KR20080012331A - 얼음 하중 모니터링용 시스템 - Google Patents

얼음 하중 모니터링용 시스템 Download PDF

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KR20080012331A
KR20080012331A KR1020077028105A KR20077028105A KR20080012331A KR 20080012331 A KR20080012331 A KR 20080012331A KR 1020077028105 A KR1020077028105 A KR 1020077028105A KR 20077028105 A KR20077028105 A KR 20077028105A KR 20080012331 A KR20080012331 A KR 20080012331A
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stress
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ice
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리스토 루바리
카즈 리스카
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알. 로우바리 오이
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Abstract

본 발명은 배(501)의 구조물상에서 얼음로 인한 하중을 모니터링하기 위한 하중 모니터링 시스템(500)을 제공하는 것이다. 상기 배 구조물은, 전형적으로 적어도 하나의 쉘 플레이트(102), 상기 쉘 플레이트(102)에 실질적으로 수직인 수직 프레임(106) 및, 실질적으로 수평면 내이고 상기 쉘 플레이트(102)에 수직인 종방향 프레임(104)을 포함한다. 또한, 상기 얼음 하중 모니터링 시스템은, 상기 구조물의 변형을 변형에 비례하는 신호로 변환하기 위하여 각각 채택되는 응력 센서(F,S,P)의 조합을 포함한다. 상기 센서의 조합은 적어도 프레임 굽힘 응력 센서(F), 플레이트 응력 센서(P) 및 , 프레임 힘 센서(S)를 포함한다. 상기 얼음 하중 모니터링 시스템(500)은 데이터 처리 유닛(506), 및 상기 센서(S,P,F)와 데이터 처리 유닛(506)을 연결하는 정보 네트워크(508)를 또한 포함한다. 상기 데이터 처리 유닛(506)은 센서(S,P,F)로 부터 신호를 수집하도록 채택된다.
하중 모니터링 시스템, 쉘 플레이트, 프레임, 구조물, 데이터 처리 유닛, 센서

Description

얼음 하중 모니터링용 시스템{A SYSTEM FOR ICE LOAD MONITORING}
본 발명은 구조물에서 발생하는 하중(loading), 응력(stress) 및/또는 재료의 피로(material fatigue)를 측정하기 위한 얼음 하중(ice load) 모니터링 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 선박(ship)과 같은, 배(vessel)의 구조물 상에서 얼음으로 인한 하중을 모니터링(monitoring)하기 위한 얼음 하중 모니터링 시스템에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 시스템과 관련하여 사용하는 데에 적절한 측정 센서에 관한 것이다.
하중 또는 파도 하중으로 인한 선체의 응력(hull stress)은 큰 선체를 가지는 모든 선박에 대한 부담(burden)이 된다. 또한, 상기 얼음 하중은 선박의 선체에 작용하여서, 쉘(shell) 구조물이 반응한다. 벌크선(bulk carrier), 큰 유조선(large tanker), LNG(액화 천연가스) 운반선(carrier) 및, FPSO(Floating Production Storage and Offloading unit)(부유식 원유생산 저장 설비)는 선체 응력에 특히 민감한 배 형태이다. 많은 경우에 있어서, 연구용 선박, 군함(military craft) 및 쇄빙선(ice-breaker)과 같은 특정 목적을 위한 선박은 이들의 디자인 응력값의 모서리상에서 작용한다. 따라서, 선박 선체 상에서 가해지는 하중은 재료의 피로와 같은 구조물에 발생되는 어떠한 변화에 대해서도 일정하고 연속적으로 측정되어야만 하고, 또한 예를 들면 허용가능한 응력이 초과되지 않는 것을 검출되어야야만 한다.
서로 다른 종류의 측정 시스템은, 선박의 하중에 의하여 발생되는 선체 응력과, 선박의 선체의 구조적인 응력 상에서 파도 영향을 제어하고 모니터하기 위하여 종래로부터 공지되어 있다. 상기 종래 기술은 구조물의 응력 또는 변형을 검출하는 압력 모니터링 장치 또는 다른 센서에 의하여 구현된다. 상기 센서는 통상적으로 모니터 스크린에 연결된 컴퓨터에 전형적으로 연결된다. 상기 컴퓨터는 센서로 부터 측정값을 수신하고, 특정의 소프트웨어 프로그램을 기초로 하여서, 문제의 배의 상태와 같은 원하는 양을 계산한다. 상기 계산된 값은 일반적으로 모니터 스크린상에 가시화된다.
그러나, 종래 기술의 시스템은 선박 그 자체의 하중 또는 파도의 영향에 의해서만 발생되는 구조적인 선체 응력을 모니터하는 것에 집중된다. 선체의 구조물상의 얼음로 인한 하중을 모니터링하기 위한 실질적인 시스템은 없다. 얼음로 인한 하중을 모니터링하기 위한 실질적인 시스템이 없다는 것은, 일어나는 현상으로서의 얼음 하중은 그 성질상 매우 통계학적이고(statistical) 그래서 예를 들면 선박 그 자체의 하중 또는 파도의 영향보다 모니터하기가 더 어렵다는 사실의 결과가 될 수 있다. 이러한 통계학적인 성질로 인하여, 첫 번째로 얼음 블록의 형태를 예견할 수 없기 때문에 응력 감지 센서를 배의 구조물상 정확한 위치에 설정하는 것이 매우 어렵고, 두 번째로 전체 선체 구조물상의 얼음 하중의 원하는 결과 및 실질적인 영향이 결정될 수 있도록 센서의 출력값을 분석하는 것이 매우 어렵다.
또한, 종래기술에서는, 센서 부착이 오랫동안 지속되고 또한 주위 환경의 바람직하지 못한 영향에 저항할 수 있도록 센서를 접착시키는 것은 문제가 있다. 종래 기술의 센서는 전형적으로 금속인 측정 영역에 접착제 의해 접착되고, 그 다음 실리콘에 의하여 피복되며, 따라서 문제는 물이 금속과 실리콘 상에 점차적으로 침투하고 그래서 머지않아 접착을 붕괴시키는 것이다.
본 발명의 목적은, 새로운 측정 해결책의 도움과 또한 새로운 센서 부착 해결책에 의하여 상술된 종래 기술의 문제점을 피하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은, 이것의 통계학적인 성질에도 불구하고 얼음 하중으로 인하여 구조물에서 발생되는 하중, 응력 및/또는 재료의 피로를 측정하기 위한 얼음 하중 모니터링 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 독립 청구항 1의 특징부에 기재된 특징에 의하여 충족된다.
배의 전형적인 쉘 구조물(shell structure)은, 적어도 하나의 쉘 플레이트(shell plate)와, 상기 쉘 플레이트에 수직으로 된 수직 프레임 및, 필수적으로 수평면이며 상기 쉘 플레이트에 수직으로 된 종방향 프레임을 포함한다. 본 발명의 사상은, 얼음 하중으로 인하여 발생되는 선박 선체 상의 압축 하중과, 쉘 구조물의 반응을 검출하기 위하여 상기 구조물의 특정 위치에 대한 응력 센서의 조합을 제공하는 것이며, 여기에서 각각의 응력 센서는 구조물의 변형을 변형에 비례하는 출력 신호로 변환하도록 채택된다. 상기 센서의 조합은 적어도 프레임 굽힘 응력 센서(F)와, 플레이트 응력 센서(P) 및, 프레임 힘 센서(S)를 포함한다.
