유한요소법을 이용한 나이티놀 와이어 스텐트의 전산모사 실험 데이터 검증

김진영,정원균,전동민,신일균,김한기,신동오,김상호,서태석,Kim, Jin-Young,Jung, Won-Gyun,Jeon, Dong-Min,Shin, Il-Gyun,Kim, Han-Ki,Shin, Dong-Oh,Kim, Sang-Ho,Suh, Tae-Suk 한국의학물리학회 2009 의학물리 Vol.20 No.3

최근 스텐트 시술의 수학적인 분석은 스텐트의 위치와 기계적인 반응을 측정하는 여러 가지 툴이 개발됨에 따라 발전하고 있다. 그러나 기존의 연구의 경우, 전산모사 실험을 통해 여러 요소에 따른 변형 정도 및 응력 분포, 팽창력 등과 같은 성능평가에 대한 연구가 주류를 이루며 전산모사 실험을 통한 응력 분포 및 변형 정도에 대한 소프트웨어의 검증은 거의 없는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 만능재료 시험기를 이용한 실험을 통해 얻은 결과와 전산모사 실험 결과의 유의성 검증을 통해 해당 전산 모사용 소프트웨어를 통한 전산모사 실험 결과에 신뢰성을 부여하였다. 또한 이를 토대로 전산모사 실험을 통해 스텐트 피막 유무에 따른 스텐트의 응력분포를 분석하고자 하였다. 본 연구에서는 전산모사 실험 데이터와 실제 인장 시험 데이터를 통한 유의성 검증을 하고자 하였다. 스텐트의 연결 부분에 대해 유한요소 해석법을 적용하여 전산모사 실험을 수행한 결과, 178.93 MPa의 최대응력으로 인장시험 결과인 184.23 MPa와 거의 유사한 값을 가졌으며, 이를 통해 인장시험 결과와 전산모사 결과가 유의성을 가짐을 검증할 수 있었다. 또한 피막 유무에 따른 스텐트의 전산모사 실험을 통해 피막에서는 접촉부, 나이티놀에서는 연결부에서 최대 응력이 발생함을 알 수 있었다. 그리고 피막이 있는 경우에는 피막의 장력으로 인해 연결부분에서 형상을 유지하고 있으나 피막이 없는 경우에는 이격 및 교차부에서 슬립이 발생함을 알 수 있었다. 이러한 결과들을 통해 스텐트 설계 초기에 있어 해당 전산모사용 소프트웨어를 통해 해석을 수행하여 그에 따른 해석 결과를 설계에 반영함으로써 설계 변경을 최소화할 수 있고, 이에 따라 양질의 설계 품질 확보가 가능할 것으로 사료된다. Recently, the mathematical analysis of stent simulation has been improved, with the help of development of various tool which measure mechanical property and location of stent in artery. The most crucial part of the stent modeling is how to design ideal stent and to evaluate the interaction between stent and artery. While there has been great deal of researches on the evaluation of the expansion, stress distribution, deformation of the stent in terms of the various parameters, few verification through computer simulation has been performed about deformation and stress distribution of the stent. In this study, we have produced the corresponding results between experimental test using Universal Testing Machine and computer simulation for the ideal model of stent. Also, we have analyzed and compared stress distribution of stent in the cases of that with membrane and that without membrane. The results of this study would provide minimum change of plan and good quality for ideal stent replacing damaged artery through the analysis using computer simulation in the early stage of stent design.

초순수 생산을 위한 단위공정별 설계특성을 고려한 수질예측 방법

이경혁(Kyung-Hyuk Lee),권병수(Boung-Su Kwon),장암(Am Jang) 대한환경공학회 2018 대한환경공학회지 Vol.40 No.7

