Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 14, No. 10 pp. 4726-4732, 2013 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2013.14.10.4726 조석수 1* 1 강원대학교자동차공학과 A Study on Hull Form Development of Polyethylene Boat Seok-Swoo CHo 1* 1 Department of Vehicle Engineering, Kangwon National University 요약플레저보트선체는주로비강도가큰 FRP로제작되고있으나 2000년대에들어오면서 FRP 선체에대한환경오염및해양안전에관한법적규제가강화되고있어 FRP가선체재료로서의활용도가감소되고있다. 폴리에틸렌선체는 FRP 선체의단점을보완하면서가격도염가여서차세대플레저보트선체재료로거론되고있다. 개발폴리에틸렌보트의최종선형은개발보트를둘러싸고있는설계환경과개념을분석한결과도시적이미지의샤프한선형이었다. 또한, 선형설계에필요한외형주요치수는기존의실적선을기초로결정한결과, 전장 5.9m, 빔 2.3m, 형심 1.3m 흘수 0.6m이었다. 개발보트에대한선형디자인한후 Orca 3D로엔진출력을예측한결과개발보트는최대속도 30노트에대하여는 60kW의엔진이필요하다. 한편, 활주상태에서최소총저항을나타내는엔진출력은 28.5kW 이고선속은 19노트로서설계속도 25노트보다낮은속도에서운전되어져야보트를경제적으로운영할수있다. Abstract The Domestic boat has been manufactured by hull form of typical foreign boat. In this study, design environment for polyethylene boat is analysed to create new hull form of the boat and design elements are extracted from existing boats and consumer preferences. Key elements in polyethylene boat design are three words "semi-classic, urban and sporty". Hull resistance and engine power for new developed boat can be expected by Orca 3D program. This result indicates that engine power of the boat is much less than that of commercial boat. Key Words : Design Element, Froude Number, Pleasure Boat, Hull Form, Total Resistance 1. 서론 국내플레저보트의제품설계는선체디자인부터시작하는것이아니라국외기성플레저보트로부터약간의치수변경을통하여이루어진다. 따라서소비자들의감성적인부분까지는접근하지못하고있어제한적인국내소비자들만대상으로하고있다. 이러한문제점은플레저보트의판매범위를선진국으로확장시키지못하는결과를초래하여국내플레저보트산업의활성화를방해하고있다 [1]. Kim등 [2] 은팽창식튜브를부착한 6m급스포츠보트를개발하기위하여기존보트선형에구매자의요구조 건을반영한구획배치와치수만변경하여수력학적특성을분석하였다. 따라서보트선형이단조롭고투박하여스포츠보트에서필요로하는소비자들의감성적부분을전혀반영하지못하였다. Byun[3] 은플레저보트및요트에탑재되는인테리어재료및시공방법등을소개하면서보트및요트인테리어설계개념을제안하였다. 그러나이러한개념은주택설계와비슷한개념으로접근되어져새로운이미지및공간설계개념을창조할수없었다. Oh등 [4,5] 은디지털목업 (DMU:Digital Mock-Up) 기술을선형설계에적용하여선체설계공정을단순화하고설계과정중에필요한모형시험의횟수를감소시켰다. 그러 * Corresponding Author : Seok-Swoo CHo(Kangwon National Univ.) Tel: +82-10-6374-6394 email: sscho394@kangwon.ac.kr Received September 24, 2013 Revised October 9, 2013 Accepted October 10, 2013 4726
나이러한방법은플레저보트선형디자인이확정된이후에는유용하나플레저보트선형디자인이전에는무용지물이다. 이상의선행연구결과에서선체설계과정에다양한소비자들의감성을반영하는디자인을전혀고려하지못하고단지, 선체의수력학적특징과복원성등을평가하여선체를개발함으로서디자인을고려하는선체설계방법이요구되고있다. 따라서본연구에서는플레저보트에대한디자인환경을분석하고디자인요소를추출한후그디자인개념을기초로폴리에틸렌플레저보트를디자인및선형설계하였다. [Table 1] Classification of pleasure boat Usage purpose Shape Fishing Boat Power Boat 2. 디자인분석과개념 Party Boat 2.1 유사제품분석 Table 1은플레저보트의종류를용도와크기에따라분류한것으로전자는피싱보트 (Fishing boat), 파워보트 (Power boat), 파티보트 (Party boat) 등으로분류할수있으며후자는클래식보트 (Classic boat), 스포츠보트 (Sports boat), 크루즈보트 (Cruise boat) 등으로분류할수있다 [6]. Boat size Classic Boat Shape 2.2.1 디자인계획 Fig. 1은 Savitsky와 Tanaka가제안한선체전장과속도에따른선형을나타낸것이다 [7]. 