본 발명의 제 1 실시예에 따라서, 상기 굽힘 응력 센서(F)는 프레임 플랜지에, 보다 양호하게는 프레임의 중간-스팬(mid-span)에 위치된다. 상기 프레임 플렌지는 굽힘 응력 센서용 위치가 양호한데, 왜냐하면 얼음 하중에 의하여 발생되는 변형은 중요하고, 따라서 측정 정확성이 우수하기 때문이다.
본 발명의 제 2 실시예에 따라서, 상기 플레이트 응력 센서(P)는 쉘 플레이트에, 보다 양호하게는 프레임사이와, 종방향 프레임의 중간-스팬에 위치된다.
본 발명의 제 3 실시예에 따라서, 상기 프레임 힘 센서(S)는 프레임 웨브(frame web)에, 보다 양호하게는 종방향 프레임에, 더욱 더 양호하게는 종방향 프레임의 중립축에 위치된다.
상기 응력 센서는 양호하게는 가장 큰 임계의 영역(most critical area)에 위치되고, 여기에서 예측되는 얼음 하중 또는 예측되는 얼음 하중 대 구조물 용량은 최대가 된다.
본 발명의 제 4 실시예에 따라서, 상기 얼음 하중의 측정은 쉘 구조물에서 센서 패널에 의하여 구현되고, 여기에서 상기 센서 패널은 응력 센서의 조합을 포함하고, 선박 뱃머리(bow)의 임계 영역(critical area)에 위치된다. 양호하게는, 상기 하중과 응력은 몇몇의 센서 패널로 측정되며, 이중의 하나는 만재 수선 높이(load waterline height)(LWL)에 위치되고, 하나는 밸러스트 수선 높이(ballast waterline height)(BWL)에 위치된다. 본 발명의 양호한 실시예에 따라서, 이들 패널 중의 단지 하나만이 배의 하중상태에 따른 시간에서 활성적으로 된다.
또한, 본 발명의 모니터링 시스템은, 데이터 처리 유닛과, 상기 센서와 데이터 처리 유닛을 연결하는 정보 네트워크를 포함한다. 양호하게는, 상기 데이터 처리 유닛은 센서로부터 신호를 수집하고 원하는 결과를 계산하도록 채택된다. 양호하게는, 상기 신호는 변환기(converter)에 의해 전기 형태로 변환되거나(예를 들면, 상기 센서가 광학 게이지일 때에) 또는, 전기적인 형태로 직접 출력될 때(예를 들면, 상기 센서가 스트레인 게이지(strain guage)일 때에)의 전기적인 형태이다.
본 발명의 제 5 실시예에 따라서, 상기 구조물에 작용하는 외부의 얼음 하중이 응력 센서의 출력을 기초로 하여서(양호하게는 데이터 처리 유닛에 의해서) 계산되고, 여기에서 상기 센서의 출력은 구조물의 스트레인에 비례한다. 본 발명에 따라서, 구조물에 작용하는 하중 및 응력은 응력 센서의 출력(출력 신호에 비례하는 스트레인(strain) 또는 스트레인들(strains))을 영향 계수 매트릭스(influence coefficient matrix)(유한 요소법(FEM)(Finite Element Method)을 사용하여)로 곱함으로써 계산된다.
또한, 본 발명에 따라서, 얼음 하중 모니터링 시스템에서, 양호하게는 하중 레벨과 응력 표시는 배의 마스터(master)가 결정하는 것을 도우면서 실시간으로 제공될 수 있다. 또한, 상기 시스템은, 예를 들면 마지막 분(minute) 동안에 센서에 의하여 수집되는 데이터를 기초로 하여서 짧은 기간 하중 예견을 할 수 있다. 측정된 하중과 응력은 구조물의 항복 한계(yield limit)와 비교되고, 얼음 하중의 허용가능한 한계가 초과된다면 시스템은 경고를 하도록 채택된다. 또한, 본 발명의 양호한 방법에 따라서, 최대 응력은 허용가능한 응력 레벨과 비교되고, 선박 프로파일(profile)을 가지는 컬러-코드된(color-coded) 영역의 그래프로 디스플레이된다.
또한, 상기 시스템은 시간 및 위치 데이터를 가지는 측정된 하중 데이터를 보다 이후의 분석(later analysis)을 위하여 긴 기간 저장(long-term storage)으로 저장하도록 채택된다. 상기 데이터는, 예를 들면 작동 영역에서 얼음의 가항성(navigability)을 평가하고, 피로 분석에서 선박의 긴 기간 손상 가능성을 평가하며, 또한 내빙선 규정(ice class rule)의 다른 연구 목적 등을 위하여 사용될 수 있다. 시간에 걸쳐서 기록되는 서로 다른 측정을 비교함으로써, 이것의 수명 스팬(life span)에 걸친 구조물의 평가가 모니터될 수 있다.
또한, 본 발명은, 예를 들면 저항 및 출력 전압이 구조물의 스트레인(strain)에 비례하는 스트레인 게이지에 의하여, 또는 대안적으로 광학 게이지에 의하여 구현될 수 있는 응력 감지 소자를 포함하는 응력 센서에 관한 것이다. 상기 응력 감지 소자는 당업자에 의하여 공지된 몇몇 다른 게이지, 음파 또는 공압 게이지에 의하여 구현될 수 있고, 이것의 출력 신호는 구조물의 측정된 스트레인에 비례하는 전기 신호로 변환될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라서, 상기 응력 감지 소자는 측정될 구조물에 접착된다. 또한, 상기 응력 센서는 상기 응력 감지 소자를 덮고 있는 케이싱(casing)과, 상기 응력 감지 소자에 인접된 기준의 감지 플레이트(reference sensing plate)를 포함한다. 상기 응력 센서는 측정될 구조물에 용접되는 지지 부재를 부가로 포함함으로써, 상기 지지 부재는 케이싱과 기준 감지 플레이트를 지지한다.
본 발명에 따라서, 상기 응력 감지 소자와 이것의 와이어 연결부는 기계적인 보호를 위하여 실리콘으로 피복되며, 상기 케이싱은 포팅 매쓰(potting mass)를 위하여 밀봉되고, 응력 센서를 습기와 부식에 대하여 보호하기 위하여 폴리우레탄 포팅 매쓰, 에폭시 등으로 충전된다. 표면과 응력 감지소자 또는 포팅 매쓰 사이에서 물 또는 습기의 침투를 방지하기 위하여 응력 감지 소자가 부착되는 표면에, 양호하게는 옥실란(oxsilane)이 적용된다. 양호하게는, 옥실란은 금속 표면과, 폴리우레탄 또는 에폭시와 같은 포팅 매쓰로 화학적인 합성물을 형성한다.
