 된다.

또한, 안착면(141)은 다양한 크기의 모형선이 안착될 수 있도록 충분한 면적을 가지도록 형성되되, 상부는 개방되어 있는 형태를 가진다. 따라서, 크레인을 통해 모형선이 안착면(141)의 상부에 안착이 용이한 이점을 가진다.

한편, 지지부(110)와 원형 레일부(130) 사이에는 모형선의 횡동요 시 원형 레일부(130)가 변위각 계측기(120)로부터 선수동요(조화운동)하지 않도록 원형 레일부(130)의 위치를 고정하는 선수동요 고정장치(134)가 마련될 수 있다.

다음으로는, 이러한 모형선의 횡동요 및 선수동요 방향 관성모멘트를 측정하는 과정을 살펴보기로 한다.

고정부(140)에 고정된 모형선(1)의 진자운동 시 횡동요 관성모멘트는 하기의 수학식 1로 표현될 수 있다.

[수학식 1]

이 때, I_xx는 고정부(140)의 횡동요 방향 관성모멘트, I_xx,m은 구하고자 하는 모형선의 횡동요 방향 관성모멘트, m_m은 모형선의 질량, h_m는 회전중심으로부터 모형선 무게중심까지의 거리, I_xx,F는 회전중심을 기준으로 했을 때의 고정부(140)의 관성모멘트이다. 회전중심을 기준으로 진자운동을 하는 고정부(140)의 운동방정식을 구성하면 하기의 수학식 2와 같다. 이 때 고정부(140)에 작용하는 감쇠력은 진자의 각속도에 비례한다고 가정한다.

[수학식 2]

이 때, Φ는 고정부(140)의 변위각, m_x은 고정부(140)와 모형선의 질량, h는 회전중심으로부터 고정부(140)의 무게중심 사이의 거리를 나타내며, m_F를 장치 자체의 질량, h_F를 회전중심으로부터 고정부(140)의 무게중심까지의 거리라고 하면 m_xh=m_mh_m+m_Fh_F의 관계가 성립한다. 이러한 수학식 2의 운동방정식을 풀면 아래 수학식 3과 같은 진자 운동의 주기를 구할 수 있다.

[수학식 3]

이때, 고정부(140)의 횡요운동 주기를 계측하면 우변의 변수 중 I_xx,m만 제외하고 모두 알고 있으므로 모형선의 횡동요 방향 관성모멘트를 계산할 수 있다. 계산을 통해 구해지는 횡동요 방향 관성모멘트는 아래의 수학식 4와 같다.

[수학식 4]

다음으로는, 선수동요 방향 관성모멘트를 측정하는 과정을 살펴보기로 한다.

모형선의 선수도용 방향 관성모멘트는 아래의 수학식 5로 표현할 수 있다. 이 때, 모형선의 원점이 조화운동의 회전중심에 놓여있다고 가정한다.

[수학식 5]

이 때 I_zz는 원형 레일부(130)의 선수동요 방향 관성모멘트, I_zz,m은 구하고자 하는 모형선의 선수동요 방향 관성모멘트, I_zz,F는 원형 레일부(130) 자체의 선수동요 방향 관성모멘트이다. 마찬가지로 선수동요의 회전중심을 기준으로 조화운동의 운동방정식을 세우면 하기의 수학식 6과 같다. 이 때 시스템의 감쇠는 그 영향을 무시할 수 있을 만큼 작고, 변위각 계측기(120) 내의 용수철에 의한 복원력은 선수동요 변위각에 비례하도록 설계되었다고 가정한다.

[수학식 6]

이 때, Ψ는 선수동요 변위각, K는 조화운동의 복원력 상수를 의미한다. 수학식 6의 운동방정식을 풀면 아래의 수학식 7과 같은 조화운동의 주기를 구할 수 있다.

[수학식 7]

마찬가지로 조화운동의 주기를 계측하고, 제작 과정에서 복원력 상수 K를 알고 있다고 가정하면 아래의 수학식 8과 같이 모형선의 선수동요 방향 관성모멘트를 계측할 수 있다.

