오픈소스 CNC 기반 갠트리 공작기계 이송축 동기제어 시스템 개발

강유수 강원대학교 대학원 2023 국내박사

The components of a machine tool are divided into a feed drive mechanism, motor, and software. The feed drive mechanism is a power conversion device that converts linear and rotational feed by receiving power from the motor and is determined according to the number of drive shafts and the feed method based on the design of the machine tool feed system. The electric power mechanism consists of a rotating mechanism, such as a motor. It is determined by the performance of the parts of the transfer mechanism and the connectivity with CNC, which is machine tool control software. Software for machine tool control refers to a numerical control computer, which is called CNC. The CNC controls the transmission mechanism and other I/O devices based on specific communication and controls the position and speed of the transfer mechanism based on the program. Therefore, The machine tool must develop the control system for driving the machine tool based on CNC software. In this paper, We have developed a synchronous control system for a commercial 3-axis gantry machine tool based on LinuxCNC, an open-source CNC software, and EtherCAT, an industrial Ethernet communication. The LinuxCNC controller architecture is software that provides functions for machine tool control based on five core modules: EMCGUI, EMCTASK, EMCMOT, EMCIO, and HAL. In particular, the HAL module is a virtual layer that physically connects hardware and software. Due to the existence of HAL, the machine tool can connect various feed drive systems and I/O devices. The core of the commercial 3-axis gantry machine tool synchronous control system based on LinuxCNC is the algorithm that synchronizes the two feed systems, Y1 and Y2, with one Y-axis. For Y-axis synchronization, an algorithm that synchronizes the Y1 and Y2 axes as one Y-axis was applied using the home function of LinuxCNC. The synchronized feed shaft has high rigidity due to the two transmission mechanisms. Still, it has problems with yaw error due to an error in the feed system connected in parallel and synchronization error due to synchronous control. This study used a linear encoder to evaluate the performance based on the yaw difference during synchronous control. We calculated the yaw difference based on the difference between the Y1 and Y2 axes positions. When using the basic synchronous control algorithm provided by LinuxCNC, We measured the yaw error range as 110. Excessive yaw error is caused by tracking error for the transfer command and to solve this problem, LinuxCNC's pitch error compensation algorithm was used. The pitch error compensation algorithm adds or subtracts a pitch error value for a tracking error to a transfer command generated through an interpolator. After pitch error compensation , the yaw error range of Y1 and Y2 was 20, showing a yaw error reduction effect of about 82%. After compensating for the pitch error, a synchronization error compensation synchronization control algorithm was developed based on the existing LinuxCNC PID controller to compensate for the synchronization error occurring in the synchronization control of the transfer mechanism connected in parallel structures. The principle of Synchronization error compensation synchronization control algorithm was developed by adding or subtracting the average value of the velocity difference between Y1 and Y2 through a proportional gain in an individual PD feed forward velocity (FFV) feedback loop in parallel structures. The performance evaluation of the developed synchronization error compensation synchronization control algorithm was conducted under no-load/load conditions. The performance evaluation in no-load conditions was based on the yaw error and motor torque in the air-cut condition for 1,000 feed lengths. In the experimental results, in the steady state's area, the Y1 and Y2 torque difference before synchronization error compensation were measured as 4.013, and the yaw error as 19. After correcting the synchronization error, the motor measured the torque difference as 2.576, and the yaw error was 15. As a result, after the synchronization error compensation, the torque difference was reduced by 36% and the yaw error by 