또한, 본 발명은 다른 유리한 특징을 제공한다. 예를 들면, 선적의 안정성과 경제성을 향상시키고, 선체의 구조적인 실패에 대한 위험성을 최소로 하며, 따라서 희생이 큰 피해를 방지하며, 또한 배의 작동 수명을 절약시킨다. 또한, 얼음 하중(ice load), 트렌드(trend), 혹독함(severity)의 측정 및 예견의 정보에 의하여 배의 크류(crew)를 제공하는 것이 가능하다.
다음과 같은 용어들이 본원에 사용된다.
FEM: 편미분 방정식(partial differential equation)에 의하여 표현되는 구조적인 반응을 해결하기 위하여 로버스트 접근법(robust approximation)이 구해질 때에 특히 사용가능한 유한 요소법(Finite element method).
하중 이력(loading history): 시스템은 서로 다른 측정 채널의 시간 이력(time history)을 도시할 수 있다. 적절한 시간 윈도우 길이는 예를 들면 2시간이 될 수 있으며, 하중은 허용가능한 하중의 퍼센트로 도시될 수 있다.
하중 히스토그램(load histogram): 상기 시스템은 서로 다른 측정 채널의 하중 히스토그램을 도시할 수 있다. 상기 히스토그램은 검출된 하중 진폭(amplitude)을 기초로 한다. 하중은 허용된 하중의 퍼센트로 도시될 수 있다. 상기 히스토그램의 적절한 시간 주기는 예를 들면 2시간이 될 수 있다.
중립축(Neutral axis): 단면의 기하학적인 중심(geometric centroid) 또는, 압축과 인장 사이의 전이부
허용가능한 하중(permissible load): 예를 들면 전형적인 선박 구조의 스틸(steel) 인 경우, 항복 한계(yeild limit)는 235MPa이다. 이러한 종류의 재료가 사용된다면, 이것은 프레임과 플레이트 응력을 위한 허용가능한 한계이다. 그러나, 항복 한계는 재료에 따라서 더 크거나(꼭 600MPa과 같은) 또는 더 작게될 수 있다. 하나의 프레임의 부분 및 전체적인 하중을 위하여, 한계 하중값은 설치된 영역 또는 그 영역의 FE-모델(model)을 기초로 하여 계산되고, 여기에서 센서 패널이 위치된다. 얼음 하중의 한계값은 프레임의 굽힘 응력이 재료의 항복 한계를 초과하는 경우에 대응된다. 패널의 전체 하중을 위하여 2개의 한계값이 있다. 하나는 어떠한 프레임에서도 한계 하중값이 초과되는 경우이고, 다른 하나는 주 프레임의 한계 하중값이 초과하는 경우이다.
프레임 하중은 종방향 프레임 스팬상에 작용하는 얼음 하중이다. 프레임 하중은 프레임 스팬의 양쪽 단부 상에 장착된 응력 센서 사이의 전단 스트레인 차이(shear strain differnece)에 비례한다.
부분적인 프레임 하중은 종방향 프레임 스팬의 길이 반쪽에 걸쳐서 작용하는 얼음 하중이다. 부분적인 프레임 하중은 일단부에 장착된 응력 센서와, 프레임 스팬의 중간사이의 전단 스트레인 차이에 비례한다. 국부적인 얼음 압력은 공칭(nominal) 접촉 영역(Anom)(=프레임 스팬의 프레임 이격사이에서 반쪽 길이)에 의하여 나누어지는 부분적인 프레임 하중이다. 본원에서 사용되는 반쪽 길이는 단지 전형적인 길이이다.
혹독함(severity)은, 예를 들면 측정된 하중과 허용가능한 하중 사이의 비에 의하여 결정될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따라서, 얼음 하중과, 얼음로 인한 응력은 가장 큰 하중 영역에서 선박의 뱃머리(bow)에 근접되게 측정되고, 상기 힘과 응력은 '얼음 하중용 혹독함의 단일 측정'을 결정하기 위하여 다른 영역으로 외삽된다(extrapolate). 얼음 하중의 모니터링 디스플레이는 혹독함의 유닛(혹독함 측정의 서로 다른 범위의 컬러 코드를 사용하여서 허용가능한 하중의 퍼센트) 또는 공학 단위(kN, MPa)로 상기 측정된 데이터를 양호하게 도시한다.
본 발명의 양호한 실시예가 독립항에 기재된다.
다음, 본 발명은 첨부된 도면에 따라서 전형적인 실시예를 참조로 하여 보다 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명의 양호한 실시예에 따라서 센서가 소정 위치에 제공되는 전형적인 장치의 측면도.
도 2는 본 발명의 양호한 실시예에 따라서 센서가 소정 위치에 제공되는 전형적인 장치의 평면도.
도 3은 본 발명의 양호한 실시예에 따라서 프레임 힘 센서가 위치되는 중립축 결정의 전형적인 방법을 도시하는 도면.
도 4는 본 발명의 양호한 실시예에 따라서 내부 스트레인 측정의 전형적인 장치를 도시하는 도면.
도 5a는 본 발명의 양호한 실시예에 따라서 배의 2개의 센서 패널을 가지는 얼음 하중 모니터링 장치를 도시하는 도면.
도 5b는 본 발명의 양호한 실시예에 따라서 배 위의 패널상에 2개의 플레이트 응력 센서의 전형적인 장치를 도시하는 도면.
도 6은 본 발명의 양호한 실시예에 따라서 센서 패널용의 전형적인 영향 계수 매트릭스(a)를 도시하는 도면.
도 7은 본 발명의 양호한 실시예에 따라서 시간과 이벤트 윈도우(event window)의 전형적인 챠트(chart)를 도시하는 도면.
도 8은 본 발명의 양호한 실시예에 따라서 트렌드 평가(trend evaluation)에서 윈도우를 모니터링하고 비교하기 위한 전형적인 챠트를 도시하는 도면.
도 9는 본 발명의 양호한 실시예에 따라서 하중 예견(load prediction)의 전형적인 챠트를 도시하는 도면.
도 10은 본 발명의 양호한 실시예에 따라서 얼음 하중 측정 시스템에 사용되는 응력 센서의 전형적인 전개도를 도시하는 도면.
도 11은 본 발명의 양호한 실시예에 따라서 모니터될 구조물 내로 부착될 때에 얼음 하중 측정 시스템에 사용되는 전형적인 응력 센서를 도시하는 도면.
도 1은 전형적인 장치의 측면도를 도시하는 도면으로서, 여기에서 센서(F,P,S)는 본 발명의 양호한 실시예에 따라서 배의 구조물 내의 소정 위치에 제공된다. 상기 배의 통상적인 구조물(100)은 적어도 하나의 쉘 플레이트(102), 상기 쉘 플레이트(102)에 수직인 수직 프레임(도 2에서 도면부호 106으로 도시됨) 및, 필수적으로 수평 평면내이며 상기 쉘 플레이트(102)에 수직인 종방향 프레임(104)을 포함한다.
본 발명에 따라서, 상기 굽힘 응력 센서(F)는 프레임 플랜지(104A)에 위치되고, 상기 플레이트 응력 센서(P)는 쉘 플레이트(102)에, 보다 양호하게는 종방향 프레임(104)사이에 또는 중간 스팬(mid-span)사이에 위치된다. 또한, 상기 프레임 힘 센서 또는 센서들(S)은 상기 종방향 프레임(104)에 위치된다.
