Yacht Design August 14, 2008 기술총괄理事최부근 Professional Yacht Designer / N.A Marine Composite Material Engineer 1
1. 설계방법론 요트디자인은사전에명시한최종결과 (Specification) 를어떤요구조건을만족시켜는시행과착오과정 (trial and error procedure) 의반복이다. 설계자는수많은가정 (assumption) 에서시작하여설계를통해요구조건을만족시켜야한다. 이것은한번의반복으로최적화할수없으므로가정의변경과절차를되풀이할것이다. 실행의순서는나선 (spiral) 이라고불린다. 이것은디자이너가모든디자인단계를통하여실행하고출발점으로되돌아와새로운회전을시작한다. 몇번의과정회전후원하는결과를도출할것이다. 원칙적으로과정이최종적인해결쪽으로다가서는것에따라더욱더세분화되고더좋은도구가사용된다. 1. 디자이너는요트의사양및요구성능을가지고착수한다. 설계자의경험및다른요트자료를기초로선체의주요자료를가정한다. 배수량 / 길이비율, 돛면적 / 침수표면적비율, 경사암및메타센터높이같은비차원의매개변수들은계산해야되고성능의개략적인검토는다른요트들의통계를기초로작성한다. 2. 조정된주변수를구한후, hull, keel, rudder 와 Sail plan 의실제디자인을시작할시점이다. 초기중량예측및복원력계산용으로필요한계략내부배치도와외부배치도또한설계해야한다. 이것은중량뿐만아니라복원력도정확하지않으므로요구조건들을합리적으로만족시키기위해서여러번의회전이요구된다. 물론, 모든이전의실행이각회전에서다시하게될지도모른다. 3. 요트의적합한중량과복원력을구하면다음회전은상세한선체치수 (scanting) 계산, 엔진의선택과 rig 의치수선정이포함된다. 이단계에서정확한중량계산은수행될수있다. 디자이너가최종적인해결에접근하는것에따라그는디자인을더신중하게평가하고싶어할지도모른다. 그리고이속도예측프로그램 VPP (Velocity Prediction Program) 이필요하다. 체적과그분배를위해필요한조건은아마사전에명시된다. 그리고그것들을만족시키기위해몇번의반복을수행해야한다. 4. Hydrostatics 와안정성구역반복은선체가큰각도로경사질때적합한 sinkage 와트림을구하기위해서요구된다. 2
The design spiral Hydrostatics and stability Evaluation Update of data for next iteration Hull and Deck Design Weight Calculations Keel and Rudder Design Rig dimensions Sail and Rig Design Hull and Deck Scantlings Propeller and Engine General Arrangement 3
2. 설계절차 2.1 설계의향 ( 초기검토 ) 설계자는실제디자인착수하기전에요트의목적에대하여명확한구상을가지고있어야한다. 1) 고객요구사항 ( 고객의개성,Trend) - 요트의사용목적정의 - 설계한계 - 주요특성목록 ( 설계요구조건 ) 2) 의도된이용목적 a) Racing - Racing class 규정 b) Cruising - Sailing area - Sailing performance - Sailing range - 사용할고객,Who - 사용환경 요트크기승무원수 Rig 크기와수 기존의성공한디자인과비교 4
2.2 개념설계 설계의향에대한가능성결정과목적달성방안구체화 - 기본치수, 일반배치, 중요한중량품목및동력옵션선택및개념도면작성. - 건조방법선택 1) Boat Type 선정 -Dimensions -Style - Arrangement -Rig -Hull form 고객요구조건만족 2) 개념설계절차 a) 사용목적과한계정의 b) 유사선자료수집 c) 주요치수및비율결정 d) 기초Layout 및외관형상결정 e) 초기단계대락중량및형상계수산출 f) 3단계재검토및수정 ( 필요하면 ) h) 개념설계 5
3) 구성요소비율비교 Sail 구성비율 (%) Meter type racer 20 5 70 5 Ocean racer Family cruiser 35 20 30 15 25 20 20 25 Power Ocean racer Express cruiser 25 10 50 15 15 30 25 30 Trawler type cruiser 30 30 10 30 Houseboat 10 45 15 30 Seaworthiness Comfort Speed Cost factor 6