21%. The performance evaluation under load conditions was compared with the difference in torque output based on circular machining and the shape error. As for the circular machining conditions, the experimental results were compared for two conditions: feed rate of 1,000 and spindle rotation speed of 2,000 RPM and feed rate of 2,000 and spindle rotation speed of 3,000 RPM. The diameter of the circular machining was 50 mm. Under the feedrate condition of 1,000 before synchronization error compensation, the maximum torque difference in the steady state area when the machine tool is machining for the circular was 3.936, and the circle diameter was 50.046. Under the same processing conditions, the maximum torque difference in the steady state area after the synchronization error compensation was 1.893, and the circle diameter measurement result was 50.032. As a result, the torque difference was reduced by 52% and the shape error by 30% in the machining situation after synchronization error correction. Under the feedrate condition of 2,000 before synchronization error compensation, the maximum torque difference in the steady state area when the machine tool is machining for the circular was 3.366, and the circle diameter was 50.058. Under the same processing conditions, the maximum torque difference in the steady state area after the synchronization error compensation was 1.866, and the circle diameter measurement result was 50.017. As a result, the torque difference was reduced by 43% and the shape error by 29% in the machining situation after synchronization error correction. In conclusion, in this study, a LinuxCNC and EtherCAT-based 3-axis gantry machine tool transfer axis synchronous control system was developed, and a synchronous error compensation synchronous control algorithm was developed to improve the performance of the existing synchronous control algorithm, and based on circular machining improved performance was verified. 공작기계의 구성요소는 이송기구, 전동기구, 그리고 소프트웨어로 분할되어있다. 이송기구는 전동기구로부터 동력을 전달받아 직선 및 회전이송을 전환해주는 동력 전환 장치이며, 공작기계 이송계의 설계를 바탕으로 구동 축의 개수와 이송방식에 따라 결정된다. 전동기구는 모터와 같은 회전기구로 구성되며, 이송기구 부품의 성능과, 공작기계 제어 소프트웨어인 CNC와의 연결성에 의해 정해진다. 공작기계 제어를 위한 소프트웨어는 수치제어 컴퓨터를 말하며 이는 CNC라고 한다. CNC는 전동기구 및 기타 I/O 장치들을 특정한 통신 기반으로 제어하며, 프로그램 기반으로 이송기구의 위치와 속도를 제어한다. 따라서 공작기계의 구동을 위한 제어시스템은 CNC 소프트웨어를 기반으로 개발되어야 한다. 본 논문에서는 상용 3축 갠트리 공작기계의 동기제어 시스템을 오픈소스 CNC 소프트웨어인 LinuxCNC와 산업용 이더넷 통신인 EtherCAT을 기반으로 개발했다. LinuxCNC 제어기 아키텍처는 EMCGUI, EMCTASK, EMCMOT, EMCIO, HAL인 핵심 5가지 모듈을 바탕으로 공작기계 제어를 위한 기능을 제공해 주는 소프트웨어이다. 특히 HAL모듈은 하드웨어와 소프트웨어를 물리적으로 연결해주는 가상계층으로, HAL의 존재로 인해 다양한 전동기구와 I/O 장치를 연결할 수 있다. LinuxCNC 기반 상용 3축 갠트리 공작기계 동기제어 시스템의 핵심은 Y1, Y2 두 개의 이송계를 하나의 Y축으로 동기화 시키는 알고리즘이다. Y축 동기화를 위해 LinuxCNC의 홈 기능을 이용하여 Y1, Y2 축을 하나의 Y축으로 동기화 시키는 알고리즘을 적용했다. 동기된 이송축은 2개의 전동기구로 인한 높은 강성을 갖게 되지만, 병렬 형태로 연결된 이송계의 오차로 요오차와 동기제어로 인한 동기오차의 문제점을 갖고 있다. 본 연구에서는 동기제어 시 발생하는 요오차를 기반으로 성능을 평가하기 위해 선형 엔코더를 사용하였다. 요오차는 Y1축과 Y2축의 차이를 바탕으로 계산됐다. LinuxCNC에서 제공된 기본적인 동기제어 알고리즘을 사용한 경우 측정된 요오차 범위는 110로 측정되었다. 과도한 요오차는 이송지령에 대한 추종오차가 원인으로, 이를 해결하기 위해 LinuxCNC의 피치오차 보정 알고리즘을 사용했다. 피치오차 보정 알고리즘은 추종오차에 대한 피치오차 값을 보간기를 통해 생성된 이송지령에 가감하는 방식이다. 피치오차 보정 후 Y1, Y2 의 요오차 범위는 20로 약 82%의 요오차 감소효과를 보였다. 피치오차 보정 후 병렬형태로 연결된 이송기구의 동기제어에서 발생하는 동기오차를 보정하기 위한 동기오차 보정 동기제어 알고리즘을 기존 LinuxCNC의 PID 제어기를 기반으로 개발하였다. 동기오차 보정 동기제어 알고리즘의 원리는 병렬 형태로 개별 PD feed forward velocity(FFV) 피드백 루프에 Y1과 Y2의 속도차에 대한 평균값을 비례게인을 통해 가감하는 방식으로 개발됐다. 개발된 동기오차 보정 동기제어 알고리즘의 성능평가는 무부하/부하 상황에서 실시했다. 무부하 상황의 성능평가는 1,000 이송구간에 대해 에어컷 상황에서 요오차와 모터의 토크측정 데이터를 바탕으로 평가했다. 실험결과 정적구간에서 동기오차 보정 전 Y1, Y2 토크차이는 4.013, 요오차는 19로 측정되었다. 동기오차 보정 후 토크차이는 2.576, 요오차는 15로 측정되었다. 결과적으로, 동기오차 보정 후 토크차이는 36%감소, 요오차는 21% 감소효과를 보였다. 부하 상태에서의 성능평가는 원형가공을 기반으로 출력된 토크의 차이와 형상오차로 비교했다. 원형가공 조건은 1,000의 이송속도, 2,000RPM의 주축계 회전속도 조건과 2,000 이송속도, 3,000RPM의 주축계 회전속도 2가지 조건에 대한 실험 결과를 비교했다. 원형가공된 지름의 크기는 50mm였다. 동기오차 보정 전 이송속도 1,000 이송속도 조건에서 실 가공 중 정적구간 최대토크 차이는 3.936, 원지름 측정 결과 50.046로 측정되었다. 동일한 가공조건에서 동기오차 보정 후 정적구간 최대토크 차이는 1.893, 원지름 측정 결과 50.032로 측정되었다. 결과적으로, 동기오차 보정 후 가공상황에서 토크차이는 52%, 형상오차는 30% 감소효과를 보였다. 동기오차 보정 전 이송속도 2,000 이송속도 조건에서 실 가공 중 정적구간 최대토크 차이는 3.366, 원지름 측정 결과 50.058로 측정되었다. 동일한 가공조건에서 동기오차 보정 후 정적구간 최대토크 차이는 1.866, 원지름 측정 결과 50.017로 측정되었다. 결과적으로, 동기오차 보정 후 가공상황에서 토크차이는 45%, 형상오차는 29% 감소효과를 보였다.

