조선해양공학개론

Part 5 : 선박설계, 의장, 생산기술, 조선공학 종합

주제

  • 선박 설계, 의장, 생산기술의 주요 키워드를 알아봅니다.
  • 조선업계 현황

선박 설계 - 설계 목표

  • 선박의 설계 목표
    • 원하는 목적지로 빨리 갈 수 있어야 한다
      • 형상 : 물의 저항이 작은 형태 (유선형, 구상선수, 등 선체 설계) : 선박유체역학
      • 추진기관 : 디젤엔진, 가스터빈, 추진기 등 : 선박저항론, 추진기설계공학
    • 짐을 많이 싫을 수 있어야 한다
      • 최대한 많이 싫을 수 있게 설계 : 선체구조역학
      • 철판 두께, 강도, 보강재 설계, 용접기술 적용 등 : 재료역학, 생산공학

선박 설계 - 설계 과정

  • 주요 치수 설계 : 규정, 경험, 경제성, 선박의 용도 등을 고려 주요 치수 결정
    • 선박계산을 통해 주요 치수 결정 (선박설계 컨테스트 내용)
  • 선박 형상 설계 : 최소저항을 가지는 외부 형상 형상 결정
    • 모형선 실험(시간, 비용이 배우 비쌈), 전산유체역학(CFD)를 통해 최적의 형상 평가
  • 선박 구획 설계 : 선박의 용도에 따라 내부의 구획을 결정
    • 손상, 사고시 안정성 계산 평가, 선박계산
  • 선박 구조 설계 : 선체의 강도, 무게, 안정성 등을 고려하여 내부 구조 설계
    • 유한요소해석(FEM)을 통해 선체의 강도, 무게, 안정성 등을 평가

선박 설계 - 설계 과정 (이미지)

개념 설계 : 주요 치수 설계 및 기본 성능 추정

개념 설계 상세 - 선주의 요구 조건

  • 재화중량(DWT, Dead Weight Tonnage) : 최대 적재 중량 (만재흘수선)
    • 경하중량 (Light Weight) : 선박의 무게 (화물 없이)
    • GT (Gross Tonnage) : 부피를 무게로 나타낸 것, 외판으로 둘러싸인 총 부피
  • 화물창 용적(Cargo Capacity) : 선박이 실을 수 있는 최대 부피
    • NT (Net Tonnage)
      • 실제로 운반할 수 있는 부피, 화물과 수송에 사용되는 부피
  • 선속, 흘수(항만 또는 항해구역의 제한사항 고려), 항로, 납기일, 선가
  • 하루 연료 소비량(DFOC; Daily Fuel Oil Consuption)
    !설계목표! 요구조건을 만족하면서 경저성 극대화 L, B, D, C 설계

개념 설계 상세 - 유사 실적선 자료 조사

" 선박 설계는 무에서 유를 창조하는 혁신적인 업무라기보다는 실적 자료를 토대로 한 개선이다"

  • 유사 실적선 자료 조사
    • 주요 치수
    • 중량 (특히, 경하중량은 기밀사항)
    • 용적
    • 선속, 마력, 추진기 등
    • 선주의 요구 조건과 유사한 선박의 실적 자료를 조사하여 설계의 기초 자료로 활용
      너무 새로운것은 선주가 싫어한다..!

개념 설계 상세 - 기초 선박 계산

  • 수중 부피 계산 (배수량)
    • α\alpha : 부가 배수량(추진기, 타 등 부가적인 것들) 보통 0.02~0.025

L∗B∗d∗CB∗(1+α)=VL * B * d * C_B * (1+\alpha)= V

  • 부력(배수량) = 중량 계산
    • LWT (Light Weight) : 선박의 무게 (화물 없이)
    • DWT (Dead Weight Tonnage) : 최대 적재 중량 (만재흘수선 기준)

ρgV=LWT+DWT\rho g V = LWT + DWT

  • 주어진값 : DWT, d / 구해야할 값 : L, B, C_B, LWT 미지수가 너무 많다!

개념 설계 상세 - 다양한 추정 식 활용

  • 기본 기초 선박 계산 식

L∗B∗d∗CB∗(1+α)=VL * B * d * C_B * (1+\alpha)= V

  • 요구 건현 만족을 위한 조건식 (DD : 전체 높이, TT : 만재흘수선, FBF_B : 건현):

D≥T+FbD \geq T + F_b

  • 방형계수 추정식 :

CB≤0.7+0.125tan−1((23−100Fn)/4)C_B \leq 0.7 + 0.125 tan^{-1} ((23-100F_n)/4)

등등... 다양한 식들이 존재한다.