본 연구는 맞춤형 고순도 공업용수 생산을 위한 전산모사를 통해 목적하는 수질을 예측하여 목표수질의 달성여부를 검증하고자 한다. 최종수질의 예측을 위해서는 공정에 따른 수질예측이 가능한 전산모사 프로그램의 구축이 필요하다(전산모사 구축 시 수질 및 수량에 대한 부분이 고려되어야 한다). 원수 및 목표수질이 선정이 되면 이에 따른 공정선정이 필요하여, 개별공정에 대한 전산모사에 대한 로직이 구성하였다. 전산모사를 통해 반도체급 초순수 공정을 구성하여 최종수질의 예측이 가능하다. 전산모사의 수질예측과 초순수 실증프랜트(25 ㎥/일)의 수질 예측을 비교한 결과 비저항, TOC 등 일부 항목은 유사한 결과가 도출되었으나, DO, 실리카, 입자, 보론 등은 다소 차이가 발생하였다. DO는 0.5 ppb(전산모사) / 0 ppb(실증플랜트) 차이가 있었으며, 실리카는 0.5 ppb(전산모사) / 0.25 ppb(실증플랜트) 차이가 있었다. 보론은 0.05 ppb(전산모사) / 0.024 ppb(실증플랜트)로 다소 차이가 있었다. 수질의 차이는 최대 0.5 ppb (DO) ~ 0.03 ppb (TOC) 수준이다. 본 연구는 산업용수 분야의 특수성으로 인해 공정 및 수질 등의 접근이 어렵고 운영결과의 공개가 어려운 산업용수 분야에 대해 실증플랜트 규모의 플랜트를 구축하여 연구한 사례로 이를 기반으로 한 산업용수의 필요한 핵심기술 개발과 최적화된 산업용수 처리시설 구축을 위해 기반 자료로 활용이 가능토록 기여하고자 한다. The purpose of this study is to estimate the target water quality through computer simulation for customized high purity industrial water production. In order to predict the water quality of the final product, a computer simulation program capable of predicting water quality through process selection is needed. Also, computational simulation should take water quality and quantity into consideration. Once the target water and its quality are chosen, appropriate process must be selected, thus logic for computer simulation was constructed for each and every process. Process for semi-conductor grade ultra-pure water was constructed through a computer simulation. As a result, final water quality could be predicted. The computational simulation for water quality and for ultrapure water demonstration plant (25 ㎥/day) are compared. Some categories such as resistivity and total organic carbon (TOC) showed similar results, however the results for dissolved oxygen (DO), silica, particle and boron had some variations. The results from the computer simulation were 0.5 ppb, 0.5 ppb and 0.05 ppb, for DO, silica and boron, respectively, whereas the results from the demonstration plant were 0 ppb, 0.25 ppb and 0.024 ppb, for DO, silica and boron, respectively. The maximum difference in water quality was in the range of 0.026 ppb - 0.5 ppb. In this study, experimental plant-scale plant was constructed for the industrial water sector, which is difficult to approach, in terms of process and water quality, due to the special nature of the industrial water sector. The results from this study is expected to contribute to the development of core technologies for industrial water, and to make it possible to build an optimized industrial water treatment facility.

1SN-2 에너지 분야 전산모사 기술과 암모니아 경제사회

박치훈,강호성,이지현,천무영,이지수 한국공업화학회 2017 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2017 No.1

전산모사 기술은 컴퓨터를 이용하여 실험 없이 재료의 특성, 반응 관련 정보, 구조 및 변형, 공정 분석 등을 수행할 수 있기 때문에 다양한 분야에 응용되어지고 있다. 특히, 컴퓨터 성능과 같은 하드웨어의 빠른 발전으로 인하여 모사 대상의 크기 및 시간이 늘어남에 따라 더 많은 특성/구조 정보를 얻을 수 있게 되었고, 인공지능 등의 알고리듬 발전을 통하여 기존의 단순한 데이터 추출에서 벗어나 새로운 결과를 예측하고 이를 다시 전산모사 기술의 개선에 적용하여 인간이 얻을 수 있는 결과보다 더 정확하고 빠른 결과를 도출해낼 수 있게 되었다. 하지만, 전산모사 프로그램이 가지고 있는 여러 가지 내제적인 한계점과 데이터로 활용하기 위한 실험 결과의 부족, 실험 연구자와 전산모사 연구자 간의 관점 차이 등으로 인하여, 실제 화학 및 재료 등의 분야에서는 아직은 제한적으로만 적용이 되어 오고 있다. 본 연구에서는 전산모사의 적용 범위를 확장하기 위하여, 기존의 에너지 분야에서 적용되고 있는 다양한 전산모사 기술을 소개하고, 이를 새롭게 관심을 받고 있는 분야인 암모니아 에너지화 연구 분야에 응용하기 위한 방안을 찾아보고자 한다.