디스크 제동 장치의 마찰 거동에 대한 열-기계적 특성 연구

이은성 성균관대학교 일반대학원 2019 국내석사

차체의 중량이 크고 300 km/h 이상의 속도로 운행되는 고속 철도 차량의 특성 상 제동 장치는 가장 중요한 부품 중 하나이고, 지속적으로 철도 고속화가 진행됨에 따라 제동 장치에 대한 중요성은 더욱 증가하고 있다. 따라서 고속 철도 차량의 제동 성능을 향상과 안전성 확보를 위해 제동 과정에서 발생하는 열-기계적 거동 분석이 무엇보다 중요하다. 특히 핫 스팟, 저더 현상의 근본 원인이 되는 국부적 열 집중 현상인 핫 밴드의 발생 원인에 대한 면밀한 분석이 필요하다. 본 논문의 목적은 고속 철도 차량의 제동 과정에서 발생하는 국부적 열 집중 현상인 핫 밴드의 거동 특성과 발생 원인에 대해 분석하는 것이다. 이를 위해, 우선 연구 대상인 제동 디스크의 제동 과정 중 발생하는 열적 거동 특성을 평가하기 위해 제동 실험을 수행하였고, 총 40회의 반복적인 제동 과정에서 나타나는 디스크의 열적 거동과 제동 패턴에 대해 분석하였다. 그리고 유한요소 해석을 이용하여 실험에서 나타난 제동 패턴 및 핫 밴드 형상에 대한 원인을 패드 마찰재의 불균일한 압력 분포와 형상의 관점으로 접근하여 분석하였다. 본 연구에서 얻어진 주요 연구 결과 및 결론은 다음과 같다. 첫째, 총 40회 반복 제동 실험의 고속 카메라와 열화상 카메라의 데이터를 분석하여 크게 3가지 패턴의 핫 밴드 거동이 경향성을 가지고 나타나는 것을 확인하였고, 이러한 패턴 경향성과 각 패턴의 핫 밴드 거동 특성에 대해 분석하였다. 둘째, 디스크와 패드의 마찰 시 패드 마찰재 블록 별 불균일한 압력 분포로 인한 핫 밴드 형성에 대해 분석하였다. 그 결과, 제동 패드의 마찰재 블록에 작용하는 압력 편차에 따라 핫 밴드의 위치가 변하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 실제 반복 제동 과정에서 서로 다른 제동 패턴, 즉 핫 밴드의 발생과 거동에 영향을 미치는 원인 중 하나로 패드 마찰재 블록 별 불균일한 압력 분포 작용이 주요 인자라는 것을 도출하였다. 이러한 불균일 압력 분포는 패드가 장착되어 실질적인 제동력을 가하는 캘리퍼 장치의 구조적 형상에 의해 발생할 수 있으며, 고속 철도 차량의 제동 장치 설계 단계에서 제동 패드에 작용하는 압력을 하나의 설계 평가 요소로서 고려하여 설계하는 것이 필요하다. 셋째, 2D 모델 기반 디스크-패드 접촉 면적 분석 기법을 제안하고, 이를 이용하여 제동 패드 마찰재 블록의 형상에 따른 핫 밴드의 거동을 분석하였다. 이를 위해 고속 철도 차량에 이용되는 각기 다른 마찰재 형상의 4가지 제동 패드를 이용하여 제동 해석을 수행하였고, 패드 블록 형상에 따른 반경 방향 마찰 면적과 온도 분포 간 상관성이 있으며 접촉 면적이 가장 높은 곳 부근에서 핫 밴드가 형성된다는 것을 알 수 있었다. 따라서 제동 패드 마찰재 블록의 형상이 핫 밴드의 발생과 거동에 영향을 미치는 인자임을 확인하였다. 패드 설계 시 마찰재 형상에 따른 반경 방향 접촉 면적을 균일하게 하는 것이 중요하며, 이를 통해 디스크 표면에 발생하는 마찰열의 편차를 최소화하는 설계가 필요하다. 본 연구를 통하여 제동 과정에서 국부적 열 집중 현상을 일으키지 않고 열이 고르게 분포될 수 있도록 하는 제동 패드, 캘리퍼 등의 제동 장치 설계의 중요성을 확인하였고, 제동 장치 설계 시 고려해야 할 사항을 제시하였다. 향후 제품 개발 과정에서 본 연구 결과 및 기법이 활용될 수 있을 것이라 판단된다. The brake system is one of the most important parts due to the characteristics of a high-speed railway vehicle that has a heavy body weight and travels at a speed of 300 km/h or more. Therefore, it is important to analyze the thermo-mechanical behavior of the braking process in order to develop the brake system for improving the braking performance of the high-speed railway vehicle and securing the safety. Especially, it is necessary to investigate the cause and behavior of the hot band, which is the local heat concentration phenomenon that is the root cause of hot spot and judder vibration. The purpose of this paper is to analyze the behavior and causes of hot bands in the braking process of high speed railway vehicles. For this purpose, the braking test was carried out based on UIC 541-3; the international standard for high-speed railway braking test, using a braking dynamometer, in order to evaluate the thermal behavior during the braking process of the disc-pad system in a total of 40 repetitive tests. The causes of hot band shape which is temperature distributions occurred in the tests, were analyzed by using finite element analysis based on two approaches: a pressure distribution on pad contact surface and a shape of pad stud. The main results and conclusions of this study are as follows. First, to observe the thermal behavior of the brake disc, the high-speed camera and thermal imaging camera were used in 40 times repetitive braking tests and the recorded results were analyzed. In the braking processes, three patterns of hot band behavior were appeared repetitively, and each pattern showed the different temperature distributions i.e. shape of hot band. Second, the occurrence of hot bands due to non-uniform pressure distribution in each friction stud was analyzed. As a result, the position of the hot band changes according to the pressure deviation acting on the brake pad studs. Therefore, it was found out that one of the major factors influencing the generation and different behaviors of the hot band in the actual braking process, is the non-uniform pressure distribution of the pad friction blocks. Third, the behaviors of the hot bands were analyzed according to the shape of pad stud and a contact area analysis method was proposed based on two-dimensional model of target disc and pads. The analyses were carried out using four different shape of pads. As a result, it was confirmed that there is a correlation between the contact area of each layer on the disc and the temperature distributions in radial direction according to the pad block shapes, and the hot band is formed in the vicinity of the highest contact area. Therefore, it is found that the shape of the brake pad stud is a major factor affecting the occurrence and behavior of hot bands. This study confirms the importance of designing braking devices such as brake pads and calipers to distribute heat uniformly without local heat concentration during braking process. In addition, the proposed results and methods in this study can be utilized in the future product development process.

