조선해양공학과: 선박계산

1. 과목에서 배울 수 있는 내용

1) 과목 개요

선박계산은 2학년 1학기 전공필수 과목으로, 1학년 때 배운 기초적인 수학, 물리적 지식을 바탕으로 선박이 어떻게 안정성을 유지하는지에 관한 기초적인 이론을 엿볼 수 있는 과목입니다.

이 과목에서 배우는 것은 크게 두 가지로 나눌 수 있습니다.
첫번째는 선박의 복원성과 관련된 개념과 그 계산 방법입니다. 선박의 운항에서 중요한 것은 첫째도 안전, 둘째도 안전입니다. 외부에서 힘이 작용하여 선박이 기울어졌을 때, 선박이 빠르게 원래 상태로 돌아갈 수 있다면 선박의 복원성이 높다고 평가합니다. 여러 국제 기준에서는 선박의 복원암(restoring arm)인 GZ곡선으로 선박의 복원성을 평가하는데, 복원성 파트는 GZ를 계산하는 방법을 다룹니다.
다음 파트에서는 선박의 길이 정보를 담은 offset table로 선박의 유체 정역학적 계수를 계산하는 방법을 배웁니다. 선박의 특징을 쉽게 알아볼 수 있고 복원성 계산과도 연결되는 유체 정역학적 계수를 심슨 법칙, 그린 정리 등을 이용해 계산하는 방법을 배우고, 이는 3학년 전공 필수 과목인 '컴퓨터 이용 선박 설계’로 이어집니다.

2) 선박의 복원성

앞서 선박의 복원성은 GZ곡선으로 평가한다고 언급하였는데, GZ란 무엇일까요?

천천히 기울어진 선박의 자유물체도(FBD)

선박이 물 위에 떠있을 때 선박에 작용하는 힘은 중력과 부력 두 가지로 나눌 수 있습니다. 선박이 평형 상태에 있다면 두 힘은 크기는 같고, 방향은 반대로 작용합니다. 위 그림과 같이 선박이 외부 힘에 의해 천천히 기울었다고 생각해보겠습니다. 중력과 부력은 여전히 크기가 같지만, 작용선이 일치하지 않아 선박에는 모멘트가 작용하게 됩니다. (위 그림과 같은 경우 선박에는 원래 상태로 되돌아가려는 복원 모멘트가 작용하게 됩니다.) 무게 중심 G에서 부력의 작용선에 내린 수선의 발을 Z라 할 때, 복원 모멘트는 와 같은 형태로 나타낼 수 있습니다. 즉, GZ는 선박에 작용하는 복원 모멘트에서 복원 arm을 지칭합니다.

국제해사기구 IMO에서는 선박의 복원성을 선박의 기울어진 각도에 대한 GZ 값을 그린 GZ곡선으로 평가합니다. GZ는 어떻게 구할 수 있을까요?

선박의 자유물체도(심화)

다양한 방법이 있지만, 간단히 선박의 초기 복원성과 관련된 식을 알아보겠습니다. 선박이 기울어진 각이 작을 때, 우리는  메타센터(M)라는 것을 정의할 수 있습니다. 메타센터는 선박의 초기 부력의 작용선과 선박이 기울어졌을 때 부력의 작용선의 교점으로, 경사각이 작을 때 그 위치가 일정합니다. 따라서 GZ는 경사각이 작을 때 정의에 의해 GZ= GM sinϕ 로 나타낼 수 있습니다. GM은 다시 그림에서 확인할 수 있듯 GM = KB + BM - KG라는 식으로 구해볼 수 있습니다.

수업에서는 바닥으로부터 부심까지의 높이인 KB, 메타센터 반지름으로 불리는 BM, 바닥으로부터 무게중심까지 높이인 KG를 구하는 방법을 다루고, 이를 통해 GM을 구하는 방법을 배웁니다.

선박의 GZ곡선 예시

이렇게 구한 경사각에 따른 GZ는 위의 그림과 같이 나타낼 수 있고, IMO에서는 선박이 아래와 같은 규제를 만족하도록 요구하고 있습니다.

GZ 곡선에 대한 IMO(국제 해사 기구)의 규제

실제 선박의 복원성 계산은 훨씬 더 복잡합니다. 선박의 복원력은 액체 화물에 의한 자유 표면 효과나, 선박의 침수에 의해 감소될 수 있습니다. 이와 관련된 개념이 어떻게 선박의 복원력에 영향을 미치는지도 수업에서 배울 수 있습니다.

3) 유체 정역학적 계수

선박은 매우 복잡한 형상을 가지고 있기 때문에, 선박의 길이, 높이방향 위치에 따른 선박의 반폭(폭의 절반)을 기록하여 정보를 단순화합니다. 이를 offset table이라고 하고, 위 그림과 같은 형태로 나타납니다. offset table로 선박의 형상을 복원하여 선박의 다양한 유체정역학적 계수를 구해볼 수 있습니다. 선박의 유체 정역학적 계수는 앞서 살펴본 개념과도 연결되는 선박의 배수량, 부심의 위치, 바닥으로부터 메타센터 높이 등 외에도 방형계수, 수선면계수 등 다양한 값이 존재하며, 위와 같이 선박의 잠긴 깊이인 흘수에 따라 계산하여 아래와 같이 한 그래프에 나타냅니다. 이렇게 구한 유체정역학적 계수는 선박의 안정성 평가에 다양하게 활용될 수 있습니다.

 

2. 선배의 조언

선박 계산은 4대 역학을 배우는 다른 2학년 전공필수 과목과 달리, 배운 내용을 어떻게 공학적으로 직접 적용할 수 있는지를 배웁니다. 따라서 1학년 때 배운 관련 내용을 차근차근 되짚으면서 공학적 감각을 익히는 데에 집중하면서 수강하면 좋을 것 같습니다.

각종 계산 식과 국제 규제들을 암기하는 데 휘말려 내용이 방대하다고 느끼기 쉬우므로, 무엇을 배우고 있는지 큰 그림을 그리는 것이 중요한 과목입니다. Term project 또한 복잡한 개념을 프로그래밍 하다보니 어려움을 느끼는 학생들이 많습니다. 완벽하게 하기보다 완주하는 데 목표를 두면 얻어가는 게 많은 과목이므로 포기하지 않았으면 좋겠습니다.

 

3. 진로 선택에 도움 되는 점

조선소의 꽃이라고 할 수 있는 설계와 관련된 과목이니, 해당 분야에 관심이 있다면 열심히 수강해보는 것도 좋은 방법인 것 같습니다. 배운 내용을 어느정도 기억해두면 추후에 3학년 1학기 전공필수 과목인 컴퓨터이용선박설계나, 전공선택 과목인 선박해양설계이론 수강에도 도움이 될 것입니다.

 

4.맺음말

선박계산은 조선해양공학과로 입학하여 처음으로 수학, 물리적 지식을 선박에 적용하는 방법을 배우는 과목입니다. 선박의 안정성에 대해 알아보는 것을 목표로 선박의 복원성을 평가하는 방법과 유체 정역학적 계수를 계산하는 방법을 배웁니다. 방대한 양의 새로운 지식을 배우면서 어려움을 느낄 수 있지만, 끝까지 완주한다면 조선해양공학도로서도, 또 공학도로서도 많은 것을 배울 수 있는 과목이므로 열심히 수강하는 것을 추천합니다.