플레저보트의최대프루드수는전장이짧아속도에비하여매우높은편으로 3이상이된다. 따라서플레저보트가 3정도의프루드수를가지고최대속도 30 노트 (Knot) 의출력을낼수있는경우 Fig. 1로부터전장을구할수있으며그값은대략 5 7m정도이다. 한편, 국내외적으로보트전장이 6m 이상이되면선급규격을따라야하며선체재료가선급규격재료를사용할지못할경우선체사용허가를받지못한다. 이러한문제점은본연구에서가장큰제약점이면서도이것을극복하면다양한선체재료를이용할수있다는매우큰장점을가지게된다. 따라서본연구에서는선체전장을 6m미만인 5.9로제한하면서선체재료의사용극대화를지향한다. 선체전장이결정되면선체디자인과선형설계에필요한주요치수는실적선에서나온치수를기초로하였으며 Table 2에본연구대상개발선디자인의최종적인주요제원을나타낸것이다. Sports Boat Cruise Boat [Fig. 1] Relationship between overall length and speed 4727
한국산학기술학회논문지제 14 권제 10 호, 2013 [Table 2] Design plan for polyethylene pleasure boat Item Design scope Use Sailing environment Number of persons overall length (LOA) Beam Moulded depth Moulded draft Hull type Manufacturing method Propulsion system Content New design Leisure Costal/Salt water 4 5 persons 5.9m (Limit dimension by forming method) 2.3m (Changeable according to design) 1.3m (Changeable according to design) 0.6m (Changeable according to design) Monohull Rotary mold forming method Outboard 2.2.2 주요디자인요소 Table 3은폴리에틸렌플레저보트를디자인하기위한요소를나타낸것으로주로선체형상에대하여나타내었다 [8]. 개발선체는단동형이며유체동역학적특성을좋게하기위한멀티차인을적용하였다. Sheer-line과선미형상은각각 Reverse Sheer와 Raked Aft의형태를취하고있다. [Table 3] Main design elements for polyethylene pleasure boat Element Item Classification Image Hull station & Body plan Hull shape Hull type Deadrise Mono (Single) Moderate Running Straight suface (Standard) Midship station Multi H-Chine (Section shape) Bow & Forefoot Entry Angle Sheer line Transom shape Raked or Spoon - 10 30 Reverse sheer Raked aft [Table 4] Some key words for boat design Key word Explanation Semi-classic Stately and luxurious sense Urban Urban, refined and modern shape Sporty 1) Speedy and swift shape 2) Esthetic and functional satisfaction Table 4는보트선체개념에대한주요용어를정리한것으로크게 Semi-classic과 Urban 및 Sporty로나눌수있다. Semi-classic이라는용어는요트와인테리어의중후하고고급스러운느낌을살리는디자인을주요디자인개념으로하며 Urban이라는용어는도회적이고현대적인감각을지녀시간이지나도세련됨이유지되는디자인을주요디자인개념으로한다. Sporty이라는용어는요트만의스피디하고날렵한모습을표현하여심미적으로기능적으로도만족을줄수있는디자인을주요디자인개념으로한다. 폴리에틸렌보트에대한개념이미지관점에서는단순한형태를추구하면서트렌드를앞서가는현대적이면서세련되고절제된곡선미가필요하다. 또한, 보트사용자입장에서는고급스러우면서도친근한이미지로표현하여야한다. 2.3 디자인개발 2.3.1 스케치 Fig. 2는선수와선미의형태를결정하고 Sheer line을정의하면서전체적인보트의이미지를결정해가는과정을보여주고있다. Fig. 3은디자인의첫단계인디자인초안을나타낸것으로 Deck의형태와인테리어에대한디자인을추가하여보트의이미지를구체화한것이다. 또한, Fig. 4는보트의형상은좀더구체적인디자인으로정리하였으며폴리에틸렌재료적용에따른이미지까지검토한것이다. Transom option Stair/ Trim tab [Fig. 2] Image sketch for pleasure boat 4728