Electromechanical properties investigations of high temperature superconductor (HTS) tapes

Dizon, John Ryan C 안동대학교 2008 국내박사

Development of new industrial technologies like superconductivity will play a major role in addressing problems regarding the proper management and efficient use of the world’s energy resources. In the past years, superconductivity technologies have been making remarkable progress, and it is expected that the new superconductivity industry will appear in the very near future in various industrial fields. From the discovery of High Temperature Superconductivity in 1986, high temperature superconductor (HTS) compounds have offered new and exciting possibilities for power applications at 77 K. Unfortunately, the industrialization and commercialization of these HTS materials have still not yet been realized due to issues including low critical current density (Jc), critical magnetic field (Hc), and critical temperature (Tc), as well as other application issues including AC losses, critical tolerance strain (c), cooling method/cost, reliability, availability in long lengths, material cost, stability, etc. For large-scale industrial applications of HTS materials such as cables, coils and transformers, the expected mechanical loads are needed to be evaluated at the design stage. And therefore, the effect of mechanical strain on the HTS material should be understood. Mechanical strain is not a fundamental parameter to achieve superconductivity, but its importance can be seen when the superconducting material is used for device applications. The critical current, Ic, in the superconductor depends sensitively on the different stresses/strains induced during fabrication/operation, and that just a little mechanical strain can cause a large drop in the current carried by HTS materials. This Ph.D. dissertation contains the condensed results of several years of experimental research on the electro-mechanical property evaluation of HTS tapes. Particularly, this work resulted from Ic measurements on HTS tapes as a function of mechanical strain which has been performed at the Materials Behavior Measurement and Evaluation Laboratory in Andong National University. Most of the research has been done within the framework of the Development of Advanced Power system by Applied Superconducting technologies (DAPAS) program of the Center for Applied Superconductivity Technology under the 21st Century Frontier R & D Program funded by the Ministry of Science and Technology, Republic of Korea. This study, which focuses on the electro-mechanical property evaluation and reliability assessment of HTS tapes, has been divided into four main topics. Chapter two focuses on the electro-mechanical property evaluation of ReBCO coated conductor (CC) HTS tapes. The electro-mechanical property evaluation of ReBCO CC tapes is still scarce, and considering the various emerging materials used as superconductor, buffer and substrate layers, a comprehensive study on the electro-mechanical properties of CC tapes under various strain modes is needed. In this chapter, the electro-mechanical properties of CC tapes were investigated under tensile and bending strains. The tensile strain dependence of Ic in two kinds of commercially available YBCO CC tapes and another one fabricated at KERI, which were processed by the rolling-assisted biaxially textured substrate (RABiTS) and the ion-beam assisted deposition (IBAD) techniques, have been investigated. The mechanical properties including the Young’s modulus and 0.2% offset yield stress at 77 K have been derived. Also, the irreversible strain/stress limits of Ic have been investigated. The influence of stabilizer on the Ic degradation behaviour in YBCO CC tapes with IBAD substrates was discussed. Under easy bending, hard bending, and torsional bending strains, a reversible behaviour of Ic has been found up to 1.6%, 0.6% and 1.6%, respectively, for the RABiTS/MOD processed YBCO CC sample with copper reinforcement. Under repeated easy bending, the Ic showed a 95% Ic retention up to 100 cycles for bending strains of 1.0% or less. Under the hard bending case local buckling occurred. Under torsional bending strain, the Ic degradation in YBCO CC tape under torsional strains occurred gradually. Chapter three focuses on the electro-mechanical property evaluation of jointed HTS tapes. Jointing of HTS tapes is needed during device manufacturing, installation and field repair. These joints should have high strength, low AC loss and low joint resistance. In this study, manual and mechanically-controlled lap jointing of YBCO CC tapes have been employed achieving good electrical and mechanical properties which means that jointed CC tapes with stabilizers can be applied to electric power devices. In the cases of non-symmetric 2G tapes, having different architectures, different joint configurations have been studied, namely, a) face-to-face b) back-to-back and c) face-to-back. The joint resistance and strength of the jointed HTS tapes have been evaluated. Electro-mechanical properties of the joint sample under tension and bending have been examined and compared with the case of the single tapes. For YBCO tapes evaluated, the electro-mechanical properties are similar with single tapes. Chapter four focuses on the