도 2는 배의 전형적인 구조물(100)이 평면으로 도시된 전형적인 장치의 도면이며, 상기 구조물은 적어도 하나의 쉘 플레이트(102), 상기 쉘 플레이트(102)에 수직인 수직 프레임(106) 및, 필수적으로 수평면이며 상기 쉘 플레이트(102)에 수직인 종방향 프레임(104)을 포함한다. 도 2에서, 상기 굽힘 응력 센서(F) 및 프레임 힘 센서(S)의 정확한 위치는 본 발명의 실시예에 따라서 도시될 수 있으며, 여기에서 상기 굽힘 응력 센서(F)는 프레임 플랜지(104A)에 위치되며, 보다 양호하게는 프레임(106)의 중간 스팬에 위치되며, 상기 프레임 힘 센서(S)는 종방향 프레임(104)에 위치되며, 보다 양호하게는 상기 종방향 프레임(104)의 중립축(202)에 위치된다. 그런데, 상기 중립축의 위치는 서로 다른 종방향 프레임(104)에서 서로 다르게 될 수 있음에 주목해야 한다.
도 3은 중립축 결정의 전형적인 방법을 도시하는 도면으로, 여기에서 상기 프레임 힘 센서(S)는 본 발명의 양호한 실시예에 따라서 위치된다. 특히 상기 프레임 힘 센서(S)의 위치는 본 발명에 따라서 정확한 판독(reading)을 얻기 위하여, 특히 종방향 프레임(104)에서 전단 스트레인을 얻기 위하여 필수적인 것이다. 따라서, 상기 프레임 힘 센서는 종방향 프레임(104)의 중립축 e* (또는 도 2에서의 202)상에 장착된다. 상기 전형적인 도면에서, 단지 3개의 센서만이 사용되지만, 당업자는 본원을 읽을 때에, 상기 센서의 수는 변할 수 있고, 전형적으로 보다 많은 센서가 사용될수록, 해상도(resolution)는 더 커진다는 것을 이해해야만 한다.
상기 중립축은 본 발명에 따라서 다음의 식에 의하여 결정된다.
Figure 112007086647103-PCT00001
여기에서, S1, S2, S3는 다음과 같은 방법에 의하여 계산되는 정적 모멘트(static moment)이다.
Figure 112007086647103-PCT00002
그리고, A1, A2, A3는 다음과 같은 방법에 의하여 계산되는 영역이다.
Figure 112007086647103-PCT00003
도 4는 본 발명의 양호한 실시예에 따라서 내부 스트레인 측정의 양호한 장치를 도시하는 도면이다. 내부 스트레인 측정은 얼음 충격 압력으로부터 발생되는 외부힘(F)을 찾기 위하여 사용된다. 스트레인 측정으로부터의 스트레인 판독은 얼음 하중으로 변환될 수 있다. 스트레인이 구조적인 반응에 의하여 선형적으로 영향을 받는 것으로 가정하면, 외부 하중(F)과 측정된 스트레인 차이 △γ 사이의 관계는 영향 계수 a를 사용하여서 결정된다.
F=a·△γ
상기 전단 스트레인(shear strain)은 도 4에 도시된 바와 같이 프레임 힘 센서(S)에 의하여 상기 종방향 프레임(104)의 중립축(202) 상에서 결정된다. 상기 측정된 전단 스트레인 γ1 및 γ2에 따라서, γ1 및 γ2 , 전단 차이 △γ 는,
△γ=γ1-γ2가 된다.
위에 쓴 첨자 1과 2는 스트레인 측정점(strain measuring point)을 가르킨다. 고려중인 구조물이 n개의 프레임을 포함할 때에, 그 관계는 영향 계수 매트릭스에 의하여 결정된다. 프레임 i상의 힘 Fi와, 프레임 j상의 전단 차이 △γ의 관 계가 계산되고, 결과적으로, 영향 계수 매트릭스의 요소인 aij가 얻어진다. 각 프레임 j의 전단 차이를 계산함으로써, 그 결과는 다음과 같은 벡터 형태(vector form)로 주어질 수 있다.
Figure 112007086647103-PCT00004
또한, 도 4의 관계에서, 바람직하지 못한 분포(distribution)를 발생시킬 수 있는 프레임(106) 근처의 응력 집중 스폿(spot)을 피하기 위하여, 양호하게는 상기 프레임 힘 센서(S)는 프레임(106)으로부터 소정 거리로 이격되며, 양호하게는 종방향에서 프레임(106)으로부터 150mm 이격된다. 그러나, 상기 150mm는 본 발명의 양호한 예이며, 본 발명의 청구범위의 정신을 엄격하게 제한하는 것으로 고려되지 않는다. 이러한 전형적인 도면에서, 단지 3개의 센서들(s)dl 사용되지만, 당업자가 본원을 읽을 때에, 상기 센서의 수는 변할 수 있으며, 전형적으로 보다 많은 센서가 사용되면, 해상도는 더 커지게 된다는 것을 이해야만 한다.
도 5a는 본 발명의 양호한 실시예에 따라서 배(501) 위의 2개의 센서 패널, 즉 하부 센서 패널(502) 및 상부 센서 패널(504)을 가지는 전형적인 얼음 하중 모니터링 시스템(500)을 도시하는 도면이며, 여기에서 상기 플레이트 응력 센서(P)는 쉘 플레이트(102) 및 종방향 프레임의 중간 스팬에 위치된다. 상기 굽힘 응력 센서(F)는 프레임 플랜지에 위치되고, 보다 양호하게는 프레임(106)(명료함을 위하여, 프레임(106) 부분만이 도 5a에서 실선으로 도시된다)의 중간 스팬에 있으며, 상기 프레임 힘 센서(S)는 종방향 프레임(104)에 위치된다.
또한, 상기 얼음 하중 모니터링 시스템(500)은 데이터 처리 유닛(506) 및, 상기 센서들(S,P,F)과 데이터 처리 유닛(506)을 연결하는 정보 네트워크(508)를 포함한다.
본 발명의 전형적인 실시예에 따라서, 아나로그 출력 신호는 각각의 응력 센서로부터 직접 얻어지며, 덧셈/뺄셈은 A/D- 변환이후에 이루어진다. 그 다음, 측정된 스트레인은, 예를 들면 공학 단위(MPa,kN)로 변환된다. 측정된 구조적인 스트레인으로부터 얼음 하중으로의 변환은 전단 스트레인을 사용하는 기술에 의존한다. 상기 하중은 FEM을 가지고 초기에 평가된 영향 계수 매트릭스를 사용하여서 얻어지고, 필요하다면 실험에 의하여 확인된다. 예로서, 하나의 센서 패널로부터의 측정 양은, 예를 들면: 플레이트 응력(3개 센서), 프레임의 수직 응력(6개 센서), 프레임상의 힘(각 프레임의 웨브 상의 5개 스트레인 센서, 함께 15개 센서) 및 상기 영역 상의 전체 힘(프레임상의 힘의 합계)이 될 수 있다.