전산해석을 통한 지면모사풍동 개발 선행연구

정성민(Seong-Min Jeong),김태경(Tae-Kyung Kim),김정현(Jung-Hyun Kim),이영빈(Yeong-Bin Lee),최중근(Joong-Keun Choi),김규홍(Kyu-Hong Kim),이준용(Jun-Yong Lee) 한국자동차공학회 2013 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2013 No.5

현재 서울대에서는 지면모사 풍동의 개발을 준비중이며 이에 앞서 본 논문에서는 지면모사 방법선정을 위한 전산해석 선행연구를 진행하였다. 지면 모사방법 선정연구에 앞서 일반적인 검증문제에 해당하는 Ahmed Body의 전산해석을 수행하여 논문의 실험값과 비교를 하였다. 이를 통해 해석기법 및 정확성을 검증하였고 전산해석 방법을 선정하였다. 그리고 현재 서울대 아음속풍동크기의 전산해석 영역에서 고정지면과 실제 주행조건을 부여하여 해석을 수행하였고, 풍동의 지면모사방법인 Moving belt 기법, Suction 기법 등 지면모사 방법을 달리하면서 전산해석을 수행하였다. 고정지면과 실제 주행조건의 전산해석 결과들과 지면 모사방법을 적용하여 해석한 결과들을 비교하여 각 기법들에 따른 항력계수, 경계층 변화 그리고 공력 특성들을 살펴보았다. 이를 통하여 차량의 지면효과를 고려할 수 있는 풍동제작에서의 지면 모사방법에 대한 방향을 제시하였다.

몬테칼로 전산모사를 이용한 셋업오차가 임상표적체적에 전달되는 선량과 셋업마진에 대하여 미치는 영향 평가

조일성,곽정원,조병철,김종훈,안승도,박성호,Cho, Il-Sung,Kwark, Jung-Won,Cho, Byung-Chul,Kim, Jong-Hoon,Ahn, Seung-Do,Park, Sung-Ho 한국의학물리학회 2012 의학물리 Vol.23 No.2

