JFMSE, 26(4), pp. 686 694, 2014. www.ksfme.or.kr 수산해양교육연구 제 권 제 호 통권 호 , 26 4 , 70 , 2014. http://dx.doi.org/10.13000/JFMSE.2014.26.4.686
.
서 론Ⅰ
선박은 운항 중에 복잡한 연성운동을 하므로 인간이 느끼는 뱃멀미의 정도가 다른 수송체 보 다도 높다고 할 수 있다 이와 같이 선박의 동요 . 가 심해지면 인지능력의 감소 인체의 피로 뱃멀 , , 미 활동성의 감소 등과 같은 좋지 않은 결과를 , 초래하기도 한다 그 중에서 뱃멀미는 인체의 피 . 로와 유사한 증상으로 나타나면 심리적 또는 물 리적 측면에서 업무지장 판단력과 집중력 감소 , 또는 작업수행 능력이 급격히 떨어지고 정신적
활동의 지연과 오류를 유발한다 그리고 뱃멀미 . 로부터 회복하는데도 상당한 시간이 소요된다.
최근 국제노동기구 (ILO) 가 주관하는 해사노동협 약 (Maritime Labour Convention) 에서는 멀미가 거 주환경과 관련이 있다고 보고 거주설비의 개선을 위한 관련규정을 발효할 예정이다.
선체운동과 관련된 뱃멀미 지수인 MSI(Motion 에 대한 연구도 다양하게 이루 Sickness Incidence)
어져 왔다 . Jung and Lee(2008) 는 승선감에 가장 밀접한 관계가 있는 멀미증상이 어떤 요인에 의 해 발생되는지 멀미증상이 유발되면 어떤 현상 ,
실습선의 선형 변화에 따른 멀미 지수 개선 연구
한승재 이승철 하영록
*
정이규**
김인철( 부경대학교 * 거제대학교 ** 한국해양수산연수원)
A Study on the Improvement of MSI by Ship Hull Form Modification of the Training Ship
Seung-Jae HAN Seung-Chul LEE Young-Rok HA ㆍ ㆍ * ㆍ Iee-Gyu JEONG ** ㆍ In-Chul KIM ( Pukyong National Universityㆍ * Koje Collegeㆍ ** Korea Institute of Maritime and Fisheries Technology )
Abstract
Research on ship motion and seasickness is recognized as the important research area to ensure the pleasant operative environment in addition to the research of operation safety of ship. In this paper, The motion performance in waves for the training ship Kaya of Pukyong National University is obtained by using the computer program based on Strip method. To guarantee the pleasant seafaring in ocean, the vertical acceleration of ship motion is calculated according to the hull form modification. The results of calculation by changes of hull form are compared with the guideline of MSI(Motion Sickness Incidence).
The degree of motion sickness is shown and discussed through the comparison between calculated vertical acceleration spectrum and MSI guideline.
Key words : Training ship, Vertical acceleration, MSI(Motion Sickness Incidence), Hull Form Modification
Corresponding author : 051-629-6611, [email protected]
(2014) .
이 초래되는지를 연구하였다 . Yoon, et al.(2008) 은 해상상태에 따른 수직가속도 분석을 위하여 선내 의 여러 위치에서 가속도를 계측하여 멀미의 정 도를 평가하였다.
는 승객이 O'Hanlon and McCauley(1973, 1974)
일정한 주파수와 수직가속도 운동에 대해서 시 2 간 동안 노출되었을 경우 뱃멀미의 발현확률을 , 백분율로 표시한 뱃멀미 지수인 MSI(Motion 의 계산식을 제안하고 진폭 및 Sickness Incidence) ,
주파수에 대하여 500 가지 경우를 실험하여 , MSI 를 평가하였다 그리고 . (Lawther and Griffin(1986)) 는 뱃멀미와 운동 가속도의 상관관계에 대한 연 구에 의해 MSI 를 평가하여 왔다 . Maxsurf
프로그램을 이용하여 대학 실습선의 운 Seakeeper
항 환경을 파악하기 위하여 입사파와 선속 변화 에 따른 조우각과 운동 수직가속도의 상관관계를 연구한 사례 (Ku Youn-Kyoung 2012) 도 있다 . 프로그램을 이용하여 선체운동 Maxsurf Seakeeper
계산기법을 통해서 수직가속도를 계산하고 수직 , 가속도 스펙트럼을 이용하여 MSI 를 계산한 연구 (Han Seung-Jae, 2013, Han, et al. 2014(1),
도 있다 2014(2)) .