그 다음, 모아진 데이터는, 분석하고(analysing) 디스플레이하며(displaying), 데이터 이력을 기록(datalogging)하기 위하여 정보 네트워크를 거쳐서, 중앙 데이터 처리 유닛으로 전달되며, 그래서 상기 패널 영역 외부에 있는 선박 선체 구조물의 하중 및 반응은 측정된 얼음 하중을 기초로 하여서 평가될 수 있다. 또한, 상기 측정된 값들이 높은 응력 레벨을 지시하는 경우에는 함교 상의 사람들이 액션을 취할 수 있도록 경고를 한다.
예를 들면, 서로 다른 응력 센서가 검출하는 반응은 다음의 방법으로 유도될 수 있다.
1. 상기 프레임의 굽힘 응력은 다음의 식에 따라서 스트레인에 비례한다.
Figure 112007086647103-PCT00005
여기에서
Figure 112007086647103-PCT00006
=측정된 스트레인 판독(μ스트레인)
E=영(Young)의 계수(206GPa)
2. 측정된 스트레인(플레이트 수직 응력 센서에 의해 측정됨)과, 도금에서의 응력사이의 관계는 다음과 같다.
Figure 112007086647103-PCT00007
여기에서,
Figure 112007086647103-PCT00008
=측정된 스트레인 판독(μ스트레인)
Figure 112007086647103-PCT00009
=푸아송 계수(0.29)
상기 관계 2는, 상기 플레이트 응력 센서(P)가 서로에 대하여 56°의 각도로 장착됨으로써, 스틸용 푸아송 계수가 보정되는 상태에서만 유효하다. 그러나, 센서 사이의 각도가 56°와는 다르게 되는 상태에서, 관계 2를 보정하는 것은 당업자에게는 명백하다.
3. 측정된 전단 스트레인 차이(프레임 힘 센서에 의하여 측정)와 프레임(i)상의 힘사이의 관계는:
Figure 112007086647103-PCT00010
여기에서,
Figure 112007086647103-PCT00011
= 측정된 전단 스트레인 차이(μ스트레인)
aij=영향 계수 매트릭스의 요소
보다 많은 센서가 프레임들 사이에 있을 때에 측정 해상도는 보다 정확하게 된다.
도 6은 본 발명의 양호한 실시예에 따라서 센서 패널의 전형적인 영향 계수 매트릭스(a)을 도시하고, 여기서는 각 패널에 12의 센서가 있다. 영향 계수 매트릭스(a)는 FEM에 의하여 예비의 민감도(preliminary sensitivity) 분석의 결과를 고려함으로써 이루어진다. 이러한 전형적인 경우에, 간략화된 구조물 모델과, 라인 하중의 하중 경우가 사용된다.
도 7은 본 발명의 양호한 실시예에 따른 시간과 이벤트 윈도우(event window)의 전형적인 챠트를 도시한다. 시간 이력에서의 기본적인 정보는 하중 피크에 포함되고, 상기 하중 피크는 얼음 특징에 의한 하중 이벤트에 대응된다. 상기 얼음 특징은 선박의 선체에 접촉하게 되고, 선체를 따라서 뒤로 튀어 오르거나 또는 슬라이드한다. 상기 하중 이벤트는 하중 얼음 특징부의 두께에 전형적으로 대응되는 하중 높이와, 최대 몇 미터의 하중 길이를 가지는 국부적인 것이다. 이벤트의 주기는 전형적인 얼음의 전진 속도에서 전형적으로 10밀리초 내지 1초이다.
하중 프로세스를 나타내기 위하여 사용되는 통계적인 모델은 주로 하중 피크의 진폭을 기초로 한다. 본 발명에서, 데이터로부터 하중 피크를 선택하기 위한 2개의 방법이 고려된다. 제 1 방법에서, 시간 이력의 섹션은 몇몇의 임계값 이상으로 위치되도록 선택된다. 본원에서 사용되는 피크 진폭 인식용 방법은 레일리 기준(Rayleigh criterion)이다. 이는 2개의 국부적인 최대치 사이의 국부적인 최소치가 보다 얕은 최대치의 r배 보다 더 낮게 된다면, 그때 2개의 서로 다른 하중 피 크가 존재한다는 것을 언급하고 있다. 변수용 표준값은 1초이다.
본 발명에 사용되는 다른 방법은, 시간 이력을 특정 길이의 시간 윈도우로 나누는 것이다. 각 시간 윈도우로부터의 최대값이 선택된다. 사용되는 최소 시간 윈도우는 1초이다.
도 8은 본 발명의 양호한 실시예에 따라서 트렌드 평가값에서 윈도우를 모니터링하고 비교하는 전형적인 챠트를 도시한다.
소정 시간 주기에서 최대 얼음 하중의 예측값은 작동가능한 얼음 하중 모니터링 시스템에서 하나의 필수적인 함수일 뿐만 아니라, 예측의 트렌드가 중요하다. 얼음 상태의 변화와, 선박의 속도 및 코스의 변화는 얼음 하중 레벨에 영향을 미치고, 이러한 변화주의 중요한 것은 얼음 하중 트렌드를 관찰함으로써 평가될 수 있다.
얼음 하중 모니터링 프로그램에서, 상기 트렌드는 도 8에 도시된 바와 같이 윈도우를 모니터링하고 비교하는 것을 사용함으로써 평가된다. 보다 빠른 예측은 컴퓨터의 메모리에서 유지되고, 그 예측은 도 8에 도시된 바와 같이 2개의 윈도우로 나누어진다. 그 다음, 평균적인 예측이 2개의 윈도우에서 계산된다. 그 다음에, 상기 트렌드는 계산된 중앙값(median)을 비교함으로써 결정된다. 먼저, 상기 시스템은 윈도우를 비교하고 모니터링함에 있어서 하중 예측의 평균값을 계산한다. 예를 들면, 비교 윈도우의 길이는 110분이 될 수 있고, 모니터링 윈도우의 길이는 10분이 된다. 이러한 평균비는 얼음 하중 트렌드용 측정값이다.
Figure 112007086647103-PCT00012
상기 트렌드가 포지티브(positive)이라면, 상기 하중 레벨은 증가되고, 상기 트렌드가 네거티브(negative)이라면, 하중 레벨은 감소된다.
도 9는 본 발명의 양호한 실시예에 따라서 하중 예측의 전형적인 챠트를 도시한다.
얼음로 인한 하중의 수용가능한 레벨은, 상기 선박이 무시해도 좋은 손상 위험(damage risk)을 가지고 현재 모드에서 연속적인 항해를 할 수 있다는 것을 의미한다. 따라서, 상기 하중 레벨은 경험된 하중의 기술어(descriptor)가 아니고, 예측된 성질이다. 이것은 평균적인 하중에 관계되는 것이 아니고 극단의 하중에 관련된다. 상기 하중 레벨의 결정은 측정된 하중을 기초로 한다. 관찰된 하중은 분포 함수로 표현될 수 있는 소정의 통계를 가진다. 분포 모델은 관찰된 히스토그램에 맞추어지고, 관찰되지 않았던 높은 하중의 발생 가능성을 계산하기 위하여 사용된다. 이하에 예견하기 위한 2개의 실시적인 기술이 설명된다.