2.3 초기설계시기 - 개념설계절차로부터목적달성방법의세부사항결정. - 선체형상완성및복원력, 성능, 구조계산을포함한보다정밀한계산수행. 2.4 상세설계시기 - 상세건조도면및문서작성 - 순정선도 (Lines), 옵셋테이블 (offset table) 배치도, 구조도, 건조상세도, 사양서 7
3. 선체기하 (Hull Geometry) 3.1 주요치수 (Principal Dimension) AP FP 1) 전장 (Length Over All, LOA) 선체에고정적으로부속되고있는모든돌출물을포함한선수맨앞으로부터선미맨뒤까지의수평거리를말한다. 배를조종할때, 특히항구에서배를안벽에정박시킬때이길이가고려된다. 2) 선수수선 (Forward Perpendicular, FP) : DWL 과선수앞면과의교점을지나는수직선. 3) 선미수선 (After Perpendicular, AP) : DWL 과선미측과의교점 ( 트랜섬선미인경우 ) 혹은 Rudder Stock 의중심선을지나는연직선. 8
4) 수선간장 (Length Between Perpendiculars : LBP 또는 Lpp) 계획만재흘수선상에있어서선수수선으로부터선미수선까지의수평거리. 5) 수선장 (Length On Load Waterline: LWL) 계획만재흘수선상의선수전단에서선미후단까지의수평거리를말한다. 6) 등록장 (Registered Length) 상갑판의선수재전면으로부터선미재후면까지의수평거리를말하며, 선박국적증서및선박원부에기재된다. 7) 전폭 (Extreme Breadth: Bext) 선체의폭이가장넓은위치에서, 좌현외판의바깥면에서우현외판의바깥면까지의수평거리를말한다. 8) 형폭 (Molded Breadth: Bmld) 선체의폭이가장넓은위치에서, 좌현늑골바깥면에서우현늑골의바깥면까지의수평거리를말한다. 즉, 위에서설명한전폭에비해외판의두께만큼작아진폭이다. 9) 깊이 (Depth: D) 선체중앙에있어서상갑판현측상면에서기선까지의수직거리를선박의깊이라한다. 10) 흘수 (Draft) 선체가수중에잠겨있는부분의깊이를뜻한다. 선저로부터수면까지의연직거리를말하는데, 필요에따라선수흘수, 선미흘수, 평균흘수등으로구별하여부르기도한다. 모든배에는흘수표 (Draft Mark) 를표시해야하는데, 선수및선미의외부양측면에선저로부터최대흘수이상에이르기까지표시한다. 9
3.2 Other Dimensions ( 기타치수 ) 1) 건현 (Freeboard, F) 선체최상부수밀갑판 (Watertight Deck) 과 Waterline 간의거리 2) Camber 상갑판의표면이횡단면에서위로불룩하게올라온거리 3) Sheer 상갑판의표면이종단면에서선수미방향으로갈수록위로올라온거리 4) Flare 선체측면선이수선위쪽에서밖으로굽어난거리 5) Tumblehome 선체측면선이수선위쪽에서안으로굽어든거리 6) 선저경사 (Deadrise) Molded Base Line 으로부터선저경사를 Molded Breadth Line 까지연장했을때만나는점과 Molded Base Line 간의거리 7) Bilge Radius 배의바닥선과측면선이이어지는곡선부를 Bilge 라고부르며선체중앙평행부에서는원호인경우가많고이의반경을 Bilge Radius 라고한다. 10
3.3 선형형상계수 (Coefficient of Form) 배의형상, 배수량및치수들을비교하기위하여몇가지의계수를사용하는데이계수들은동력계산에도쓰이고, 배의형상, 횡단면및수선면의비척도를표시하는데도유용하다. 1) Block Coefficient ( 방형비척계수 ) 방형비척계수는특정흘수에서선체의배수용적과수선하부의선체에외접하는직육면체의용적간의비이다. 만재배수량에서의방형비척계수의값은높은마력의요트와구축함에서의 0.38 정도로부터저속대양화물선에서의 0.80 정도까지변화한다. 2) Midship Section Coefficient ( 중앙단면계수 ) 중앙단면계수는특정흘수에서중앙횡단면의수선아래부분의면적과그부분에외접하는직사각형의면적과의비이다. 보통선형의배에서는 0.75 ~ 0.98 의범위안에있으나, 극히날카로운선형의배에서는 0.67 까지내려가는경우도있다. 어떤배에서는수선아래쪽에불룩튀어나온부분이있어최대폭이수선의폭을넘게되므로값이 1 보다커지는경우도있다. 11
