선박 안정성

선박 안정성은 선박이 온전하든 손상되든 고요한 물속이나 파도 속에서 어떻게 움직이는지를 다루는 해군 건축과 선박 설계 분야이다.안정성 계산은 무게 중심, 부력 중심, 선박의 메타센터 및 이러한 상호 작용 방식에 초점을 맞춥니다.

역사

선박의 안정성은 해군 건축과 관련된 것으로 수백 년 동안 고려되어 왔다.지금까지 선박 안정성 계산은 경험칙 계산에 의존했으며, 종종 특정 측정 시스템과 관련이 있었습니다.이러한 매우 오래된 방정식들 중 일부는 오늘날에도 해군 건축 서적에서 계속 사용되고 있다.그러나 안정성을 결정하는 미적분 기반 방법의 출현, 특히 1740년대 선박 모형 유역에 대한 피에르 부게르의 메타센터 개념의 도입은 훨씬 더 복잡한 분석을 가능하게 한다.

과거의 주요 조선업체들은 적응형 및 변형형 설계 시스템을 사용했습니다.선박은 종종 사소한 변경만으로 한 세대에서 다음 세대로 복제되었다. 안정적인 설계를 복제함으로써, 대개 심각한 문제를 피할 수 있었다.오늘날 선박은 여전히 이러한 적응 및 변동 프로세스를 사용합니다. 그러나 계산 유체 역학, 선박 모델 테스트 및 유체 및 선박 움직임에 대한 전반적인 이해를 통해 훨씬 더 분석적인 설계가 가능해졌습니다.

가로 및 세로 방수 격벽은 1860년대와 1880년대 사이에 철갑 설계로 도입되었으며 충돌 방지 격벽은 ^[1]1860년 이전에 영국 증기 상선에서 의무화되었습니다.그 전에는 선박의 어느 부분에서든 선체 균열로 인해 전장이 침수될 수 있었다.횡방향 격벽은 비싸지만 파손되지 않은 격벽과 분리된 파손된 격벽에 침수를 제한함으로써 선체 손상 시 선박 생존 가능성을 높입니다.세로형 격벽의 용도는 비슷하지만 과도한 힐링을 방지하기 위해 손상된 안정성 영향을 고려해야 합니다.오늘날 대부분의 선박은 좌현과 우현(횡단 홍수) 부분에서 물을 균등하게 하는 수단을 가지고 있으며, 이는 구조적 응력과 배의 뒤꿈치 및/또는 트림의 변화를 제한하는 데 도움이 됩니다.

애드온 안정성 시스템

애드온 안정성 시스템은 파도와 돌풍의 영향을 줄이기 위해 설계되었습니다.그것들은 잔잔한 바다에서 배의 안정성을 증가시키지 않는다.국제해사기구 국제부하선협약(International Maritan Organization International Convention on Load Lines)은 안정성을 확보하기 위한 방법으로 능동적 안정성 시스템을 언급하지 않았다.선체는 능동 시스템 없이 안정적이어야 합니다.

패시브 시스템

빌지 킬

빌지 용골은 빌지 회전 시 배의 길이를 따라 용접된 길고 종종 V자 모양의 금속 지느러미입니다.빌지 용골은 쌍으로 사용됩니다(선의 각 측면에 하나씩).드물게, 배 한 척이 한 면당 두 개 이상의 빌지 용골을 가질 수 있습니다.빌지 용골은 용기가 롤링할 때 유체역학적 저항을 증가시켜 롤링의 양을 제한합니다.

아웃리거

부력 부유물을 잠그는 데 필요한 힘이나 유체역학 박에 의해 굴림을 줄이기 위해 선박에 아웃리거를 사용할 수 있다.경우에 따라 이러한 돌출부는 혈관을 삼량체로 분류하기에 충분한 크기이며, 다른 혈관에서는 단순히 안정제라고 할 수 있습니다.

안티롤 탱크

안티롤 탱크는 탱크의 좌현에서 우현으로 물의 이동 속도를 늦추기 위해 배플이 장착된 내부 탱크입니다.그것은 배의 높은 쪽에 더 많은 양의 물이 고여 있도록 설계되었다.그것은 자유 표면 효과와 반대되는 효과를 가지기 위한 것이다.