[수학식 8]

살펴본 바와 같이, 본원발명에 따르면, 모형선을 고정하는 고정부(140)가 원형 레일부(130) 상에 진자운동하는 것을 토대로 모형선의 정확한 횡동요 방향 관성모멘트를 측정할 수 있고, 또한 원형 레일부(130)가 변위각 계측기(120) 상에 조화운동하는 것을 토대로 모형선의 정확한 선수동요 방향 관성모멘트를 측정할 수 있으므로, 하나의 장치 구성을 통해 두개의 관성모멘트를 모두 측정할 수 있다는 점에서 이점을 가지게 된다.

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.

1: 모형선
100: 모형선의 횡동요 및 선수동요 방향 관성모멘트 측정 장치
110: 지지부
120: 변위각 계측기
130: 원형 레일부
131: 지지 프레임
132: 원형 레일
133: 횡동요 고정장치
134: 선수동요 고정장치
140: 고정부 141: 안착면
142: 모형선 고정장치 142a: 지침
143: 모형선 수평위치 조절장치
144: 모형선 수직위치 조절장치
145: 디지털 수준기

Claims (7)

1. 바닥면에 안착 및 지지되는 지지부;
   상기 지지부의 상측에 마련되는 변위각 계측기;
   상기 변위각 계측기의 상측과 연결되며, 중심부에서 가장자리로 갈수록 높이가 증가하고 상기 변위각 계측기의 상측과 연결되는 지지 프레임, 상기 지지 프레임 상에 마련되며, 고정부의 하측에 마련된 하나 이상의 휠이 접하여 횡동요 방향으로 진자운동되도록 곡면 형태를 가지는 원형 레일 및 상기 지지 프레임과 상기 고정부의 하측에 마련된 하나 이상의 휠을 고정시킴으로써, 상기 고정부가 횡동요 방향으로 진자운동하지 않도록 위치를 고정하는 횡동요각 고정장치를 포함하는 원형 레일부; 및
   모형선이 안착 및 고정되고, 하측에 마련된 하나 이상의 휠이 상기 원형 레일부의 상측에 안착된 상태에서 상기 원형 레일부를 따라 횡동요 방향으로 진자운동하는 고정부;를 포함하며,
   상기 고정부의 하측에 마련되는 4개의 휠이 상기 원형 레일의 상측면에 모두 접한 상태에서 상기 모형선의 횡동요에 따라 상기 고정부가 상기 4개의 휠을 통해 상기 원형 레일부 상에서 횡동요되고, 상기 모형선의 선수동요에 따라 상기 고정부가 상기 변위각 계측기 상에서 선수동요됨에 따라, 상기 모형선의 횡동요 방향 관성모멘트 및 선수동요 방향 관성모멘트가 측정되는 것을 특징으로 하는, 모형선의 횡동요 및 선수동요 방향 관성모멘트 측정 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 변위각 계측기는,
   포텐시오미터(potentiometer); 인 것을 특징으로 하는, 모형선의 횡동요 및 선수동요 방향 관성모멘트 측정 장치.
   
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 고정부는,
   상기 모형선이 안착되는 안착면;
   안착된 모형선의 측면을 고정하는 모형선 고정장치;
   안착된 모형선의 중심부와 상기 안착면의 중심부의 원점을 맞추기 위하여, 상기 안착면을 수평이동시키는 모형선 수평위치 조절장치;
   안착된 모형선의 무게중심과, 모형선의 횡동요 시 회전중심을 맞추기 위하여, 상기 안착면을 수직이동시키는 모형선 수직위치 조절장치; 및
   상기 안착면의 횡동요 변위각을 계측하는 디지털 수준기;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 모형선의 횡동요 및 선수동요 방향 관성모멘트 측정 장치.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 모형선 고정장치의 상단부에는,
   상기 모형선의 횡동요 시 회전중심의 위치를 나타내는 지침;이 마련되는 것을 특징으로 하는, 모형선의 횡동요 및 선수동요 방향 관성모멘트 측정 장치.
   
7. 제5항에 있어서,
   상기 안착면은,
   크레인을 이용하여 모형선을 상기 안착면의 상측에서 하측방향으로 이동시켜 안착시킬 수 있도록, 상부가 개방된 형태를 가지는 것을 특징으로 하는, 모형선의 횡동요 및 선수동요 방향 관성모멘트 측정 장치.

Images