방사선 치료에서 부정확한 환자 셋업이 표적에 전달되는 선량에 미치는 영향과 치료 마진과의 연관성을 몬테칼로 기법을 사용한 전산모사를 통하여 분석하였다. 실제 방사선 치료를 받은 직장암 환자에 대한 임상표적체적(CTV: Clinical Target Volume) 및 주요장기의 구조와 치료계획 시스템(Eclipse 8.9, USA)을 이용하여 수립된 세기조절 방사선치료계획에서의 선량분포에 대한 데이터를 전산모사에서 사용하였다. 전산모사 프로그램은 리눅스환경에서 오픈소스인 ROOT 라이브러리와 GCC를 기반으로 본 연구를 위하여 개발되었다. 환자셋업오차의 확률분포를 정규분포로 가정한 것에 따라 무작위로 생성된 크기만큼 셋업이 부정확한 경우를 모사하여 임상표적체적에서의 선량분포의 변화와 오차크기에 따른 마진크기를 3차원입체조형 방사선치료에 사용되는 마진공식과 비교분석 하였다. 셋업오차 생성에 사용된 정규분포의 표준편차 크기는 1 mm부터 10 mm까지 1 mm간격으로 두었으며 계통오차와 통계오차별로 2,000번 전산모사했다. 계통오차의 경우 전산모사에 사용된 표준편차가 커질수록 임상표적체적에 조사되는 최소선량 $D_{min}^{stat{\cdot}}$은 100.4%에서 72.50%로 감소하였고 평균선량 $\bar{D}_{syst{\cdot}}$도 100.45%에서 97.88%로 감소한 반면에 표준편차${\Delta}D_{sys}$는 0.02%에서 3.33%로 증가하였다. 통계오차의 경우 최소선량 $D_{min}^{rand{\cdot}}$은 100.45%에서 94.80%감소하였고 평균선량 $\bar{D}_{syst{\cdot}}$도 100.46%에서 97.87%로 감소하였으며 표준편차 ${\Delta}D_{rand}$는 0.01%에서 0.63%로 증가하였다. 그리고 마진공식으로부터 전산모사에 사용된 셋업오차에 해당되는 마진크기를 구하고 모집단비율(population ratio)을 정의하여 기존 마진공식의 목적이 세기조절방사선치료에 만족함을 확인했다. 개발된 전산모사 프로그램은 해당 환자의 치료계획 정보를 직접 사용하므로 직장암만 아니라 두경부암, 전립선암 등 여러 환부에 적용 가능하며 셋업오차 및 선량변화에 연관된 연구에도 사용할 수 있을 것으로 사료된다. The effect of setup uncertainties on CTV dose and the correlation between setup uncertainties and setup margin were evaluated by Monte Carlo based numerical simulation. Patient specific information of IMRT treatment plan for rectal cancer designed on the VARIAN Eclipse planning system was utilized for the Monte Carlo simulation program including the planned dose distribution and tumor volume information of a rectal cancer patient. The simulation program was developed for the purpose of the study on Linux environment using open source packages, GNU C++ and ROOT data analysis framework. All misalignments of patient setup were assumed to follow the central limit theorem. Thus systematic and random errors were generated according to the gaussian statistics with a given standard deviation as simulation input parameter. After the setup error simulations, the change of dose in CTV volume was analyzed with the simulation result. In order to verify the conventional margin recipe, the correlation between setup error and setup margin was compared with the margin formula developed on three dimensional conformal radiation therapy. The simulation was performed total 2,000 times for each simulation input of systematic and random errors independently. The size of standard deviation for generating patient setup errors was changed from 1 mm to 10 mm with 1 mm step. In case for the systematic error the minimum dose on CTV $D_{min}^{stat{\cdot}}$ was decreased from 100.4 to 72.50% and the mean dose $\bar{D}_{syst{\cdot}}$ was decreased from 100.45% to 97.88%. However the standard deviation of dose distribution in CTV volume was increased from 0.02% to 3.33%. The effect of random error gave the same result of a reduction of mean and minimum dose to CTV volume. It was found that the minimum dose on CTV volume $D_{min}^{rand{\cdot}}$ was reduced from 100.45% to 94.80% and the mean dose to CTV $\bar{D}_{rand{\cdot}}$ was decreased from 100.46% to 97.87%. Like systematic error, the standard deviation of CTV dose ${\Delta}D_{rand}$ was increased from 0.01% to 0.63%. After calculating a size of margin for each systematic and random error the "population ratio" was introduced and applied to verify margin recipe. It was found that the conventional margin formula satisfy margin object on IMRT treatment for rectal cancer. It is considered that the developed Monte-carlo based simulation program might be useful to study for patient setup error and dose coverage in CTV volume due to variations of margin size and setup error.

진공시스템 성능에 대한 설계인자 영향 전산모사

김형택,정광필,Kim, Hyung-Taek,Jeong, Kwang-Pil 한국진공학회 2007 Applied Science and Convergence Technology Vol.16 No.6

진공시스템 최적화 설계를 위한 시스템 성능에 대한 설계인자 영향이 전산모사로 연구되었다. 본 연구로 상업화 전산모사기인 $VacSim^{Multi}$에 의한 진공시스템 모델링기구가 제시되었으며 진공시스템의 진공생성기구인 펌핑계 설계인자의 영향을 평가하여 향후 여러 설계인자들의 전산모사 연구 가능성이 확인되었다. $VacSim^{Multi}$의 저진공펌프 모델 전산모사 결과와 펌프사양에 의한 배기거동이 오차범위로 일치하였으며 부스터펌프의 사용이 중진공영역 응용에 효과적인 것으로 확인되었다. 또한 자체 배기능력이 없는 유확산펌프와 터보분자펌프 배기계의 최적화보조펌프 조합이 제시되었으며, 유확산 및 터보분자펌프 배기계의 시스템 공정응용특성도 확인되었다. Effect of design factors on the performance of vacuum system was simulated for optimum design of system. In this investigation, the feasibility of modelling mechanism for $VacSim^{Multi}$ simulator was proposed. Simulation results of pumping design factor showed the possibilities of simulation fore-study for the detailed design factors. Simulation of roughing pump presented the expected pumping behaviors based on the specifications of commercial pump. Application of booster pump exhibited the high pumping efficiency for middle vacuum range. Combinations of optimum backing pump for diffusion and turbo vacuum system were obtained. And, the characteristics of process application of both systems were also acquired.

