예부선의 다물체 동역학 모델링 및 안정성 판별

Abstract

예부선 시스템은 예선(Towing Vessel)과 예인줄(Towline), 그리고 부선(Towed Ship)으로 구성된 다물체(Multi-body) 시스템이다. 예선과 부선은 예인줄을 통해 상호작용하므로 단독 선박에 비하여 조종성능이 제한되며, 사고 위험성이 높다. 따라서 예부선 시스템의 거동을 분석하고, 안정성을 판별하는 것이 필수적이다.

본 연구에서는 예선의 속도가 일정한 경우를 대상으로, 다물체 동역학 기법 중 하나인 절대 좌표계법을 적용하여 예부선 시스템의 운동방정식을 모델링 하였다. 부선에 작용하는 유체력을 계산하기 위해 MMG모델을 이용하였다. 예인줄의 휨과 예인줄이 수중에 잠기는 상황을 고려할 수 있도록 하였으며, 예인줄의 관성 모멘트를 반영하여 정도 높은 결과를 얻고자 하였다.

다물체 동역학 운동방정식을 이용하여 시뮬레이션을 수행하고, 계산 결과를 기존의 연구와 비교·검증한 후, 선형 안정성 판별식과 비교하였다. 그 결과, 예부선 시스템의 침로 안정성에 영향을 미치는 인자들이 예인줄의 길이, 부선 상의 예인점의 위치, 그리고 부선의 저항계수임을 파악하였고, 부선 자체의 직진안정성을 높이는 것이 예부선 시스템 전체의 안정성을 개선하는데 주효함을 확인하였다.

직진안정성을 갖지 못하는 부선의 경우, 예인줄의 길이가 짧아질수록 예부선 시스템의 안정성이 개선되었다. 또한, 예인점의 위치가 부선의 횡방향 압력중심점보다 전방에 위치하여야 하며, 무게중심점에서 선수 방향으로 멀어질수록 예부선 시스템의 안정성이 개선된다. 한편, 부선의 저항계수가 증가하는 경우, 본래 불안정한 예부선 시스템도 안정하도록 개선할 수 있다.