해기사 양성을 목적으로 하는 대학 실습선은 운항의 안전성 및 쾌적한 승선감을 확보하기 위 해서 인체의 피로나 인지능력의 저하를 최대한 줄여야 한다 본 논문에서는 . MSI 개선을 주된 목 적으로 하여 실습선의 LCB(Longitudinal Center of
를 변경하여 운항의 안전성 및 쾌적한 Buoyancy)
승선감을 확보하도록 하였다 . 실습선인 가야호 선형과 수정된 선형을 대상으로 각 선체의 운동 가속도를 계산하고 가야호 선형과 수정된 선형 , 의 각 위치별 수직가속도의 변화에 따른 MSI 를 평가하였다.
이론적 배경
.
Ⅱ
뱃멀이에 대한 기준
1. ISO 2631-3
뱃멀미와 피로에 대한 ISO 2631-3(1985) 의 기 준은 승객의 쾌적한 승선감 평가를 위하여 만들 어졌으며 일반적으로 통용되고 있다 , .
10 8.0 6.3 5.0 4.0 3.15 2.5 2.0 1.6 1.25 1.0 0.8 0.63 0.5 0.4 0.315 0.25 0.2 0.16 0.125
0.1 0.63 0.785 1.0 1.26 1.57 1.98 2.51 3.14 3.96 5.03 6.28
8h (tentative)
2h 30 min
Motion sickness region
Frequency or centre frequency of one-third octave band, rad/s
Acceleration(r.m.s.), m/s2
[Fig. 1] ISO 2631-3 severe discomfort boundaries
은 뱃멀미에 적응이 되지 않은 성인 남 [Fig. 1]
녀의 기준으로 ISO 2631-3 을 기준으로 작성한 그 래프이며 각 그래프는 조우주파수에 대해 , 30 , 분
시간 시간 노출 했을 때의 수직가속도의
2 , 8 RMS
값의 범위를 나타내고 있다.
의 불쾌감 영역은 가속도와 주파수 ISO 2631-3
와의 관계를 정한 것으로 주파수의 함수와 가속
공하고 있다 . ISO 2631-1(1997) 에서는 멀미 발생 과 연관된 변수로 진동의 축 진동 주파수 진폭 , , 과 노출시간 등을 제시하였다 특히 진동주파수 . , 가 0.1 0.5Hz ∼ 의 저주파수 영역의 운동에서 멀미 증상이 가장 잘 나타나는 운송수단은 선박이며, 멀미의 발생 가능성이 높은 것으로 분석하고 있 다 .
프로그램에 대한 2. Maxsurf Seakeeper MSI
계산
상용코드 (Maxsurf Seakeeper V.11, 2004) 프로그 램에 대한 뱃멀미 지수 또는 MSI 에서는 구토 증 상을 보이지 않을 정도의 뱃멀미로서 수직가속 , 도를 느낄 수 있는 사람 수에 따라 결정된다 멀 . 미 여부는 가속도와 주파수에 크게 의존하므로 선박의 다양 (ISO 2631-3, 1985; BS 6841, 1987)
한 위치에서 평가된 MSI 에 대해서 노출시간에 따라 제공된 표준 곡선에 대한 데이터와 관심 지 점의 수직가속도의 크기에 대해서 변화되는 MSI 곡선을 중첩하여 나타낸다(Maxsurf Seakeeper Version 11.0 User Manual, 2004).
의 관심 지점의 주파수를 중심으로 옥
MSI 1/3
타브 범위 (1/3 octave band) 에서 수직가속도 스펙 트럼의 적분에 의해 구하며 다음의 식을 이용하 , 여 계산된다.
여기서 주파수 간격 에서 는 을 중심 으로 1/3 옥타브 범위이고 , 가속도는 선 박의 관심 지점에서의 절대 수직가속도 스펙트럼 이다 중심 주파수를 변화시킴으로써 수직 . MSI 가속도의 그래프를 만들고 표준 곡선과 비교하여
가 도출된다
MSI .
선형 변경에 따른 개선
. MSI
Ⅲ
선형의 보정 1.
본 논문에서는 선박의 MSI 개선을 주된 목적 으로 하여 가급적 선박의 주 제원을 변화시키지 않고 , LCB (longitudinal center of buoyancy) 의 수 정을 통해서 수정 선형을 도출하였다.
수정선형은 <Table 1> 과 같이 실습선 가야호의 를 전후로 이동하여 선수미 형상을 변 LCB ±3%
화시켰다 . CASE #1 선형은 실습선 가야호의 를 선수방향으로 이동시켜 형 선수부와
LCB 3% U
형 선미부 횡단면 형상을 갖도록 변화시켰다
V .
