아라온호의 빙해역 현장 데이터 분석 및 빙하중 산정 전산 프로그램 개발

Abstract

빙해지역을 운항하는 쇄빙선박은 극지역이라는 열악한 환경으로 인해 극복해야할 많은 기술적 어려움을 가지고 있으며, 특히 쇄빙선박에 작용하는 빙하중은 파랑하중에 비해 월등히 크기 때문에 쇄빙선박 설계 시 빙하중의 크기를 산정하는 것은 매우 중요한 문제이다.

본 논문에서는 실제 쇄빙선박에 작용하는 빙하중 문제에 주목하였다. 이를 위하여 쇄빙연구선 아라온호의 2012년 남극 및 2015년 북극탐사 시 선체 외판에 설치된 스트레인게이지로부터 계측된 변형률을 사용하여 선체 외판의 등가응력을 계산한 후 영향계수법을 통해 빙압력으로 환산하여 국부 빙하중을 계산하였다.

전체 빙하중 계산은 아라온호 중심에 설치된 관성측정시스템으로부터 계측된 데이터를 사용하였는데 선박을 하나의 질점으로 가정하고 계측된 선박의 3축 가속도와 각속도를 사용하여 무게중심에 작용하는 힘을 전체 빙하중으로 산정하였다. 또한 계산된 결과를 과거 선행연구에서 제시된 전체 빙하중 산정식과 비교 분석하였다. 본 연구에서 전체 빙하중 계산은 2012년 남극탐사 시 계측된 관성측정시스템 데이터의 심한 노이즈로 인하여 2015년 북극탐사 시 계측된 데이터만을 대상으로 분석하였다. 계산된 등가응력과 빙압력 그리고 국부 및 전체 빙하중을 선체의 속도와의 관계로 제시하였다.

본 연구에서는 쇄빙선박에 작용하는 빙하중 산정에 대한 연구결과를 바탕으로 많은 양의 데이터를 빠르게 처리하고 계산결과를 그래프로 출력하여 사용자가 쉽게 확인할 수 있도록 MATLAB을 이용한 빙하중 산정 전산 프로그램을 개발하였다.

Ice loads estimation is an important issue in the design of an icebreaking vessel. The most common method for predicting hull ice loads is to measure strains of ship's hull and to calculate ice pressures by using strain gauges installed on the inner hull plating of the ship.

In this study the equivalent stresses in the hull plating of the IBRV ARAON and the local ice pressures/loads were estimated through the analysis of strain data measured during ARAON's Antarctic voyage (2012) and Arctic voyage (2015). The influence coefficient matrix for calculating ice pressures/loads is discussed. The concept of“events”was adopted for describing peak ice pressures and speed of ship.

The threshold values of 15MPa for equivalent stresses and 1MN for peak ice loads were chosen to analyze significant local ice loads on the hull plating.

Meanwhile the global ice loads were estimated by using the measured data from the 6-DOF inertial measurement system installed at the center of gravity of the ARAON. The calculated results (Global Ice Loads) were compared to those of local ice loads from strain gauge measurement. It was found that the global ice loads were 3-4 times higher than the local ice loads for the case of 2015 ARAON's Arctic voyage.

Finally, a numerical code for calculating local/global ice loads from the measured data (Strain Gauges and Motion Sensors) was developed by using MATLAB language. The developed GUI program can handle a large amount of data efficiently.