가스하이드레이트 생산모사 실험시스템 내 감압법 적용에 따른 해리거동 전산분석 연구

길성민,신효진,이성민,임종세,이재형 한국자원공학회 2017 한국자원공학회지 Vol.54 No.3

In order to develop the gas hydrate(GH) in the Ulleung Basin, East Sea of Korea, the Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources created a GH Experimental Production System using depressurization that reflects the sedimentary environment of field production test region to determine the production efficiency and field application. In this study, numerical analysis has been conducted and verified by comparing experimental and simulation results. The results of the numerical simulation showed similar total and dissolved gas production as compared to the experimental result. Also, sensitivity analysis is conducted using the verified simulation model. As a result, absolute permeability and thermal conductivity affect the gas production rate. In the future, simulation model can be used to predict the gas production from the experimental result under the various conditions. 동해 울릉분지에 부존되어 있는 가스하이드레이트 개발을 위하여 현장 적용성 확장과 생산기법의 효율성을 파악하고자 한국지질자원연구원에서는 감압법을 이용하여 현장시험생산 후보지의 퇴적환경을 모사한 중규모 가스 하이드레이트 생산모사 실험 연구를 수행하였다. 이 연구에서는 전산수치 해석을 통해 실험 결과에 대한 검증을 하고자 실험시스템을 모사한 전산수치 모델을 구축하여 실험 결과와의 비교·분석을 수행하였으며, 이를 통해 총 가스 및 용존 가스의 생산경향이 실험 결과와 유사한 양상을 보이는 것을 확인하였다. 또한 구축된 전산수치 모델을 활용하여 퇴적물성에 따른 민감도 분석을 수행하였으며, 절대유체투과도와 열전도도가 증가함에 따라 가스 생산속도에 영향을 미치는 것을 파악할 수 있었다. 향후 구축된 전산수치 모델을 활용하여 다양한 조건의 생산모사 실험시스템에 대한 생산거동을 예측할 수 있을 것으로 사료된다.

국내 금은광산 선광플랜트 볼 밀의 수학적 모델링 및 전산 모사

이원재,정민욱,한성수,박승수,임근태,박재구 한국자원공학회 2017 한국자원공학회지 Vol.54 No.5

본 연구에서는 수학적 모델링 및 전산 모사를 통해 국내 금은광산 선광플랜트 볼 밀 분쇄산물의 입도 분포를 예측하였다. 물질 수지 방정식에 기초한 Population Balance Model을 활용하여 볼 밀 분쇄산물의 입도 분포를 예측하 고자 하였다. 회분식 분쇄 실험을 수행한 후, 이를 국내 금은광산 선광플랜트 볼 밀의 분쇄 조건으로 스케일업하였다. 스케일업된 결과를 선광공정 상용 소프트웨어인 USIM-PAC으로 모델링 및 전산 모사하였다. 전산 모사 결과와 실제 선광플랜트 볼 밀 분쇄산물의 입도 모두 D80 기준 0.191 mm로 산출되었으며, 결정계수 또한 0.995로 산출되어 선광플 랜트 볼 밀을 전산 모사 가능함을 확인하였다. 이를 근거로 선광플랜트 내 볼 밀의 분쇄 조건 변화에 따른 분쇄산물의 입도 분포를 예측할 수 있을 것으로 기대된다. In this study, mathematical modeling and computational simulation were used to predict the particle size distribution of ball mill product in domestic gold silver mineral processing plant. Particle size distribution of ball mill product was predicted using Population Balance Model based on mass balance equation. Batch grinding tests were performed, then scaled-up under grinding condition of ball mill in domestic gold silver mineral processing plant. Scaled-up results were modeled and simulated by using USIM-PAC, a commercial software for mineral processing. Both 80% passing particle size of computational simulation result and actual particle size distribution were calculated as 0.206 mm, also coefficient of determination was calculated to be 0.998. Therefore, it was confirmed to the validation of simulation. Based on these results, it is expected to predict particle size distribution of ball mill in domestic gold/silver mineral processing plant according to the change of grinding condition.