상기 (T,xT)- 플로팅 기술. 몇몇의 측정 채널과 시간 주기 To에 관한 시간 이력이 고려된다. 그 주기는 길이(T)의 N=T/To의 보다 짧은 윈도우로 나누어지고, 최대 xi값은 N윈도우의 각각을 위한 시간 이력으로부터 선택된다. 그 다음, 평균값이 다음과 같이 계산된다.
Figure 112007086647103-PCT00013
T에 대한 xT의 그래프는 (T,xT)- 플롯으로 불리운다. 상기 시간 윈도우 접근은 하중 프로세스에 대한 관련 정보가 (T,xT)-플롯으로 얻어질 수 있다는 견지를 기초로 한다. 여기에서, T의 몇몇 범위가 고려된다. (T,xT)-플롯은 발생하기에 매우 간단하다. 2개의 시간 시리즈의 비교가 (T,xT)-플롯에 대하여 될 수 있다. 또한, 상기 플롯은 예견으로 사용될 수 있다: 함수 xT(T)는 상기 함수가 보다 짧은 주기 동안에 발생 될 수 있다면 다소의 긴 시간 윈도우 용의 예측되는 최대값의 평가를 허용한다.
스케일링(scaling) 범위. 따라서, 윈도우 접근에서 기본적인 의문은 어떻게 평균 xT가 T와 변화되는지이다. 다른 시간 윈도우
Figure 112007086647103-PCT00014
가 선택되고, 평균
Figure 112007086647103-PCT00015
가 선택된다. xT로 부터
Figure 112007086647103-PCT00016
의 유도를 허용하는 관계가 스케일링 관계로 불리운다. 본원에서 적용가능한 스케일링 관계의 2개의 주요 형태가 있다. 첫번째는 파워 법칙 형태를 가진다.
Figure 112007086647103-PCT00017
다른 스케일링 관계는,
Figure 112007086647103-PCT00018
이다.
이러한 스케일링 관계의 분석은 간단한 플롯팅에 의하여 이루어진다.
먼저, 상기 스케일링 관계는 다음과 형태로 이루어진다.
Figure 112007086647103-PCT00019
따라서, In(xT)가 In(T)에 대하여 플롯되고, 선형 경사(linear slope)가 T의 소정 범위 동안 구해진다면, 이 때 스케일링 법칙이 그 범위에서 적용된다. 상기 값 c는 그 범위에서 몇몇의 고정된 To로 표현될 수 있다. 이것은 Gumbel II의 범위로 불리운다. 다른 한편, 제 2 스케일링 관계는 다음의 형태로 주어진다.
Figure 112007086647103-PCT00020
In(T)에 대한 xT의 플롯에서 선형 범위가 구해진다면, 이것은 Gumbel I범위로 불리우고, 상기 스케일링 법칙이 상기 범위에서 적용된다. 상기 값 c'는 그 범위에서 몇몇의 고정된 To'로 표현된다. 따라서, 2가지 경우에, 상기 (T,xT)-플롯은 2개의 변수로 특징지워진다.
상기 시스템에서 하중 예측의 실현이 다음으로 표현된다. 관찰 윈도우의 길이는 1024초이고, 예견 윈도우의 길이는 7200초(즉, 2시간)이다. 먼저, 관찰 윈도우는 다음과 같이 주기 길이로 나누어진다:
Figure 112007086647103-PCT00021
따라서, 연속적인 주기 길이의 비는 항상 2이다. 그 다음, 상기 주기의 평균 하중 최대값이 계산된다. Matlab 명령을 사용하여서, 이러한 주기의 평균 최대 값은 다음과 같다:
j=1:11를 위하여,
Figure 112007086647103-PCT00022
Figure 112007086647103-PCT00023
Figure 112007086647103-PCT00024
end:
Figure 112007086647103-PCT00025
그 다음, 주기의 대수(logarithm)와, 평균 최대값(In(T),xT)사이의 회귀 함수(regression function)가 구해진다. Matlab 곡선 맞춤 함수를 사용하여, 회귀 함수는 다음과 같이 풀어진다.
Figure 112007086647103-PCT00026
이것은 2차 폴리놈(second order polynomial)이다:
Figure 112007086647103-PCT00027
3개의 계수는 p1, p2, p3 이다. 다음 2시간 동안에 얼음 하중 예측은, 상기 폴리놈을 사용하고 T=8224초를 사용하여서 이루어진다.
본 발명에 따른 상기 얼음 모니터링 시스템은, 상기 센서가 위치되는 스폿(spot) 뿐만 아니라, 뱃머리(bow) 구조물의 모든 잠재적인 임계 영역을 평가하는 것이 가능하다. 이것은 구조적인 부재의 하중 운반 능력의 계산과, 전체 뱃머리 영역의 얼음 하중의 평가를 포함한다. 이러한 과업은 전체 뱃머리 영역을 위한 패 널 영역에서 측정된 하중을 발생시키는 것이다.
본 발명의 실시예에 따라서, 뱃머리 구조의 프레임(framing)과 도금(plating)에서 응력을 상기 뱃머리 영역에서 패널로부터 측정된 양을 기초로 하여서 유도하는 절차를 발전시키기 위한 적어도 2개의 양호하고 서로 다른 방법이 있다. 상기 응력은 혹독함의 단일 측정(Single Measure of Severity)을 얻기 위하여 처리되어야만 한다. 이러한 가정은 상기 얼음 하중이 매우 국부적이고, 상기 응력이 쉘 구조물, 즉 프레임과 도금에서 가장 높은 얼음 벨트 영역(ice belt area)에 작용한다는 것이다.
한가지 방법은, 다른 영역에 대하여 상기 측정된 응력을 추정하는 것이고, 다른 방법은 상기 측정된 힘을 추정하는 것이며, 그 다음 다른 영역의 구조적인 요소에서 응력을 계산하기 위하여 이 힘을 사용하는 것이다. 그 방법은 아래와 같다.
방법 1. 힘의 추정
상기 모니터링 시스템은 프레임(L)상에 전단 게이지 사이에서 프레임 이격(s)과 거리에 의하여 경계 지워지는 영역에 작용하는 얼음로 인한 힘(F)을 측정할 수 있다. 따라서, 상기 힘(F)은 상기 영역 PPL=F/(s·L)상에 평균 압력으로 주어질 수 있다. 게이지들 사이의 거리가 2개의 프레임 이격(L>2s)보다 크게 된다면, 어떠한 하중 이벤트에서의 도금의 최대 응력은 측정된 최대 단일 힘 FMAX에 의하여 발생되는 것으로 가정될 수 있다. 프레임을 위하여, 단일 프레임 상에 측정 되는 단지 2개의 힘만이 있다면, 하나의 프레임 FTOT=(F1+F2)상에 모든 구성 힘의 합의 최대값에 의하여 발생된다. 상기 구성 힘이 하나의 프레임으로 부터 측정된다면, 프레임용의 평균압력은 PFR=FTOT/(L1+L2)이다.
