본 논문에서는 선체의 선수(船首)의 형상에 따른 유체의 유동에 관하여 연구 하였다. 선수(船首) 부분에 유체유동을 알아보고 압력과 속도를 비교하여 보다 나은 설계를 분석 하였다. 두 가지 형상설계를 기본 바탕으로 하였으며, 두 가지 형상에 세 가지 속도를 비교해 보았다. 설계된 선체 중 해석을 한 부분은 침수면을 해석 하였으며, 침수면 제외한 부분은 유동장 해석에서 생략하였다. 속도와 선체의 형상을 비교함으로써 더 효율적인 설계형상을 도출해 낼 수 있다.
파랑 중에서 선체의 운동은 선체의 형상과 선속변화에 따라 다양하게 나타나며, 관련연구는 실험적 방법과 수치 해석을 함께 병행하여 지속적으로 진행되고 있다. 파랑조건에 적합한 최적 선형 확보는 선체의 운동응답 결과로 고찰할 수 있다. 파랑 중 선체의 운동응답을 알아보기 위해 초기 선형인 Wigley 선형에 적용하였으며, 수치해의 정도를 선행연구결과와 비교분석하였다. 그리고 서로 다른 모델에 대하여 나타나는 운동응답을 상호 비교하였다. 형상에 따른 Wigley 선형의 선체 운동응답에 대하여 일반화된 선형형상에서 나타날 수 있는 파랑 중 운동응답을 얻을 수 있었다.
소형어선이나 일반적인 활주형선형은 부분적인 형상 수정을 거치게 되면 3차원 곡면으로 이루어진 선체의 외판을 2차원 평면상에 전개하여 표현할 수 있다는 특성을 가지고 있다. 이러한 점을 활용하여 전개도형에 따라서 제작된 얇은 FRP 판재를 선 요소들로 정의된 형틀 상에서 변형시켜 선체의 형상을 만들고 그 내부에 추가로 FRP를 적층 함으로서 선체를 완성하는 방법을 제안하고자 한다.
3차원 자유곡면의 교차문제는 기하학적인 방법과 수치적인 방법으로 해결할 수 있으며, 지금까지는 일반적으로 선체형상의 단면을 얻기 위해서 기하학적인 방법인 곡면분할 기법을 사용하여 왔다. 본 논문에서는 할선법, 선형보간법 및 반분법 등 간단한 수치해석 방법들을 사용하여서, Bi-Cubic B-Spline Surface로 표현된 선체형상과 임의의 평면에 의해 교차된 선체 단면형상을 갖는 방법을 수행하여 비교 검토하고자 한다. 곡면간의 교체문제는 임의의 단면형상 파악, 선도작성 및 offset Table 구성에 직접 응용되어진다.
본 연구에서는 제한된 수로를 운항하는 선체주위의 유동특성에 관한 연구를 수행하고자 하였다. 일반적으로 운하 또는 하천을 운항하는 선박의 경우 제한된 수심의 영향으로 천수효과가 발생하게 된다. 이러한 천수의 효과와 제한된 폭의 영향으로 선수부분에서 선체보다 선행하는 파도가 전파되어 나아가기도 하며, 이로 인하여 선박은 보다 많은 조파저항을 받게 된다. 본 연구에서는 임의의 형상을 갖는 선체가 폭과 수심이 제한된 운하를 임계속도 근처에서 운항하는 경우에 관하여 폭과 수심을 변화시켜가며 수치계산을 수행하여, 제한수로에서의 임의의 선체주위의 유동특성을 관찰하고자 하였다. 수치계산은 MAC(Marker And Cell)법을 기초로 한 유한차분법(Finite Difference Method)을 사용하였으며, 계산에 사용된 격자계는 임의의 형상에 관하여 격자생성이 용이한 직사각형 격자계(Rectangular Grid System)를 사용하였다.