산업공정반응기의 감마선 전산 단층촬영기술 개발

김종범(Jong Bum Kim),정성희(Sung Hee Jung),문진호(Jin Ho Moon),권택용(Taek-Yong Kwon),조규성(Gyuseong Cho) 한국비파괴검사학회 2010 한국비파괴검사학회지 Vol.30 No.1

본 논문에서는 평행빔, 팬빔, 콘빔 등 기존의 정형화된 전산화 영상촬영장치로 측정이 불가능한 산업 공정에 전산화 단층 촬영기술을 적용하기 위하여 개별 검출기 설치, 감마선 조사기 및 선원유도관을 통한 단면계측방법을 제안하였다. 단면 복원을 위해 검출기 볼륨을 고려한 가중치 함수를 제안하고 통계적 기반의 반복적 알고리즘을 적용하였다. 그리고 이와 같은 검출 구조에 따른 측정 결과물을 예측하고 본 방법의 타당성을 검증하기 위하여 두 종류의 팬텀에 대해 Monte Carlo 전산모사를 수행하였으며 이중 한개의 모델에 대하여 동일 계측조건을 갖는 Lab. 규모 측정 실험을 수행하였다. 전산 모사 결과 photopeak 에너지만 선별하여 계측한 경우가 전에너지에 대해 계측한 경우에 비해 높은 통계적 오차에도 불구하고 보다 참값에 근접한 결과를 보였다. 또한 동일 모형에 대한 전산 모사 및 측정 실험의 결과가 잘 일치함을 알 수 있었다. 이를 통하여 제안된 측정 기법의 유용성을 검증하였으며, 향후 석유화학시설의 설비 진단에 활용할 수 있을 것으로 기대된다. In this paper, a new tomographic scan method with fixed installed detectors and rotating source from gamma projector was presented to diagnose the industrial plants which were impossible to be examined by conventional tomographic systems. Weight matrix calculation method which was suitable for volumetric detector and statistical iterative reconstruction method were applied for reconstructing the simulation and experimental data. Monte Carlo simulations had been performed for two kinds of phantoms. Lab scale experiment with a same condition as one of phantoms, had been carried out. Simulation results showed that reconstruction from photopeak counting measurement gave the better results than from the gross counting measurement although photopeak counting measurement had large statistical errors. Experimental data showed the similar result as Monte Carlo simulation. Those results appeared to be promising for industrial tomographic applications, especially for petrochemical industries.

전산모사를 통한 오스테나이트계 내열강용 잉곳 몰드 설계 파라미터 최적화

황수빈,박종화,조상현,박성익,김윤재,김동규 한국주조공학회 2022 한국주조공학회지 Vol.42 No.1

In this study, the parameters on the shrinkage defect of HR3C alloy was secured through computer simulation research, and the ingot mold with greater than 85% of sound area was designed and manufactured. Moreover, the optimized coagulation was proposed at design stage through computer simulation and test was performed upon ingot manufactured. After the test, the defect pattern was analyzed through cutting and non-destructive inspection to verify the parameter and ingot mold design. Based on the verification results, shrinkage defect parameters such as Niyama, Feed Efficiency, and Hot Tear Intensity of HR3C Alloys were obtained. In addition, through the secured parameters, a plan for designing ingot mold with a Non-defect area of 85% or more was secured. 본 연구에서는 전산모사를 활용하여 오스테나이트계 내열강인 HR3C 합금의 수축 결함 파라미터를 확보하고, 건전부 85% 이상의 잉곳 몰드 설계 및 제작을 진행하였다. 잉곳 몰드 설계 단계에서 전산모사를 활용하여 최적의 잉곳 몰드를 설계 및 제작하였으며, 제작한 잉곳 몰드를 통해 시험조업을 수행하였다. 시험조업 후, 절단 및 비파괴 검사를 통해 결함 양상을 분석하여 수축 결함 파라미터와 잉곳 몰드 설계를 검증하였다. 검증 결과를 기반으로 HR3C 합금의 수축 결함 파라미터 (Niyama 인자, 급탕효율인자, 열간 균열 인자 등)를 확보하였으며, 확보한 파라미터를 통해 건전부 85% 이상의 잉곳 몰드 설계 방안을 확보하였다.