개념 설계 상세 - 설계선 주요 치수 추정

  • 기본 식 : L∗B∗d∗CB∗(1+α)=VL * B * d * C_B * (1+\alpha)= V

  • 만재 시 (실적선):

    • Lbp∗Bmid∗Ts∗CB∗(1+α)=344995L_{bp} * B_{mid} * T_s * C_B * (1+\alpha)= 344995
      => α=0.008\alpha=0.008 : 부가물 배수량 비율

  • 배수량 추정 : 실적선의 DWT/LWT 비율 적용

    • 설계선의 DWT는 선주 요구조건으로 주어져 있음

  • 길이 추정 : L∝Δ1/3L \propto \Delta^{1/3} 관계 사용

    • L=CL∗Δ1/3L = C_L * \Delta^{1/3}

개념 설계 상세 - 설계선 주요 치수 추정 2

  • 기본 식 : L∗B∗d∗CB∗(1+α)=VL * B * d * C_B * (1+\alpha)= V

  • d (흘수) : 항로가 허용하는 최대 흘수 (예: 22.5 m)

  • B (형폭) : 일반적 해당 선종의 폭 또는 항로가 허용하는 최대 폭

    • 5.3≤L/B≤6.55.3 \leq L/B \leq 6.5 (VLCC), 5.5≤L/B≤6.55.5 \leq L/B \leq 6.5 (Suezmax)
    • 1.4≤B/D≤2.21.4 \leq B/D \leq 2.2 (VLCC) 등 다양한 경험값들

  • 주요 치수를 1차적 도출 후, 다양한 경험식에 대입해서 만족여부 확인

  • 반복 계산을 통해 최종 확정

개념 설계 상세 - 주기관 마력 추정

  • 엔진 -> 프로펠러 축 -> 프로펠러 -> 추진기 -> 실제 추력

  • EHP (Effective Horse Power) : 유효마력

  • DHP (Delivered Horse Power) : 전달마력 (추진효율)

  • BHP (Brake Horse Power) : 제동마력 (축전달 효율)

  • NCR (Normal Continous Rating) : 정격마력 (해양상황 고려 여유분)

  • NMCR (Normal Maximum Continous Rating) : 정격 최대마력 (엔진자체 여유)

  • 배수량은 앞서 추정했다? 주기관 마력은 얼마가 되어야 할까?

개념 설계 상세 - 배수량과 마력의 관계

  • Admiralty 계수 (C_ad) : 배수량과 주기관 마력의 관계
    • 선종과 크기가 비슷한 선박은 Admiralty계수가 같다

Cad=Δ2/3∗V3NMCRC_ad = \frac{\Delta^{2/3}*V^3}{NMCR}

  • 마력수가 구해졌다.
    • 해당 마력을 낼 수 있는 엔진의 종류, 크기, 무게는?
    • 주요 치수(적재용량, 무게 등) 계산에 합당한가?
    • 남은공간에 컨테이너 몇개 넣을 수 있나? 충분한가?
    • 반복계산...!

개념 설계 예 - 학생선박설계 콘테스트

  • 실적선 (참조호선) 자료를 주고 설계선 목표값을 준다
    • 제출할 것은 계산의 근거들을 설명한 보고서. 근거에 대한 힌트도 있음.

선박 의장

  • 선박의장 (Outfitting) : 선박의 외장, 내장, 기계장치 등을 설치하는 것
    • 외장 : 선체, 갑판, 상선, 선박의 외부에 위치한 장비들
    • 내장 : 선박의 내부에 위치한 장비들
    • 기계장치 : 선박의 주요 기계장치들

선박 생산 과정 - 주요 이벤트

  • 설계 : 개념 -> 기본 -> 상세

  • 5대 주요 선박 생산 주요 이벤트

    1. 강재 절단 : 강재를 절단하는 것 (S/C; Steel Cutting)
    2. 용골 배치(거치) : 첫번째 블록을 드라이도크에 내려놓는 것 (K/L; Keel Laying)
    3. 진수 : 도크에 물을 채워서 바다로 내보냄 (L/C; Launching)
    4. 시운전 : 선체에 설치된 장비들을 가동시키는 것 (Sea Trial)
    5. 인도 : 시운전 후 선주에게 인도하는 것 (Delivery)

선박 생산 과정

선박 생산 과정

선박 생산 기술

조선공학의 연구주제들

  • 과학기술정보통신부 제5차 과학기술기본계획(2023~2027) 22.12.14 발표
    • 중점 육성 기술 : 12대 국가전략기술
  • 차세대 원자력, 우주항공/해양, 수소, 인공지능, 첨단로봇 등

조선공학의 연구주제들

  • 해양수산부 제2차 해양수산과학기술 육성 기본계획(2023~2027)
    • 제5차 과학기술기본계획 연계

원자력 추진 선박

  • 원자력 군사적 사용은 금지되어 있음
    • 무기가 아닌 추진기로는?

잠수함

초공동 어뢰

조선업 현황 - 과거 뉴스

  • 2018년... 최악은 지났다고 했으나..

조선업 특징 - 사이클

조선업 현황 - 사이클 상황

  • 슈퍼 사이클에 다시 돌입?

조선업 현황 - 요즘 상황

  • 역대급 수주량 (보통 주가와 연동됨)
  • 맹점 : LNG는 전체 원자재 선박 중 극소수 (약 700척)

조선업 현황 - 수주 점유율 추이

  • 중국으로 넘어가긴 힘들어 보임

조선업 현황 - 미래 상황

  • 역대급 규제들 예정

조선업 현황 - Big 3 선호도

  • 현대 계열사에 대한 두드러진 선호
    • 한국조선해양은 대부분 연구인력 (판교)
    • 연구인력 : 석사급 이상

🎉

다음 시간에 !


👨‍🏫 교수자

최원석 (Woen-Sug Choi)
한국해양대학교 해양공학과

상담문의 및 질문은 온라인 상담예약 링크 (담당교수 아니더라도 언제든지 누구든지 😊😊)
또는 해양과학기술관(D) 301호