파라반스

파라베인은 어선과 같이 느리게 움직이는 선박에 사용되어 롤링을 줄일 수 있습니다.

액티브 시스템

많은 용기에서 볼 수 있는 능동 안정성 시스템은 펌프, 유압 피스톤 또는 전기 액추에이터의 형태로 시스템에 에너지를 적용해야 합니다.여기에는 용기 측면에 부착된 스태빌라이저 핀이나 유체가 선박의 움직임에 대항하기 위해 펌핑되는 탱크가 포함됩니다.

스태빌라이저 핀

능동형 핀 스태빌라이저는 선박이 항해 중 또는 최근에는 정지 상태에서 발생하는 롤링 현상을 줄여줍니다.이들은 선체 너머로 수면 아래까지 뻗어 있으며 힐 각도와 선박의 회전율에 따라 공격 각도를 변경해 비행기 보조기와 비슷하게 작동한다.유람선이나 요트는 이런 안정장치를 자주 사용한다.

핀을 접을 수 없는 경우, 핀은 선체에 고정된 부속물을 구성하므로 빔 또는 드래프트 엔벨로프를 연장할 수 있으며 추가적인 선체 간격에 대한 주의가 필요합니다.

일반적인 "액티브 핀" 스태빌라이저는 진행 중인 선박의 롤링에 효과적으로 대응하지만, 일부 최신 액티브 핀 시스템은 선박이 진행 중이 아닐 때 롤링을 줄일 수 있습니다.제로 스피드(Stabilization at Stry)라고 불리는 이 시스템은 효과적인 롤 취소 에너지를 생성하기 위해 충분한 가속과 임펄스 타이밍으로 특수 설계된 핀을 이동함으로써 작동합니다.

방향타 롤 안정화

배가 진행 중일 때, 빠른 방향타 변경은 방향을 바꿀 뿐만 아니라 배가 흔들리게 할 것이다.프리깃함과 같은 일부 선박의 경우 이 효과가 너무 커서 제어 알고리즘에 의해 배의 롤링 동작을 줄이면서 동시에 배를 조종할 수 있습니다.이러한 시스템을 일반적으로 "루더 롤 안정화 시스템"이라고 합니다.그 효과는 스태빌라이저 핀의 효과만큼 좋을 수 있다.그러나 이는 선박 속도(높을수록 좋다)와 방향타 위치 결정 시스템의 위치, 크기, 품질 등 다양한 선박 설계 측면(안정기 핀만큼 빠른 동작)에 따라 달라집니다.또한 배가 방향타 동작에 얼마나 빨리 반응하느냐가 중요하다(빠른 것이 좋다)와 회전 속도(느린 것이 좋다)고품질 스티어링 기어와 선미 강화 비용이 높음에도 불구하고, 이 안정화 옵션은 스태빌라이저 핀보다 더 나은 경제성을 제공합니다.설치가 적고 취약성도 낮으며 드래그도 줄어듭니다.더 좋은 점은 필요한 고품질 구성 요소는 롤링 감소가 필요하지 않은 기간에도 탁월한 조향 특성을 제공하고 수중 소음을 크게 줄여줍니다.이 안정화 솔루션을 탑재한 해군 함정은 F124(독일), M-프레가트 및 LCF(네덜란드 해군 모두)입니다.

자이로스코프식 내부 안정기

자이로스코프는 1920년대 후반과 1930년대 초반에 군함과 여객선을 위해 배의 흔들림을 제어하는 데 처음 사용되었다.배의 흔들림을 제어하기 위해 큰 자이로를 가장 야심차게 사용한 것은 이탈리아 여객선인 SS 콘테 디 사보이아호였는데, 이 여객선에 세 개의 큰 스페리 자이로가 배의 앞부분에 장착되었다.서쪽 방향 주행에서 롤링을 대폭 줄이는 데 성공했지만 안전상의 이유로 동쪽 방향 주행에서 시스템을 분리해야 했다.이는 뒤따르는 바다(그리고 이로 인해 발생한 깊은 느린 롤링)로 인해 선박이 시스템을 켠 상태에서 '걸리는' 경향이 있었고, 관성으로 인해 선박이 무거운 ^[2]롤링에서 벗어나기 더 어려웠기 때문입니다.