지금까지 선체구조 설계 관련 정보는 주로 도면을 통해서 전해져 왔으나 최신의 컴퓨터 관련 기술인 CAD 시스템이나 DBMS등을 이용하면 설계과정에서의 중복작업을 없앰으로서 설계생산성을 크게 높일 수 있다. 본연구에서는 선체구조 설계 관련 정보를 데이터 베이스관리시스템을 통하여 일관화하기 위해서 선체 중앙부 구조부재들의 배치형상과 속성정보들에 대한 데이터 모델링을 시도하였으며, 그 적용예로서 산적화물선의 중앙부 구조형상을 컴퓨터 그래픽을 이용하여 가시화 하였다. 데이터모델의 구조는 관계형으로 하였으며 선체구조의 접속관계정보를 이용하여 구조부재의 배치형상처리를 용이하게 하였다. 결과로서 나온 데이타 관계형 데이터베이스 관리시스템 'ORACLE'을 통해 저장되고 질의어를 통해 다른 시스템에서 직접 사용될 수 있음을 보였다.
선형개발을 위해서는 다양한 많은 모형이 필요하며, 자유곡면으로 구성된 여러 가지 선체형상을 완전히 수작업으로 제작하기에는 어렵고, 많은 오차를 내포한다. 고가의 모형삭성기를 대체할 수 있는 자유곡면 가공기계 개발의 초기단계로서 선체형상을 위한 자유곡면 모델링 및 모형 자동 가공 CAD/CAM시스템을 개발 제작하고자 한다. 본 논문에서는 선체형상을 기존의 방법과는 달리 자료점을 조정점으로 가정하는 방법을 사용하는 NURBS로 정의하였고, 정의된 선체형상을 부드러운 3차원 곡면으로 가시화하였다.
선체 형상을 표현하기 위하여 Bi-Cubic B-spline이 가장 널리 사용되고 있다. B-spline곡선 곡면 정의에 있어서 입력 데이터가 불규칙하거나, 주어진 데이터의 갯수가 많은 경우, 또는 형상이 복잡한 경우에 주어진 형상의 부드러운 곡선 곡면(Smooth curves or surfaces)을 재현할 수 있는 역행렬을 구하기 어렵다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 새로운 버텍스 산출법(ISE 방법: Image Surface Expansion Method)을 제시한다. 곡선정의를 이용하여 ISE방법을 검증하였고, 수렴성을 확인하였다. 또한 선체형상을 정의하였으며, Open Uniform B-spline으로 형성된 곡면과 비교하였고, ISE방법의 신뢰도를 검증하였다.
Chine형 선체단면 주상체의 자유표면에서의 상하운동에 수반되는 부가질량과 감쇠력을 Ursell-Tasai 방법에 의하여 계산하였다. Chine형에서 구하여진 결과는 같은 선체단면적 계수와 반폭흘수비를 갖는 등가 Lewis형의 결과와 비교하였고 선체단면의 형상이 부가질량 및 감쇠력에 미치는 영향을 고찰하였다. Chine형과 등가 Lewis형 선체단면 주상체에 파고가 일정한 횡파가 입사할 때의 상하운동을 고찰하였다. 이상과 같은 계산 및 고찰을 통하여 다음 결과를 얻었다. 1) 자유표면이 부가질량에 미치는 영향은 chine형이 등가 Lewis형단면보다 큰 값을 갖는다. 2) 선체단면적계수와 반폭흘수비가 같은 경우에 감쇠력의 크기는 Lewis form, single chine, double chine순서이다. 3) 선체단면계수와 반폭흘수비는 상하운동에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 생각되며, 선체단면의 기하학적인 변형이 운동에 미치는 영향은 중요한 요소가 되질 못한다. 4) 감쇠력계수와 선체단면계수와의 관계는 간단한 관계를 유지한다.
Chine형(型) 선체(船體)의 상하진동시(上下振動時) 수선하(水線下) 선체표면(船體表面)에 작용(作用)하는 2차원적(次元的) 유체압력(流體壓力)의 분포특성(分布特性)을 고찰(考察)할 목적(目的)으로 앞서 발표(發表)한 논문(論文) [1]에서 채용(採用)했던 Chine형(型) 선체단면형상(船體斷面形狀)을 주는 2경수군(徑數群) 등각사상함수(等角寫像函數)를 이용(利用)하여 변동압력(變動壓力)의 분포(分布)를 계산(計算)하고 이를 Hypotrocoid성질(性質)을 갖는 Lewis form, 원단면(圓斷面), 타원단면(楕圓斷面), 삼각형단면(三角形斷面) 및 사각형단면(四角形斷面) 등(等) 여러 가지 다른 단면형상(斷面形狀)을 가지는 주상체(柱狀體)들의 경우(境遇)와 비교검토(比較檢討)하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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