reliability assessment of HTS tapes under a pressurized cryogen environment. The influence of pressurization of LN2 and thermal cycle of HTS on its Ic degradation and ballooning characteristics have been investigated. Accelerated reliability tests of HTS tapes under bending deformation were performed using a newly-devised -shaped sample holder and a cryostat for pressurization. Six kinds of multifilamentary Bi-2223 superconducting tapes and one YBCO CC tape were used as samples. For all samples, the Ic at the unstrained state of the sample, Ic0, decreased with the increase of applied pressure, but the Ic degradation behaviours with bending strain were similar. But when the vessel was depressurized to atmospheric pressure from 1 MPa, the Ic completely recovered to its initial value. When the samples were warmed up to room temperature after pressurization tests, ballooning damage occurred in all samples except for the Bi-2223 which has been pressurized during the sintering process, and YBCO CC tapes. Ballooning is usually located at the straight or less bent regions of the samples. It was observed that ballooning caused a severe degradation of Ic. Ballooning was suppressed at larger bending strain regions where the mandrel gives a structural constraint to the tape. Chapter five focuses on the development of a new bending technique for standardization. In this study, a -shaped sample holder which gives a series of bending strains to HTS tapes in just single mounting was devised. The Ic degradation behaviours under bending strain in Bi-2223 tapes were investigated using a -shaped sample holder. In order to make the data obtained by the newly developed sample holder and its testing procedure reliable, the results using the -shaped sample holder was compared with the conventional and other bending test procedures. The data obtained by the FRP sample holder/mechanical fixing and the -shaped sample holder showed a very close irreversible bending strain values. Also, the data obtained using the -shaped sample holder has low scattering, and thus it can be considered as a candidate standard test method. 초전도와 같은 새로운 산업기술의 발달은 세계 에너지 자원의 적절한 관리와 효율적인 사용 측면에서 중요한 역할을 담당하게 된다. 지난 수년 동안, 초전도 기술은 현저한 발전을 이루어 왔고, 가까운 미래에 여러 산업분야에서 새로운 초전도 산업이 나타날 것으로 기대되고 있다. 1986년 고온초전도체(HTS) 발견 이래로, HTS는 77K에서 전력분야 응용이라는 새로운 가능성을 제시해 오고 있다. 그러나 불행히도, 이들 HTS의 산업화 및 상용화는낮은 임계전류밀도(Jc), 임계자기장(Hc), 임계온도(Tc) 뿐만 아니라 교류손실, 임계허용 변형률, 냉각방법/비용, 신뢰성, 장선재 가용성, 비용, 안정성 등을 포함하는 이슈 때문에 아직 실현되지 못하고 있다. 케이블, 코일 및 변압기와 같은 대형 적용분야에서는, 초전도선재에 걸리는 예상되는 기계적 하중을 설계단계에서 평가하는 것이 필요하다. 따라서, HTS선재에 미치는 기계적 변형률의 영향을 알고 있어야 한다. 기계적 변형률이 초전도체의 필수 고려 변수는 아니지만, 초전도체의 장치 적용시에는 그 중요성이 고려되어야 한다. 초천도체의 임계전류(Ic)는 제조/운전하는 동안 걸리는 다양한 응력/변형률에민감하게 의존한다. 그리하여 작은 기계적 변형률에서도 HTS 재료에 흘릴 수 있는 전류를 크게 감소시키는 원인을 제공하게 된다. 본 논문은 몇 년에 걸쳐 안동대 재료거동 측정 및 평가연구실(MBMEL)에서 수행되어온 HTS테이프의 전기-기계적 특성을 평가한 연구결과를 압축 하고 있다. 따라서 연구의 대부분은 본 연구실에서 수행중인 21C프로티어사업인 응용초전도 기술개발 프로그램(DAPAS)의 사업 계획을 통해 수행되었다. 본 연구내용은 HTS테이프의 전기-기계적 특성 평가 및 신뢰성 평가에 초점이 맞추어서 크게 4개 영역으로 나눌 수 있다. 제2장은 ReBCO CC테이프의 전기-기계적 특성 평가에 초점을 맞추고 있다. ReBCO CC테이프의 전기-기계적 특성 평가는 아직 미비하며 또한 기층 및 버퍼층에 여러 가지 새로운 물질을 사용하는 것을 고려하면, 여러 가지 변형률 모더하에서 CC테이프의 전기-기계적 특성에 관한 광범위한 연구가 필요하다. 이 장에서는, 다양한 CC테이프의 인장 및 굽힘 변형률하에서 전기-기계적 특성을 조사하였다. RABiTS 및 IBAD기법으로 제조한 두 종류의 시판 YBCO CC테이프 및 KERI에서 시작한 YBCO CC테이프의 임계전류(Ic)의 인장변형률 의존성을 조사하였다. 77K에서, 영률과 0.2% 항복응력을 포함한 기계적 특성을 구하였다. 또한, Ic의 비가역 변형률/응력 한계를 조사하였다. IBAD기판의 YBCO CC테이프에서 Ic 열화거동에 미치는 안정화층의 영향을 고찰하였다. 구리로 외부보강한 RABiTS/MOD-YBCO CC시료에 대하여 쉬운 굽힘, 힘든 굽힘, 비틀림 굽힘변형률 모더 하에서, Ic의 가역적 거동은 각각 1.6%, 0.6%, 1.6%에 이르는 것을 알 수 있었다. 반복된 쉬운 굽힘 모더하에서, Ic는 ≤1.0%에서 100사이클까지 95%의 Ic유지를 나타내었다. 힘든 굽힘 모더의 경우, 국부적 좌굴이 발생하였다. 비틀림 굽힘 모더의 경우, YBCO CC테이프의 임계전류의 열화는 다른 변형률 모더의 경우보다서서히 발생하였다. 제3장은 접합된 HTS테이프의 전기-기계적 특성 평가에 초점을 맞추고 있다. HTS 테이프의 접합은 장치 제작, 설치 및 현장 수리 과정에서 요구된다. 이러한 접합은 높은 강도, 낮은 교류 손실 그리고 낮은 접합저항을 가져야 한다. 마그네트 응용을 위하여, 초전도체 접합부는매우 낮은 접합저항이 요구된다. 그러나 전력장치 응용에서는 어느 정도의 접합저항이 허용되어 납땜 접합으로 충분하다. 본 연구에서는, 수작업 및 기계적 제어방법을 사용한 YBCO CC테이프의 겹치기접합 작업은 우수한 전기적 및 기계적 특성을 갖추면서 적용될 수 있었다. 즉 안정화층을 갖는 접합된 CC테이프를 전력 장치에 적용할 수 있다는 것을 의미한다. 2G테이프는 비대칭 단면 구조를 가져, 다른 구조의 접합형상 즉 a) 앞면과 앞면의 접합 b) 뒷면과 뒷면의 접합, c) 앞면과 뒷면의 접합에 대하여, HTS테이프의 접합부 저항과 강도를 평가하였다. 인장과 굽힘하에서 접합된 시험편의 전기-기계적 특성을 단일 시험편의 경우와 비교하였다. YBCO CC테이프의 경우, 겹치기 접합부는 접합하지 않은 테이프의 전기-기계적 특성과 유사하였다. 제4장은 가압 냉매 환경하에서 HTS테이프의 신뢰성 평가에 초점을 맞추고 있다. HTS테이프의 Ic 열화거동과 배불림(ballooning) 특성에 미치는 가압 액체질소 및 열사이클의 영향에 대하여 조사하였다. HTS 테이프의 가속 신뢰성 시험을 위해 새로 고안한 �자 형상의 시험편 홀더와 가압용 저온 유지 장치를 사용하였다. 6 종류의 다심 Bi-2223테이프와 한 종류의 YBCO CC 테이프를 시험편으로 사용하였다. 가압하에서 모든 시험편의 Ic0는 가압과 더불어 감소하였으나, 굽힘변형률에 따른 Ic열화거동은 비슷하였다. 그러나 압력을 1 MPa에서 대기압으로 감압하였을 때, Ic는 완전히 초기 값으로 회복하였다. 가압시험후 시험편을 상온으로 승온 하였을 때, HIP처리한 Bi-2223 및 YBCO CC 테이프를 제외한 모든 Bi-2223시험편에서 배불림 손상이 발생하였다. 베불림은 대체로 시험편의 곧은 부분 또는 약간 굽은 부분에서 발생하였다. 배불림 현상이 심각한 Ic의 현저한 열화 원인이 되었다는 것을 알 수 있었다. 배불림 현상은 맨드릴이 테이프에 구조적 구속을 제공하는 큰 굽힘변형률을 갖는 영역에서는 억제되었다. 제5장은 새로운 표준화를위한 굽힘시험기술의 개발에 초점을 맞추고 있다. 본 연구에서는, 한번의 장착으로 HTS테이프에 연속적인 굽힘변형률을 부가할 수 있는 �자형상의 FRP 시료홀더를 고안하였다. �자 형상의 시료 홀더를 사용하여 굽힘변형률 하에서 Bi-2223테이프의 Ic 열화거동을 조사하였다. 새로 개발된 시료홀더와 시험절차를 사용하여 얻어진 데이터를 신뢰성을 위해서 종래의 다른 굽힘시험 절차로서얻어진 데이터와 비교하였다. � 자 형상FRP 시료홀더/기계적 장착을 통해 얻어진 데이터는 매우 근사한 Ic 열화거동과 비가역적 굽힘변형률 값을 나타내었다. 또한, �자 형상의 시료홀더를 사용하여 얻어진 데이터는 낮은 분산을 나타내었으므로, 이것은 하나의 표준시험법 후보로 고려할 수 있다. 전체적으로, 본 연구는 실제적인 HTS테이프의 전기-기계적 특성과 신뢰성의 보다 나은 이해를 추구한다.