다음, 상기 도금에서의 최대 응력은
Figure 112007086647103-PCT00028
이고, 여기에서 힘에 대한 응력에 관계되는 상수는 FEM 분석으로부터 서로 다른 위치에서 얻어진다. 이와 유사하게, 상기 프레임을 위하여, 최대 응력은
Figure 112007086647103-PCT00029
이다. 다시, 상기 상수 CFR에 의하여 표현되는 응력과 하중사이의 관계는 FEM 계산으로부터 얻어진다. FEM 계산에서의 하중은 측정에서 사용되는 것과 동일한 것, 즉 s x L 영역상에서 도금의 압력 PPL과, s x (L1+L2)의 영역 상의 프레임용 압력 pFR이 되어야만 한다.
다음, 압력 상의 선체 형상에 대한 영향은 고려되어야만 한다. 수선 입구각(α)은 얼음내로의 인식 속도(indentation speed)에 영향을 주고, 이 속도가 크면 클수록, 얼음 하중은 더 높게 된다. 상기 프레임 각도(β)는 수직적인 굽힘 성분에 영향을 미치고, 상기 수직 프레임이 더 크면 클수록, 하중은 더 크게 된다. 상기 얼음 압력이 몇몇 상수(C(α,β))에 대하여 비례하게 되는 것으로 허용된다면, 상기 측정된 힘은 이러한 상수를 사용하여 모든 다른 위치로 교정될 수 있다. 문제점은 상기 상수를 찾는 것이다. 새로운(1999) 러시아의 선박 빙하 규정(ice class rule)은 다음과 같은 것에 비례하는 하나의 가능한 형상 상수를 사용한다.
Figure 112007086647103-PCT00030
얼음 커버의 동적인 굽힘에 대하여 핀란드에서 발전된 이론은 다음과 같은 형태가 되는 형태 인자(form factor)를 제안한다.
Figure 112007086647103-PCT00031
여기에서, 상기 상수는 C1=4.0이고, βo=8(약 β=15°보다 더 작은 프레임 각도인 경우, 상기 동적인 굽힘은 유효하지 않으며, 따라서 β에 대한 비례성은 더이상 사용되지 않는다)이다. 다음, 얼음 커버의 동적인 굽힘을 기초로 하는 후자의 식이 사용되는 것이 제안된다.
방법2 응력의 외삽
상기 모니터링 시스템은 몇몇 장소에서 도금과 프레임 상의 응력을 측정한다. 또한, 이들 측정된 응력을 다른 영역으로 외삽하는 것이 가능하다. 이 방법은 스캔트링(scantling), 하중 및 응력 사이의 관계를 기초로 한다. 도금의 경우, 응력은 다음에 비례한다.
Figure 112007086647103-PCT00032
여기에서, t는 플레이트의 두께이고, p는 얼음 압력이다. 유사하게, 프레임의 경우 비례성 관계는 다음과 같다.
Figure 112007086647103-PCT00033
여기에서, I는 프레임 스팬이고, Z는 프레임용 탄성 단면 계수(elastic section modulus)이다. 이러한 관계는, 상기 스캔틀링(s,l,t 및 Z)(또한, 제 1 방법에서 상기 형상이 유사하게 고려된다면 α 및 β)이 알려진 위치에서의 상기 측정된 응력을 스캔틀링이 조금 다른 값을 가지는 다른 위치로 변환하기 위하여 사용될 수 있다.
또한, 혹독함의 단일 측정은 본 발명의 실시예에 따른 얼음 하중 모니터링 시스템상에서 디스플레이 되도록 요구된다. 가장 명백한 측정은 항복 응력(σY)에 의하여 나누어지는 측정 패널 응력보다 다른 영역 상에서 측정되거나 또는 유도되는, 즉 계산된 응력이 된다. 각 얼음 하중 이벤트용의 측정 소프트웨어는 플레이트와 프레임 응력 사이의 가장 높은 응력을 찾게 되고, 그 다음 이것을 디스플레이한다(발생되는 최대값이 위치되는 정보와 함께). 따라서, 혹독함(S)의 측정(측정되거나 또는 계산되는 모든 NPL 플레이트 응력이 σPL ,i, i=1,..., NPL로 표시되고, 측정되거나 또는 계산되는 모든 NFR 프레임 응력이 σFR ,i,i=1,..., NFR 로 표시된다면)은 다음과 같다.
Figure 112007086647103-PCT00034
혹독함의 측정 유닛은 양호하게는 [S]=%이고, 본 발명의 실시예에 따라서, 상기 디스플레이는 혹독함 측정의 서로 다른 범위를 위한 컬러 코드를 사용한다.
상기 센서가 위치되는 프레임용 피로 분석은 레인 흐름 방법(Rain flow method)을 사용하여서 이루어질 것이다. 레인 흐름의 계수 루틴(routine)은 상기 모니터링 프로그램으로 구현된다. 상기 레인 흐름 계산은 표준 E 1049-85(1990년에 재승인됨)(미국 시험 및 재료 협회)(The American Society of Testing and Materials)에 따라서 이루어진다. 레인 흐름 분석은 측정된 응력용으로 이루어진다. 예를 들면, 프레임 응력은 4개의 응력 센서로 측정되고, 도금에서 응력은 각 패널 위에서 2개의 응력 센서로 측정된다. 레인 흐름 분석으로부터의 데이터는 양호하게는 보다 이후의 분석을 위한 로그 파일(log file)이다.
도 10은 본 발명의 양호한 실시예에 따른 얼음 하중 측정 시스템에서 사용되는 응력 센서(1000)의 전형적인 전개도를 도시하고, 여기에서 상기 응력 센서(1000)는 응력 감지 소자(1002)를 포함하고, 상기 응력 감지 소자는 예를 들면 저항 및 출력 전압은 구조물(1004)의 스트레인에 비례하는 스트레인 게이지에 의해 구현되고, 그러나, 출력 신호가 구조물의 측정된 스트레인에 비례하는 전기신호로 변환될 수 있는, 음파, 광학 또는 공압 게이지와 같은, 종래 기술로부터 공지된 다른 종래의 응력 감지 소자가 사용될 수 있다는 것은 당업자에게 명백하다.
본 발명의 실시예에 따라서, 상기 응력 감지 소자(1002)는 측정될 구조물(1004)에 대면하도록 채택된다. 상기 응력 센서(1000)는 응력 감지 소자(1002)를 덮는 케이싱(1006)과, 상기 응력 감지 소자에 인접된 기준 감지 플레이트(1008)를 포함한다. 상기 기준 감지 플레이트는 온도 보상용으로 사용된다. 상기 응력 센서(1000)는 측정될 구조물(1004)에 용접될 지지 부재(1010)를 부가로 포함함으로써, 상기 지지 부재(1010)는 적어도 상기 케이싱(1006) 및 기준 신호 플레이트(1008)를 지지한다.
도 11은 본 발명의 양호한 실시예에 따라서 모니터될 구조물(1004) 내로 부착될 때에 상기 얼음 하중 측정 시스템에 사용되는 전형적인 응력 센서(1000)를 도시하고, 여기에서 상기 응력 감지 소자와 이것의 와이어 연결부(양호하게는, 상기 응력 센서 케이싱내)는 기계적인 보호를 위하여 실리콘으로 피복되고, 상기 케이싱은 폿팅 매쓰(potting mass)용으로 밀봉되며, 습기와 부식에 대하여 상기 응력 센서를 보호하기 위하여 폴리우레탄 폿팅 매쓰, 에폭시 등으로 충전된다.