선형은 실습선 가야호의 를 선미방
CASE #2 LCB
향으로 3% 이동시켜 형 선수부와 형 선미부 V U 횡단면 형상을 갖도록 변화시켰다.
Number of
case LCB Modification
Original ship 51.69% Original hull form CASE #1 54.69% Bow U hull form –
Stern V hull form –
CASE #2 48.69% Bow V hull form – Stern U hull form –
<Table 1> Cases of The Modifications of Hull Form
는 수정된 각 선형의 값을 보이고
[Fig. 2] LCB
있다 . [Fig. 3] 과 [Fig. 4] 는 가야호 선형과 수정된 선형을 비교하여 나타내고 있다 실선은 가야호 . 의 선형을 나타내고 점선은 , LCB 를 ±3% 가 되도 록 변경된 수정 선형을 나타내고 있다 .
여기서 U, V 형 선수미 횡단면 현상은 [Fig. 3, 에서 보는 바와 같이 기존의 가야호와 비교하 4]
여 선수미 방향으로 횡단면적이 증가하거나 갑소
한 것을 나타낸다 .
Comparisons of LCB
Training Ship of Kaya
CASE #1
CASE #2
[Fig. 2] LCB Location Variation of MSI Modification
[Fig. 3] Comparisons of hull forms (original ship & CASE #1)
[Fig. 4] Comparisons of hull forms (original ship & CASE #2)
저항성능 및 복원성능 검토 .
Ⅳ
선박 선형설계의 가장 중요한 요소 중의 하나 가 저항성능이다 . 선형수정이 선박의 저항추진 성능에 미치는 영향을 전 저항 (Total Resistance) 과 유효마력 (EHP, Effective Horsepower) 의 관점에서 비교하였다 마찰저항은 . ITTC 1957 년 실선과 모 형선의 상관곡선 (ITTC(1957)) 으로부터 계산하였 고 유효마력은 , ITTC 1978 년 방법 (ITTC(1978)) 을 이용하여 추정하였다.
와 는 선속에 따른 저항추정
<Table 2> [Fig. 5]
결과이다 . [Fig. 5] 에서 실선은 가야호의 결과이 고 , 점선은 CASE #1 의 결과이고 , 일점쇄선은
의 결과이다 저속에서는 차이가 없지만
CASE #2 .
고속으로 갈수록 CASE #1 의 선형은 가야호 선형 에 비해 최대 2.8% 정도 저항이 증가하고 , CASE
의 선형은 최대 감소하는 것을 알 수 있다
#2 1.3% .
Speed(knot) 5 6 7
Resistance (kN)
Original
ship 12.04 16.97 22.77
CASE #1 11.94 16.83 22.59 CASE #2 12.17 17.16 23.01
Speed(knot) 8 9 10
Resistance (kN)
Original
ship 29.51 37.42 47.09
CASE #1 29.30 37.24 47.05 CASE #2 29.80 37.75 47.38
Speed(knot) 11 12 13
Resistance (kN)
Original
ship 59.15 74.52 93.98
CASE #1 59.46 75.50 96.06 CASE #2 59.29 74.32 93.19
Speed(knot) 14 15 16
Resistance (kN)
Original
ship 120.24 155.99 194.66 CASE #1 124.23 163.00 204.94 CASE #2 118.43 152.48 189.28
Speed(knot) 17 18
Resistance (kN)
Original
ship 230.09 268.83 CASE #1 243.16 285.04 CASE #2 223.17 260.20
<Table 2> Predictions of Total Resistance
[Fig. 5] Comparisons of Total Resistance
과 은 유효마력 추정 결과이
<Table 3> [Fig. 6]
다 . [Fig. 6] 에서 실선은 가야호의 결과이고 점선 , 은 CASE #1 의 결과이고 일점쇄선은 , CASE #2 의 결과이다 유효마력의 추정값은 저항추정 결과와 . 유사한 경향을 보임을 알 수 있다 . CASE #1 의 선형은 선수부 형상이 형이므로 U CASE #2 의 선 형에 비해 횡단면적이 크기 때문에 조파저항과 점성형상 저항을 포함한 전체저항이 커진다 이 . 에 따라 유효마력도 커지는 것으로 사료된다.
