선회 조작 중 길이가 변하는 견인 케이블의 동적 분석

Oct 16, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 3525(2023) 이 기사 인용

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해양 예인 케이블의 구성은 회전 과정에서 크게 변경되며, 케이블 길이가 고정된 회전 절차가 가장 빈번합니다. 이러한 문제를 극복하려면 해양 예인 케이블의 구성 및 동적 특성을 해결해야 합니다. 그러나 일부 특정 작동 상황에서는 예인선이 회전하는 동안 해양 예인 케이블을 풀어야 하므로 해양 케이블 길이가 지속적으로 변경됩니다. 이를 고려하여, 예인된 케이블을 집중질량법을 기반으로 한 집중질량 모델로 이산화하고, 서로 다른 해제 속도와 깊이에 따라 가변 길이를 갖는 예인된 케이블의 회전 과정에 대한 동적 해석 모델을 구축합니다. 이는 특정 해역의 특정 해상 조건과 결합된 견인 시스템의 특정 매개변수를 참조하여 수행됩니다. 시간 영역 결합 분석은 다양한 해제 속도와 깊이에서 해양 예인 케이블의 구성과 응력의 동적 변화를 결정하는 데 사용됩니다. 계산 결과는 특정 엔지니어링 관행에 대한 지침 관련성을 갖습니다.

해양 예인 시스템은 해양 개발이 진행됨에 따라 해양 모니터링, 군사 탐지, 해저 매핑, 해군 방어를 포함한 다양한 분야에서 점점 더 중요해지고 있습니다1,2,3. 다양한 종류의 응용 분야에 사용되는 시스템에는 예인 선박, 예인 케이블 및 예인 본체가 포함됩니다. 견인 시스템은 선형 가속, 회전 및 지그재그4,5,6,7을 포함하여 작동하는 동안 다양한 동작을 수행하는 경우가 많습니다. Choo와 Casarella8의 정상상태 연구는 선박 조종 중 수중 예인선이 어떻게 구성되는지에 대한 현재의 이해에 일차적으로 책임이 있습니다. Chapman9은 세 가지 유형의 동적 케이블 동작을 식별했습니다. 견인 속도가 낮고 회전 반경 대 케이블 길이 비율이 큰 점진적 회전, 견인 속도가 높고 회전 반경 R 대 케이블 길이 L 비율 R/L이 작은 급회전 , 그리고 두 턴 사이의 과도 상태입니다. 주어진 견인 속도에 대해 그는 케이블/차량 시스템이 직선 견인 선박 궤적과 관련된 평면 구성과 거의 동일한 평형 모양을 유지하는 임계 선박 선회 반경을 결정했습니다. 견인 메커니즘은 필요한 회전 반경 아래에서 사실상 실패합니다. Ablow 및 Schechter, Milinazzo 등, Gobat 및 Grosenbaugh 등은 완전 선회 기동 사례를 비선형 동적 모달의 실용성에 대한 예시 및 검증으로 활용했습니다.

현재 많은 연구자들이 선박 조종 중 해저 케이블의 동적 거동을 조사하고 있습니다. 예를 들어 Kishore와 Ganapathy13은 완전한 원형 선회 코스 동안 견인 어레이의 동작을 시뮬레이션했습니다. 사례 연구는 다양한 루프 반경, 견인 길이, 견인 속도 및 잘린 루프에 대해 수행되었습니다. 루프 동안 견인 속도를 9.85m/s에서 약 3.5m/s로 줄이면 견인점 장력이 급격히 떨어지는 것으로 나타났습니다. 견인점 장력의 빠른 이완으로 인해 케이블의 온보드 끝 부분에 심각한 문제가 발생할 수 있습니다. Grosenbaugh14는 예인선이 직선 견인 궤도에서 일정한 반경의 꾸준한 원형 회전을 포함하는 경로로 경로를 변경함으로써 발생하는 견인 케이블 시스템의 동적 거동을 조사했습니다. Buckham et al.15 및 Lambert et al.16은 견인 수중 차량 시스템의 수학적/계산적 모델을 개발하고 선회 조작 중 시스템 성능을 향상시키기 위해 모델을 적용하는 방법을 논의했습니다. 수학적 모델은 자율 수상 차량 및 능동적으로 관리되는 견인 물고기의 비선형 수치 시뮬레이션과 연결되었습니다. 예인된 케이블을 시뮬레이션하기 위해 집중 질량 근사치가 사용되었습니다. 결과는 견인된 수중 차량 시뮬레이션이 U턴 기동을 위한 최적의 풍선 회전 형상을 찾기 위한 최적화 알고리즘에 사용될 수 있음을 보여주었습니다. Wang과 Sun17은 선박 조종에 대한 견인 케이블 시스템의 동적 반응을 매개변수적으로 시뮬레이션했습니다. 견인된 케이블 시스템 조종성에 대한 3차원 매개변수의 영향, 회전 반경에 대한 전체 길이의 비율, 차량 질량에 대한 케이블 질량의 비율, 유체역학적 힘에 대한 질량 단위 길이의 비율이 조사되었습니다. 결과는 두 개의 작은 동일한 반경 원 회전 사이의 일시적인 동작이 수평 궤적을 지배하는 점진적 회전에 대한 회전 효과 증가를 나타냄을 보여주었습니다. Zhang et al.18은 예인선의 회전 상태에서 고정 길이 케이블의 동적 특성을 연구했습니다. 케이블의 굽힘 변화는 머리 끝과 꼬리 끝을 향해 15m 부근에서 더 빈번하고 심한 것으로 나타났습니다. Zhao 등19은 견인 케이블 본체 시스템의 완전 결합 3차원 동적 모델을 개발했습니다. 직선 및 유턴 견인을 포함한 다양한 기동에 대해 수치 시뮬레이션이 수행되었습니다. 수치 시뮬레이션과 해상 시험 데이터를 비교한 결과, 수치 시뮬레이션과 해상 시험 데이터가 잘 일치하는 것으로 나타났습니다. 수치 기법을 사용하여 Yuan et al.20은 수중 예인 시스템이 예인 선박의 조종성에 어떻게 영향을 미치는지 추정했습니다. 선회조종 전반에 걸쳐 예인선의 속도, 선회반경, 횡요각이 감소하는 것으로 나타났다. Zhang et al.21은 선박이 180도 유턴 조종하는 동안 케이블 견인 시스템의 동적 반응을 연구했습니다. 굽힘 강성을 갖는 해양 케이블의 수치 모델은 3차원 덩어리 매개변수 접근 방식을 기반으로 제시되었으며 OrcaFlex에 의해 검증되었습니다.