초정밀급 공작기계용 기포억제 쿨런트펌프 케이싱 최적설계 및 CFD해석에 관한 연구

김상유 조선대학교 대학원 2020 국내석사

최근 IT기술의 발전과 전기자동차의 발전으로 초정밀급 가공의 필요성이 증가하였다. 초정밀가공은 형상정도와 표면조도를 모두 만족시키기 위해 가공 정밀도의 한계를 추구하는 최고의 가공정밀도를 갖는 가공법이라 할 수 있다. 2000년대 들어서는 1나노미터 전후의 가공정밀도를 보이고 있으나, 절삭가공이라는 관점에서 보면 원자의 격자 간 간격인 0.3나노미터 까지가 최대한계라고 볼 수 있다. 초정밀급 가공의 필요성으로 최근 들어 곡면 상에 미세 구조를 생성하는 기술을 필요로 하는 응용분야가 발생하고 있다. 공작기계의 구성장치 중 쿨런트펌프는 공작기계의 절삭 보링 및 그라인딩 작업 시 가공물과 공구를 냉각시키고 절삭된 칩을 분산시키거나 세척하기 위한 절삭유를 작업테이블 또는 가공 위치 등에 공급하여 가공물의 품질과 표면조도에 직접적인 영향을 주는 장치이다. 공작기계에서 가공물을 공작 시 쿨런트펌프를 이용하여 절삭유의 배출하는 과정에서 공기와 접촉하고, 다시 절삭유탱크로 순환하는 과정에서 공기가 함유하게 되며, 쿨런트펌프 내에 함유된 절삭유에 의해 기포가 발생하여 쿨런트펌프의 토출량이 감소하게 된다. 그 결과 절삭된 칩의 제거 감소 및 가공물의 냉각이 감소하여 가공물의 품질저하 와 표면조도가 감소하는 문제점이 발생한다. 또한, 절삭유에 함유된 공기에 의해 절삭유 부패현상이 발생하여 악취 및 환경오염에 원인이 된다. 그 결과 절삭된 칩의 제거 및 냉각성능이 감소하여 가공물의 품질과 표면조도가 저하되는 문제점이 발생한다. 현재 이와 같은 문제점의 해결책으로 30분 동안 공작기계를 가동 중지하여 해결하고 있다. 공작기계의 가동 중지로 생산성이 감소하게 되어 직접적인 문제 해결법이 아니다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 기포억제가 가능한 공작기계용 쿨런트펌프를 설계하고자 한다. 기존에는 공작기계용 쿨런트펌프의 성능개선을 위하여 주로 임펠러 입구각의 변경과 같이 임펠러의 구조개선을 통하여 최적설계를 하고 있다. 본 연구에서는 쿨런트펌프 케이싱을 구조개선하여 기포억제가 가능한 쿨런트펌프를 설계를 고려하고 있다. 쿨런트펌프를 1차적 설계검증을 위해 CFD해석을 고려하고 있다. CFD해석 신뢰성 검증으로 쿨런트펌프의 성능실험을 진행하였다. k-epsilon Realizable, k-epsilon RNG, k-omega SST 이 3가지 난류모델을 이용하여 CFD해석을 진행하였다. 쿨런트펌프 성능실험결과 k-omega SST 난류모델을 이용하여 해석을 진행하였을 때, 가장 오차율이 적었으며, 3.31% 이내의 오차율을 가졌다. 본 연구에서는 이전 쿨런트펌프의 성능개선 방법인 임펠러 구조개선이 아닌 쿨런트펌프 케이싱의 구조개선으로 공작기계용 쿨런트펌프의 성능, 양정 증가 및 기포억제가 가능하였고, 쿨런트펌프 성능실험 결과와 CFD해석을 비교분석한 결과 단순한 모델링일수록 해석오차율은 줄어들며, k-omega SST 난류모델은 쿨런트펌프와 같은 터보기계의 설계검증으로 CFD해석을 진행 시 난류모델에 적합하다는 것을 확인 할 수 있었다. Recent developments in IT technology and the development of electric vehicles have increased the need for ultra-precision. Ultra-precision machining is a machining method with the highest machining precision that seeks the limit of machining precision to satisfy both shape and surface illumination. In the 2000s, the precision of processing was around 1 nanometer, but from the perspective of cutting and processing, 0.3 nanometer, which is the gap between the lattices of atoms, can be seen as the maximum. The need for ultra-precision machining has recently led to applications that require technology to create fine structures on curved surfaces. Among the components of ultra-precise machine tools, the role of the coolant pump is used to cool the workpiece, such as cutting and boring, or to distribute and clean the cut chips. The factors that directly affect the quality and surface illumination of the workpiece. In the process of discharging cutting oil using a coolant pump during machining in a super-precision machine, air is in contact with the air, air is contained in the process of circulating the cutting oil tank again, Cavitation occurs due to the cutting oil contained in the pump, and as a result, the removal of cut chips and cooling performance are reduced, resulting in a problem of poor quality and surface conditioning of the workpiece. In addition, the air contained in the cutting oil causes decay, causing odors and environmental pollution. As a result, the removal and cooling performance of the cut chip are reduced, resulting in the problem of the quality and surface illumination of the workpiece. As a solution to this problem, the machine tool has been shut down for 30 minutes. It is not a direct solution to the problem as the shutdown of the machine tool reduces productivity. Currently, three types of turbulence model corrosion protection are applied in the CFD analysis of the turret system such as the coolant pump. There are k-epsilon Realizable, k-epsilon RNG, k-moga SST. The CFD analysis is conducted using the turbulence model equation to check the performance of the pump and the pressure of the impeller in the pump, and verify the air bubble suppression capability by comparing the existing and improved coolant pumps. The design of the six holes with a diameter of 8mm in pumping casing showed that the performance of the pump had the maximum increase rate of discharge in the positive 10m, and increased by about 72.41%. In addition, the performance improvement effect could be checked at the limit of 11m of positive crystal to 12m. CFD analysis has been verified with design verification of pump casing improvement. In CFD analysis, k-epsilon Realizable, k-epsilon RNG, and k-mega SST were analyzed using three turbulent models. As a result of the pump performance test, when the analysis was conducted using k-mega SST turbulence model, the error rate was the lowest, and the error rate was within 3.31%. In the pump experiment for air bubble suppression, it was confirmed that unlike the existing coolant pump for machine tools in the cutting oil environment that contains air bubbles, the clean pump for improved machine tools can suppress air bubbles and discharge transparent coolant. In this study, it was possible to control the performance, positive increase and bubble of the coolant pump for machine tool by improving the structure of the pump casing rather than improving the impeller structure, and the comparison and analysis of the pump performance test result with CFD analysis showed that the k-omega SST turbulence model was suitable for the CFD turbulence model of the turret system such as the coolant pump by checking the error rate within 3.31%.