자이로 스태빌라이저는 회전하는 플라이휠과 선체 구조에 보트 정류 토크를 가하는 자이로스코프 세차 운동으로 구성됩니다.자이로 플라이휠의 각 운동량은 외부 토크로 작용하지 않는 한 플라이휠이 축을 중심으로 계속 회전하는 정도를 측정하는 것입니다.각운동량이 높을수록 자이로의 외부 토크에 대한 저항력이 커집니다(이 경우 보트 롤을 취소할 수 있는 능력이 높아집니다).

자이로스코프는 스핀축, 입력축, 출력축의 3개의 축을 가진다.스핀 축은 플라이휠이 회전하는 축이며 보트 자이로의 경우 수직입니다.입력 축은 입력 토크가 적용되는 축입니다.보트의 경우 주요 입력 축은 보트의 세로 축입니다. 이 축은 보트가 롤링하는 축이기 때문입니다.주요 출력 축은 자이로가 입력에 반응하여 회전하거나 세차하는 가로(경로) 축입니다.

보트가 롤링할 때 회전은 자이로에 대한 입력으로 작용하여 자이로가 출력 축을 중심으로 회전을 생성하여 스핀 축이 입력 축과 정렬되도록 합니다.이 출력 회전을 세차라고 하며 보트 케이스에서는 자이로가 출력 또는 짐벌 축을 중심으로 앞뒤로 회전합니다.

각운동량은 자이로 스태빌라이저의 효율 측정값으로 디젤 엔진의 마력 정격 또는 발전기의 킬로와트와 유사합니다.자이로 스태빌라이저 사양에서는 총 각운동량(관성 모멘트에 스핀 속도를 곱한 값)이 핵심량이다.최신 설계에서는 출력 축 토크를 사용하여 스태빌라이저 핀(위 참조)의 각도를 제어하여 작은 자이로스코프만 있으면 되도록 보트의 롤링을 상쇄할 수 있습니다.배의 지느러미 안정기를 제어하는 자이로의 아이디어는 1932년 제너럴 일렉트릭 과학자인 알렉산더슨 박사에 의해 처음 제안되었다.그는 티라트론 진공관에 ^[3]의해 작동 명령이 생성되는 스태빌라이저 핀의 전기 모터로 전류를 제어하는 자이로를 제안했다.

계산된 안정성 조건

선체를 설계할 때 용기의 온전하고 손상된 상태에 대한 안정성 계산이 수행됩니다.선박은 보통 분류 협회에 의해 테스트되기 때문에 일반적으로 안정성 요건(아래)을 약간 초과하도록 설계된다.

온전한 안정성

온전한 안정성 계산은 비교적 간단하며 용기의 무게 중심과 선체의 부력 중심을 식별하기 위해 계산/계산되는 용기의 모든 물체 질량의 중심을 취하는 것과 관련이 있다.일반적으로 화물 배치 및 적재, 크레인 운영 및 설계 바다 상태가 고려된다.오른쪽 그림은 무게 중심이 부력의 중심보다 훨씬 위에 있지만 배는 안정적인 상태를 유지하고 있다는 것을 보여준다.배가 안정되어 있는 것은 선체의 한쪽이 물에 잠기기 시작하고 다른 한쪽이 물에 잠기기 시작했기 때문입니다.이로 인해 부력의 중심이 수심이 낮은 쪽으로 이동하게 됩니다.부력의 중심이 배의 뒤꿈치처럼 무게중심의 바깥쪽으로 이동하도록 하는 것이 해군 설계사의 일이다.부력의 중심에서 약간 기울어진 상태에서 수직으로 그어진 선이 중심선과 교차하며, 메트로센터라고 불리는 지점에서 교차합니다.무게중심보다 용골 위에 있는 한 배는 직립상태에서 안정적입니다.

손상 안정성(파손 상태에서의 안정성)

손상 안정성 계산은 온전한 안정성 계산보다 훨씬 복잡합니다.영역과 볼륨이 다른 방법을 사용하여 계산하기에 빠르게 지루하고 길어질 수 있기 때문에 수치 방법을 사용하는 소프트웨어가 일반적으로 사용됩니다.