Speed(knot) 5 6 7
EHP (KW)
Original
ship 31.04 52.39 82.11
CASE #1 30.78 51.96 81.46
CASE #2 31.37 52.95 82.97
Speed(knot) 8 9 10
EHP (KW)
Original
ship 121.55 173.27 242.42 CASE #1 120.70 172.41 242.20 CASE #2 122.76 174.77 243.91
Speed(knot) 11 12 13
EHP (KW)
Original
ship 334.97 460.04 628.84 CASE #1 336.70 466.11 642.82 CASE #2 335.74 458.80 623.59
Speed(knot) 14 15 16
EHP (KW)
Original
ship 866.54 1203.74 1602.83 CASE #1 895.26 1257.80 1687.54 CASE #2 853.44 1176.65 1558.56
Speed(knot) 17 18
EHP (KW)
Original
ship 2012.87 2489.38 CASE #1 2127.15 2639.43 CASE #2 1952.32 2409.47
<Table 3> Predictions of EHP
은 비손상시 복원성을 나타내는 값
[Fig. 7] GZ
의 계산결과이다 . [Fig. 7] 에서 실선은 가야호의 결과이고 점선은 , CASE #1 의 결과이고 일점쇄선 , 은 CASE #2 의 결과이다 . CASE #1 의 선형이 가
단된다 .
[Fig. 6] Comparisons of EHP
[Fig. 7] GZ Calculations
결과 고찰
.
Ⅴ
운항중인 선박의 선내 위치별 가속도는 선체운 동계산 기법을 통해서 구하고 수직가속도 스펙 , 트럼을 이용하여 가야호의 MSI 를 계산하였다 .
는 가야호의 주 제원을 나타내고 있다
<Table 4> .
Principal dimension Present Length between perpendiculars
Breadth moulded Draught Fore Draught After Centre of gravity above base Longitudinal radius of gyration
Transverse radius of gyration
73.93 13.20 3.8 5.5 4.831
- -
73.93 13.20 3.4 5.6 4.831 0.25L 0.375B
<Table 4> Main Particulars of Kaya. (unit : m)
수치계산 조건은 <Table 5> 와 같다 여기에서 . ,
풍력계급 는 평균풍속은 유의
Beaufort 5 9.41 m/s, 파고는 2.0 m, 평균파주기는 5.46 sec 를 나타낸다 .
Item Calculation condition
Beaufort scale No.5
Encounter angle 120 , 150 , 180 〫 〫 〫
Ship speed 12knot
Locations
A = Bridge (54.04, 0.0, 14.18) B = Engine Room
(26.58, 4.20, 4.10) C = Accommodation
(44.60, 2.73, 4.41)
<Table 5> MSI of Calculation Condition
은 선교 에서의 계산결
[Fig. 8]~[Fig. 10] (A) MSI 과를 나타내고 있다 실선은 가야호의 결과이고 . , 점선은 CASE #1 의 결과이며 일점쇄선은 , CASE
의 결과이다 선형이 가야호 선형에
#2 . CASE #1
비해 입사각이 120° 에서는 12.42%, 150° 에서는
에서는 정도 수직가속도의 감
12.8%, 180° 13.0%
소율을 보였다.
[Fig. 8] Vertical Acceleration Due to LCB in 120°
은 기관실 에서의 계
[Fig. 11]~[Fig. 13] (B) MSI 산결과를 나타내고 있다 실선은 가야호의 결과 . 이고 점선은 , CASE #1 의 결과이고 일점쇄선은 ,
의 결과이다 선교에서와는 다른 경향을
CASE #2 .
보이고 있다 . CASE #2 선형이 가야호 선형에 비 해 수직가속도의 감소율이 작지만 큰 차이를 보 , 이지 않고 있다.
[Fig. 9] Vertical Acceleration Due to LCB in 150°
[Fig. 10] Vertical Acceleration Due to LCB in 180°
[Fig. 11] Vertical Acceleration Due to LCB
in 120°
[Fig. 12] Vertical Acceleration Due to LCB in 150°
[Fig. 13] Vertical acceleration due to LCB in 180° 〫
[Fig. 14] Vertical Acceleration Due to LCB in 120°
은 거주구역 에서의 [Fig. 14]~[Fig. 16] (C) MSI 계산결과를 나타내고 있다 실선은 가야호의 결 .
의 결과이다 선형이 가야호
CASE #2 . CASE #1
선형에 비해 입사각이 120° 에서는 6.03%, 150° 에 서는 8.96%, 180° 에서는 10.63% 정도 수직가속도 의 감소율을 보였다.
[Fig. 15] Vertical Acceleration Due to LCB in 150°
[Fig. 16] Vertical Acceleration Due to LCB in 180°
.
결 론Ⅵ