대칭형 구조를 가지는 단일벽 탄소나노튜브의 기계적 특성 예측을 위한 이론 모델

김병구 연세대학교 대학원 2004 국내석사

탄소나노튜브는 우수한 기계적, 전기적, 화학적, 생물학적 특성으로 인하여 그 응용이 기대되는 소재로서 현재 다양한 분야에서 그 응용에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 탄소나노튜브에 대한 기계적 특성으로는 높은 강성과 강도, 큰 변형에서도 초기 상태로 돌아오는 초탄성적 성질을 가지고 있음을 기존 연구자들의 실험과 시뮬레이션에 의해 밝혀졌다. 이러한 특성과 함께 탄소나노튜브의 낮은 밀도는 나노복합재료나 나노구조물과 같은 나노미터 크기의 기계 시스템에 사용 가능한 재료로 여겨지고 있다. 탄소나노튜브에 대한 기계적 특성에 대한 평가는 실험과 시뮬레이션에 의해 수행되어 왔으며 실험을 통한 예측은 고가의 장비가 요구되며 직경의 크기가 작은 탄소나노튜브의 경우 다발 형태로 존재하는 경향이 있기 때문에 이를 실험을 통해 평가하기 어려운 단점이 있다. 이러한 문제로 현재는 주로 양자역학, 분자역학에 기초한 시뮬레이션에 의해 탄소나노튜브의 기계적 특성을 예측하고 있으며 이를 통해서 탄소나노튜브의 기계적 특성이 직경과 말리는 각도(Chirality)에 따라 변화함이 보고되었다. 하지만 각각의 탄소나노튜브에 대하여 시뮬레이션을 통한 기계적 특성 예측은 시간과 비용이 많이 소모되기 때문에 이에 대한 해석적인(Analytical) 방법으로 예측하는 모델이 필요하다. 따라서 본 논문에서는 비교적 구조가 간단한 대칭형 구조를 가지는 단일벽 탄소나노튜브의 분자 역학적 에너지와 동일한 체적을 가지는 연속체 모델의 연속체 역학적 에너지의 등가로 탄소나노튜브의 기계적 특성을 예측하였으며 탄소나노튜브 내의 각각의 결합이 기계적 특성에 미치는 영향을 파악할 수 있는 이론적 모델을 제안하였다. 제안된 이론적 모델을 통한 탄소나노튜브의 영률과 포와송 비는 튜브의 직경에 대해 변화하는 함수로 표현되며, 이 결과는 시뮬레이션과 실험에 의한 기존 연구자들의 결과와 일치하는 경향을 보였다. 본 연구는 향후 탄소나노튜브의 기계적 특성을 평가하는데 대한 기반 연구가 되며 더 나아가 나노 구조물의 거동을 평가에 대한 새로운 이론적 방법으로 제시될 수 있다. An analytical model, link between molecular mechanics and continuum mechanics, was proposed for predictions of mechanical properties of symmetric single-walled carbon nanotubes. In this study, Young's modulus and Poisson ratio were predicted by equating the molecular potential energy of unit cell of carbon nanotube with the strain energy of continuum model. Molecular potential energy of unit cell was calculated by incorporating bond stretching, variance of angle and inversion energy. Predicted Young's modulus and Poisson's ratio were functions of nanotube radius. These results were in good agreement with experimental and atomic simulation results. In addition, the effect of molecular mechanical parameters on Young's modulus of symmetric carbon nanotube was predicted. It was found that the bond lying along the loading direction or close to that direction was primary factor on Young's modulus. The variance of inversion angle was predicted. It has little effect on Young's modulus for axial direction loading. To confirm the inversion energy term in this model, the strain energy of a graphite sheet subjected to cylindrical bending was calculated form the present model and they show good agreement with other published results. The model developed in this study can be extended to the applications in general case of the carbon nanotube and nanostructure modeling.