양호하게는, 표면 및 응력 감지 소자 또는 폿팅 매쓰사이에서 물 또는 습기의 침투를 방지하기 위하여, 상기 응력 감지 소자가 부착되는 표면에 옥실란이 적용된다. 양호하게는, 옥실란은 금속 표면과, 폴리우레탄 또는 에폭시와 같은 폿팅 매쓰로 화학적인 합성물을 형성한다.
본 발명이 상술된 실시예를 참조로 하여서 설명되었으며, 본 발명의 몇몇 장점이 증명되었다. 본 발명은 이들 실시예에 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 다음의 첨부된 청구범위의 정신 및 범위 내에 모든 가능한 실시예를 포함함은 명백하다.

Claims (17)

  1. 배(501)의 구조물 상에서 얼음로 인한 하중을 모니터링하기 위한 얼음 하중 모니터링 시스템(500)으로서, 상기 배의 구조물은 적어도 하나의 쉘 플레이트(102)와, 상기 쉘 플레이트(102)에 필수적으로 수직인 수직 프레임(106) 및, 필수적으로 수평면이며 상기 쉘 플레이트(102)에 수직인 종방향 프레임(104)을 포함하는 얼음 하중 모니터링 시스템에 있어서,
    상기 얼음 하중 모니터링 시스템(500)은, 구조물의 변형을 변형에 비례하는 신호로 변환하기 위하여 각각 채택된 응력 센서(S,P,F)의 조합과, 데이터 처리 유닛(506) 및, 상기 센서(S,P,F)와 데이터 처리 유닛(506)을 연결하는 정보 네트워크(508)를 포함하며, 상기 센서의 조합은 적어도 프레임 굽힘 응력 센서(F), 플레이트 응력 센서(P) 및, 프레임 힘 센서(S)를 포함하며, 상기 데이터 처리 유닛(506)은 이후의 분석을 위하여 상기 센서(S,P,F)로부터 신호를 수집하기 위하는 것을 특징으로 하는 얼음 하중 모니터링 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 센서는 몇몇 센서 패널(502,504)로 정렬되며, 이중의 적어도 하나(504)는 하중 수선의 높이에 위치되며, 적어도 하나(502)는 발라스트 수선의 높이에 위치되는 얼음 하중 모니터링 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 센서 패널(502,504) 중의 단지 하나는 시간에 대하여 활성적인 얼음 하중 모니터링 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 활성적인 센서 패널(502,504)의 선택은 배의 하중 상태에 따르는 얼음 하중 모니터링 시스템.
  5. 청구항 1 내지 4중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서는 배의 뱃머리 영역 위에 정렬되며, 특히 상기 영역에서, 얼음 하중 또는 구조물 능력에 대한 얼음 하중은 최대로 되는 것으로 예측되는 얼음 하중 모니터링 시스템.
  6. 청구항 1 내지 5중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프레임 힘 센서(S)는 종방향 프레임(104)과, 상기 종방향 프레임(104)의 중립축(202)위에 장착되는 얼음 하중 모니터링 시스템.
  7. 청구항 1 내지 6중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플레이트 응력 센서(P)는 프레임들과, 상기 종방향 프레임(104)의 중간 스팬사이에서 상기 쉘 플레이트(102)에 장착되는 얼음 하중 모니터링 시스템.
  8. 청구항 1 내지 7중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프레임 굽힘 응력 센서(F)는 프레임 플랜지(104a)와 프레임의 중간 스팬에 장착되는 얼음 하중 모니터링 시스템.
  9. 청구항 1 내지 8중 어느 한 항에 있어서,
    상기 데이터 처리 유닛(506)은 영향 계수 매트릭스로, 상기 각 응력 센서의 신호에 비례하는 측정되는 전단 스트레인 차이를 곱함으로써 상기 구조물상에 작용하는 외부 하중을 결정하도록 채택되는 얼음 하중 모니터링 시스템.
  10. 청구항 1 내지 9중 어느 한 항에 있어서,
    상기 얼음 하중 모니터링 시스템은 센서(S,P,F)가 위치되는 스폿에 부가하여 상기 구조물의 모든 잠재적인 임계 영역에서 상기 하중을 평가하도록 채택되는 얼음 하중 모니터링 시스템.
  11. 청구항 1 내지 10중 어느 한 항에 있어서,
    상기 얼음 하중 모니터링 시스템은 혹독함의 단일 측정을 얻기 위하여 신호를 처리하도록 채택되는 얼음 하중 모니터링 시스템.
  12. 청구항 1 내지 11중 어느 한 항에 있어서,
    상기 얼음 하중 모니터링 시스템은 관찰된 하중에 대한 맞춤 분포 모델을 사용하여서, 소정 시간 주기에서 최대 얼음 하중을 예측하도록 채택되는 얼음 하중 모니터링 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 예측은 제 1 및 제 2 윈도우로 나누어지고, 상기 제 1 윈도우에서의 예측은 예측이 제 2 윈도우에 있는 보다 이후의 주기이며, 상기 얼음 하중 모니터링 시스템은 제 2 윈도우의 예측의 평균에 대해서 제 1 윈도우의 예측의 평균을 비교함으로써 얼음 하중 레벨을 변화시키는 트렌드를 평가하도록 채택되는 얼음 하중 모니터링 시스템.
  14. 청구항 1 내지 8중 어느 한 항에 있어서,
    상기 응력 센서(1000)는 측정될 구조물(1004)에 접착되도록 채택되는 응력 감지 소자(1002)와, 상기 응력 감지 소자(1002)를 덮는 케이싱(1006), 상기 응력 감지 소자에 인접된 기준 감지 플레이트(1008) 및, 측정될 구조물에 용접되도록 된 지지 부재(1010)를 포함하고, 상기 지지 부재(1010)는 상기 케이싱(1006) 및 기준 감지 플레이트(1008)를 지지하는 얼음 하중 모니터링 시스템.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 응력 감지 소자 및 이것의 와이어 연결부는 기계적인 보호를 위하여 실 리콘으로 피복되며, 상기 케이싱은 폿팅 매쓰로 밀봉되고 또한 상기 응력 센서를 습기와 부식으로 부터 보호하기 위하여 폴리우레탄 폿팅 매쓰 또는 에폭시 등으로 충전되는 얼음 하중 모니터링 시스템.
  16. 청구항 14 또는 15에 있어서,
    표면과 응력 감지 소자 또는 폿팅 매쓰사이의 물 또는 습기의 침투를 방지하기 위하여 응력 감지 소자가 부착될 상기 구조물의 표면에 옥실란이 적용되는 얼음 하중 모니터링 시스템.
  17. 청구항 14 내지 16중 어느 한 항에 있어서,
    상기 응력 감지 소자는 저항 및 출력 전압이 구조물의 스트레인에 비례하는 스트레인 게이지에 의하여 구현되거나, 또는 출력 신호가 구조물의 스트레인에 비례하는 광학 게이지에 의하여 구현되는 얼음 하중 모니터링 시스템.
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