홍수로 인한 안정성 손실은 부분적으로 자유 표면 효과 때문일 수 있다.선체에 축적된 물은 보통 빌지로 배출되어 무게 중심을 낮추고 실제로 감소합니다(GM을 증가시키면 물이 바닥 무게로 추가되기 때문에 증가한다고 읽어야 합니다).이것은 배가 정지해 있고 똑바로 서 있다고 가정합니다.그러나 배가 어느 정도 기울면(예를 들어 파도가 부딪치면) 빌지의 유체가 낮은 쪽으로 이동한다.그러면 목록이 생성됩니다.

예를 들어 빈 탱크가 바닷물로 채워지면 홍수로 인해 안정성이 상실된다.탱크의 부력을 잃으면 배의 그 부분이 물속으로 약간 내려갑니다.이렇게 하면 탱크가 혈관의 중심선에 있지 않은 경우 목록이 생성됩니다.

안정성 계산에서는 탱크가 채워질 때 탱크의 내용물이 유실되고 바닷물로 대체되는 것으로 가정한다.이러한 함량이 해수(경유 등)보다 가벼우면 부력이 손실되고 그에 따라 물속에서 약간 낮아진다.

상선의 경우, 그리고 점점 더 많은 여객선의 경우, 손상 안정성 계산은 확률론적 성질의 것이다.즉, 선박의 한 구획의 고장을 평가하는 대신, 2칸 또는 3칸까지 침수되는 상황도 평가됩니다.이는 컴파트먼트가 파손될 확률과 선박의 결과를 결합하여 특정 규정을 준수해야 하는 손상 안정성 지수 수치를 산출하는 개념이다.

필요한 안정성

Bureau Veritas, American Bureau of Shipping, Lloyd's Ships Register, Korean Register of Shipping, Det Norske Veritas와 같은 분류 협회에 받아들여지기 위해서는 분류 협회의 독립적인 검토를 위해 선박 설계도를 제공해야 한다.또한 선박에 깃발을 다는 국가의 규정에 명시된 구조를 따르는 계산도 제공해야 한다.

이 프레임워크 내에서 서로 다른 국가는 충족해야 하는 요건을 확립한다.미국 국적 선박의 경우 청사진과 안정성 계산은 미국 연방규정집과 SOLAS(Safety of Life at Sea Conventions)와 대조된다.선박은 파손되지 않은 상태와 파손되지 않은 상태 모두에서 설계된 조건에서 안정되어야 합니다.설계에 필요한 손상 정도는 규정에 포함되어 있다.가정된 구멍은 선박의 길이와 폭의 일부로 계산되며 선박 안정성에 가장 큰 손상을 줄 수 있는 선박 영역에 배치되어야 한다.

또한 미국 해안경비대 규정은 미국 항구와 미국 해역에서 운항하는 선박에도 적용된다.일반적으로 이러한 해안경비대 규칙은 최소 미터 중심 높이 또는 최소 적정 모멘트를 포함합니다.국가마다 최소 미터 중심 높이에 대한 요구사항이 다를 수 있기 때문에, 대부분의 선박은 현재 화물 또는 승무원 적재량에 기초하여 이 거리를 즉시 계산하는 안정성 컴퓨터를 갖추고 있습니다.이 작업에 사용되는 많은 상업용 컴퓨터 프로그램이 있습니다.

선박 등급에 따라 안정성 서신 또는 안정성 책자를 기내로 ^[4][5]휴대해야 합니다.

「 」를 참조해 주세요.

• 자유 표면 효과 – 느슨한 탱크 내 액체 효과
• 진행 중이 아닌 동안 안정화
• 메리 로즈 – 영국 튜더 해군의 캐락형 군함
• 크로난(선박)– 1670년대 스웨덴 해군 함정
• SS 이스트랜드 – 1915년 시카고에서 전복된 여객선
• 니오베(스쿠너)
• 파미르(선박) – 독일 범선
• 경사시험 – 선박의 안정성, 경량, 무게중심을 결정하는 시험
• 동작의 출하– 6 자유도에 관련된 용어

레퍼런스

• 제목 46 미국 연방 규정 강령
• 2007년 강선 건조 및 등급 부여 ABS 규칙
• 일반적인 롤 감쇠 전략의 개요