[Fig. 3] Initial idea sketch for pleasure boat 2.3.3 3D 렌더링 Table 6은 2D Rendering된보트를 3D Rendering으로디자인한것이다. 3D 렌더링은 Urban 스타일로세련된도시적인이미지를표현한디자인으로도시인들의여가를책임지는플레저보트로서의이미지를강조하고있다. 면과면의조화가직선의강한느낌으로나타나는디자인으로글라스는직선형으로적용하여제작시비용을절감할수있도록하였다. Sheer Line은선미쪽으로흘러가면서점차내려가는라인으로좀더샤프한측면의라인을만들어주고있다. 또한, 좌석팔걸이는운행시파도에의한충격으로운전자에게충격을줄수있기때문에삭제하였다. [Table 6] Final 3d rendering design idea Concept Design Urban [Fig. 4] Final idea sketch for pleasure boat 2.3.2 2D 렌더링 Table 5는 Fig. 4의최종이미지를 2D 렌더링으로표현한것으로도시적인세련된느낌이들도록직선이미지를강하게부여하고뒷좌석은개방형타입으로만들어공간활용도를높였다. Transom 형상은 Trim tab의역할을할수있는날개형상으로보트의안정성을향상시켰다. 보트색깔을어두운톤으로적용함으로서제품에무게감을부여하여제품의가치를높였다. [Table 5] 2D rendering for urban type pleasure boat Concept Design Urban 3. 선형해석 Table 7은유체정역학적특징을평가하기위한선체무게분포를나타낸것이고 Fig. 5는디자인된보트선체의선도를나타낸것이다. Table 8은 Table 7과 Fig. 5를이용하여개발보트의유체정역학적인특성선체전장은 5.9m, 수선길이는 3.9m 이며, 선체배수량은 1,338kg이다. 선체전체빔과수선빔의차이가매우적으며트램섬데드라이즈가 3.9 로선미부분이매우평탄한구조를하고있어저속영역에서는저항체역할을할수있으나고속활주시선체횡동요를적게할수있는구조이다. 설계보트의주형계수 는 0.81로서바지선박 (0.95) 과구축함 (0.63) 의중간형태를가지고있어선박의길이방향에대하여횡단면적의 4729
한국산학기술학회논문지제 14 권제 10 호, 2013 변화가크지않다는것을의미한다. [Table 7] Weight distribution of hull Hull Person Engine Fuel etc. Weight 설계속도를 25노트로, 최대속도를 30노트로, 추진효율을 55% 로, 저항설계마진을 5% 로각각설정하여구하였다. 엔진출력은프로드수 0.75이상에서는 Savitsky 방법 [10] 을, 프로드수 0.75이하에서는총저항계수 를기초로하는 Holtrop 방법 [11] 을이용하여평가하였다. 설계속도 25노트에대하여 42kW의엔진이필요하며최대속도 30 노트에대하여는 60kW의엔진이필요하므로일반적으로시중에서사용되고있는전장 6m급에서사용되는엔진이 70kW인것을고려하면선형해석에사용된설계마진이충분함을알수있다. 또한, 활주상태에서최소총저항을나타내는프루드수 3.0에서의엔진출력은 28.5kW이고선속은 19노트로서설계속도 25노트보다는낮은속도에서운전되어져야보트를경제적운영할수있다. [Fig. 5] Line drawings of polyethylene boat [Table 8] Hydrostatic properties of polyethylene boat Item Displacement (S.W) 1,338 Overall length (m) 5.9 Overall beam (m) 2.3 Moulded depth (m) 1.3 Waterline length (m) 3.9 Waterline beam (m) 2.3 Transom deadrise degree 3.9 Midship deadrise degree 15 Navigational Draft (m) 0.2 Longitudinal center of floatation (m) 3.9 (a) Holtrop method Prismatic coefficient ( ) 0.81 Block coefficient ( ) 0.67 Waterplane coefficient (CWP) 0.92 Waterplane area (m 2 ) 8.3 Vertical center of gravity (m) 0.36 Vertical center of buoyancy (m) 0.13 Longitudinal center of buoyancy (m) 4.15 Fig. 6과 Fig. 7은속도에따른선체저항과엔진출력을나타낸것으로그값은 Orca 3D[7] 에탑재된선형해석프로그램을이용하여구하였다. 선체저항및엔진출력은 (b) Savitsky method [Fig. 6] Relationship between Froude number and resistance coefficient 4730