3) Water plane Coefficient ( 수선면계수 ) 수선면계수는특정흘수에서수선면의면적과이에외접하는직사각형의면적과의비이다. 여러가지선형에서그값은대략 0.67 ~ 0.87 의범위안에있다. 4) Prismatic Coefficient or Longitudinal Coefficient ( 주상비척계수혹은종계수 ) 주상비척계수는특정흘수에서선체의배수용적과중앙횡단면과같은단면을갖고길이가선체의길이와동일한기둥형태의용적과의비이다. 이계수는배수량의세로방향의분포상태를나타내기때문에종계수라고도하며배의속력과동력의추산에주로사용되고있는데, 그것은주어진속력에서의잉여저항의크기가배수량의세로방향분포에크게지배되기때문이다. 그값은대략 0.55 ~ 0.80 의범위안에있다. 12
3.4 형상계수비교 1) LWL / Beam Ratio 13
2) Ff / LWL Ratio Ff = Freeboard Forward Fa = Freeboard Aft 14
3) Displacement-Length Ratio 4) Cp (Prismatic Coefficient) Speed-Length Ratio Cp 0.6-1.0 0.53 1.2 0.58 1.4 0.64 1.6 0.68 1.8 0.70 15
5) Speed-Length Ratio (S/L ratio) - S/L ratio 1.0 ~ 1.15, Cp 0.58 ~ 0.55 정도가이상적. - Fin-Keel과같이명확하게구별이되는것은선체의 Canoe만을포함. S/L ratio 증가추이 16
6) Cm (Midship Section Coefficient, 중앙단면계수 ) Boat Type Cm Fine Sailboat 0.04 Average 0.65 Heavy Displacement 0.80 7) 종부심위치 선체중앙에위치해야하나요트에있어서는선미에보기, 탱크및선원이모이므로종부심의위치는선수로부터수선길이의 52 ~ 53% 가적당하다. 17
8) 평면도상의 DWL 입사각 실제로 20' ~ 50' 정도의많은요트를선형을조사할결과 17~28 사이였고대부분 20 ~ 25 가가장많았다. 9) Keel 의가로 - 세로비 가로 - 세로비 ( Draft^2 / Lateral Area) 를 1 에서 2 로증가시키면양력 / 저항의비가약 50% 증가하게된다. 따라서 Keel 또는 Center board 의면적을고정시키고흘수와가로 - 세로비를증가시키면요잉각의감소와풍향에적합한속력의증가를가져오게된다. 또한 Keel 과 Center board 면적을감소시키면저항이감소되어일정한요잉각에서는속력이증가한다. Center board 의가로 - 세로비는최대효율을갖기위하여약 6 까지갖는다. 18
3.5 계수로부터초기치수추정 1) Dimension ratio = D/L * (0.01 * LWL)^3 * 2240 [ D/L = ( /2240)/(0.01*LWL)^3 ] = Displacement in Lbs L.W.L = Load water Line in Feet = / 64 = Underbody Volume in Cu. Ft Am = / Cp * LWL [ Cp = / Am * LWL] Ah = Am / 2 Ah = Half-Area of Under Body Bwl = (Bwl / LWL Ratio) * LWL Typical Bwl / LWL ratio for sailboats is between 0.32-0.35 Dfb = Am / Cm * Bwl [ Cm = Am / Bwl * Dfb ] 19
2) 계산예 1. Input a) L.W.L 37.500 Feet b) D/L ratio 230.000 c) Cp 0.650 d) Cm 0.700 e) Bwl / LWL 0.325 2. Output a), Displacement = D/L * (0.01 * LWL)^3 * 2240 27168.750 lbs b), Underbody Volume = / 64 424.512 ft^3 c) Am = / Cp * LWL 17.416 ft^2 d) Ah = Am / 2 8.708 ft^2 e) Bwl = (Bwl / LWL Ratio) * LWL 12.188 feet f) Dfb = Am / Cm * Bwl 2.041 feet 20