(a) Holtrop method (2) 선형디자인은보트디자인에필요한키워드를결정하고이것을이미지화하는스케치과정과 2차원렌더링및 3차원렌더링을통하여최종선형을결정한결과도시적이미지의샤프한선형으로결정되었다. (3) 설계속도 25노트에대하여 42kW의엔진이필요하며최대속도 30노트에대하여는 60kW의엔진이필요하므로일반적으로시중에서사용되고있는전장 6m급에서사용되는엔진이 70kW인것을고려하면선형해석에사용된설계마진이충분하다. (4) 활주상태에서최소총저항을나타내는프루드수 3.0에서의엔진출력은 28.5kW이고선속은 19노트로서설계속도 25노트보다는낮은속도에서운전되어져야보트를경제적운영할수있다. References (b) Savitsky method [Fig. 7] Relationship between Froude number and engine power 4. 결론 본연구에서는플레저보트를둘러싸고있는디자인환경과개념을분석하고이것을기초로폴리에틸렌보트에대한선형을디자인한후 Orca 3D를이용한선형해석을통하여선체저항및엔진출력을예측한결과다음과같은결론을얻었다. (1) 선형디자인에필요한외형주요치수는선형디자인기존의실적선의치수를분석하여그수치를결정한결과전장 5.9m, 빔 2.3m, 형심 1.3m 흘수 0.6m이었다. (1) S.S. Cho, W.M. Kwak, B.S. Ham and Y.C. Jo, "A Study on Structural Strength Assessment of Polyethylene Boat", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 14, No. 3 pp. 1045-1053, 2013 DOI: http://dx.doi.org/10.5762/kais.2013.14.3.1045 (2) H.M. Kim, S.B. Suh, "The Study on the Development of 6m class Sports RIB", Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol.31, pp. 606-613, 2007. DOI: http://dx.doi.org/10.5916/jkosme.2007.31.5.606 (3) L.S. Byun, "A Study on Characteristics of Interior Design Materials in Leisure Boats & Yachts", Journal of the Korean Institute of Interior Design, Vol. 15, pp. 158-165, 2006. (4) D.K. Oh, K.W. Lee, C.W. Lee, "Basic Design of 40ft Class Pleasure Boat based on Digital Mock-up", Journal of the Korean Society of Marine Environment & safety, Vol 17, pp. 283-289, 2011. DOI: http://dx.doi.org/10.7837/kosomes.2011.17.3.283 (5) S.J. Ha, Y.K. Cho, M.W. Cho, K.C. Lee, W.H. Choi, "Process Capability optimization of a LED Die Bonding Using Response Surface Analysis", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 13, No. 10 pp. 4378-4384, 2012 DOI: http://dx.doi.org/10.5762/kais.2012.13.10.4378 (6) S.H. Van, S.H. Kim, "Study on Concept Design of Public Motor Boat", Journal of the Korean Institute of Navigation and Port Research, Vol. 26, pp. 7-12, 2002. (7) Research Institute of Medium small shipbuilding, Design 4731
한국산학기술학회논문지제 14 권제 10 호, 2013 and Estimation Techniques of Power Boat, RIMS, Busan in Korea, pp. 103-115, 2010. (8) John Teale, How to design a boat, Sheridian house, Great Britain, pp. 40-66, 2003. (9) Rhinoceros, Orca 3D manual (c2012[cited 2011 Jun 10], Available from: http://www.orca3d.com/orca3dj/), pp. 1-10, Orca 3D Publisher, 2012. (10) Daniel Savitsky, P. Ward Brown, "Procedures for Hydrodynamic Evaluation of Planing Hull in Smooth and Rough Water", Marine Technology, Vol. 13, No. 4, pp. 381-400, 1976. (11) ITTC, 1957 ITTC Model-ship Correlation Line Values of Frictional Resistance Coefficient, 1957 Madrid ITTC Conference, pp.1-4, Madrid, ITTC Publisher, 1957. 조석수 (Seok-Swoo Cho) [ 정회원 ] 1993 년 2 월 : 동아대학교대학원기계공학과 ( 공학석사 ) 1997 년 2 월 : 동아대학교대학원기계공학과 ( 공학박사 ) 1997 년 3 월 ~ 1997 년 8 월 : 창원문성대학교기계과전임강사 1997 년 8 월 ~ 현재 : 강원대자동차공학과교수 < 관심분야 > 선형및구조설계 4732