가스터빈 블레이드용 GTD-111소재의 열기계 피로수명에 대한 열차폐코팅의 영향

김용석 성균관대학교 일반대학원 2012 국내석사

열차폐 코팅은 가스터빈 핵심 부품을 고온의 화염으로부터 보호하고 부품 표면 온도를 낮추기 위해 적용되며, 코팅에 의한 온도감소 효과는 약 100℃∼150℃ 로 알려져 있다. 열차폐 코팅은 MCrAlY 재료를 이용한 금속의 접합코팅(본드코팅)과 세라믹 재료를 이용한 최종코팅(탑코팅)으로 이루어진다. 모재위에 세라믹 탑코팅을 바로 적용하게 되면 모재와 세라믹 탑코팅 간의 열팽창계수 차이에 의해 코팅이 쉽게 파손될 수 있으므로 탑코팅과 모재 사이에 본드코팅을 적용한다. 본드코팅은 모재와 세라믹 탑코팅 간의 열팽창계수 차이에 의한 열응력을 완화시켜 줄 뿐만 아니라 탑코팅의 접착력을 높여주는 역할을 한다[1,2]. 이러한 고온에 의한 가스터빈 블레이드의 파손 이외에도, 작동시 블레이드는 3600 rpm 정도로 고속 회전하므로 원심응력을 받게 되고 또한 국내 운전 특성상 대부분의 가스터빈이 당일 가동 및 정지(DSS) 조건으로 운전됨에 따라 저주기적인 피로를 겪고 있다. 이러한 극한환경에서 가동되는 가스터빈 블레이드의 경우 고온에 의한 산화 및 크리프의 영향, 고속회전에 따른 발생응력 및 기동·정지의 반복에 따른 저주기 피로에 의한 기계적인 영향등을 모두 고려한 열기계피로(Thermal Mechanical Fatigue) 특성 평가 기술은 새로운 가스터빈 블레이드 및 열차폐 코팅 개발시 신뢰성을 입증할 수 있는 수단으로 사용되고 있다. 본 연구에서는 현재 상용 가스터빈의 1단 블레이드의 소재로 사용되고 있는 GTD-111에 대한 열기계피로 수명평가를 수행하였으며, 동상 및 역상의 가동조건에 의한 수명의 영향을 평가하였다. 또한 가스터빈 1단 블레이드에 적용되고 있는 APS(Air Plasma Spray)방식에 의해 제작된 열차폐코팅이 적용된 시험편에 대한 수명평가를 모재 시험편과 동일한 시험방법으로 시험함으로써, GTD-111소재의 열기계피로 수명에 대한 코팅의 영향을 평가하였다. GDT-111의 열기계피로 파괴 메커니즘을 규명하기 위해 파단된 시험편에 대한 파단면 분석을 수행하였으며, 열기계피로에 의한 기계적 성질변화를 분석하였다. 또한, 시험 전․후의 시험편에 대한 조직분석을 통해 열기계피로시험에 의한 조직변화 양상을 관찰․분석하였다. Ni-based supperalloys having such a great mechanical performance at high temperature condition and thermal barrier coating(TBC) technique protecting substrate from high temperature are widely applied to industrial gas turbines and aircraft engines to indure severe enviornment. In addtion, thermo-mechanical fatigue(TMF) testing is an widely used method to evaluate the material properties and behaviors under the start-up and shut-down conditions of gas turbine. In this study, to evaluate the microstrutural failure mechanisms of Ni-based supperalloies such as corrosion and metal diffusion between coating layers, microstructural analysis was performed after TMF tests on specimens of GTD-111 applied to 1st blades of industrial gas turbines. Also, to evaluate the effect of TBC on microstructural failure mechanism of GTD-111, TMF tests on coated specimens of GTD-111 were perfomed, and microstructural analysis was performed by the same procedure.

실험계획법을 이용한 기계식 프레스의 구조특성해석 및 최적설계

황인범 한국항공대학교 대학원 2014 국내석사

금속 성형 공정에 사용되는 보편적인 가공 기계는 프레스이고, 산업 현장에서 많이 사용되는 프레스의 형태는 기계식 프레스와 유압식 프레스이다. 기계식 프레스는 유압식 프레스에 비해서 가공 속도가 매우 빠르고, 에너지 효율도 높기 때문에 프레스 가공에서 차지하는 비중이 상대적으로 높다. 특히 기계식 서보 프레스는 기계식 프레스의 가공 속도, 가공 정밀도와 신뢰성, 그리고 유압식 프레스의 가공 유연성을 모두 갖추고 있다는 점에서 많은 주목을 받고 있다. 본 연구에서는 기계식 서보 프레스의 루프 강성에 대한 최적설계를 수행하고자 메인 프레임의 리브와 격벽들의 두께를 설계 변수로 설정하고 실험계획법 중 하나인 반응표면법을 사용하여 총 27가지의 구조 해석 조건을 도출하였다. 그리고 각각의 조건을 만족하는 해석 모델에 대해 구조 해석을 실시하여 루프 강성과 총 질량을 산출하고, 그 결과를 토대로 기계식 서보 프레스의 루프 강성과 총 질량에 대한 2차 회귀 모형 형태의 예측 모델을 수립하였다. 그리고 구조 해석을 통해 얻은 측정값과 예측 모델을 이용하여 얻은 예측값을 비교함으로써 두 예측 모델의 신뢰도를 평가하고 최적화 함수를 이용하여 총 질량의 변화가 억제된 조건에서 루프 강성에 대해 최적화된 설계 변수들을 도출하였다. 이러한 과정을 통해 얻은 최적 설계 변수를 기계식 서보 프레스의 메인 프레임에 적용하고 최적 설계 모델을 구축하여 구조 해석을 실시하였다. 그 결과 최적 설계 모델은 기존 모델에 비해 루프 강성이 6.1% 향상되었고 총 질량이 0.1% 감소하였다. In this study, the structural analysis criteria were derived by using response surface methodology which is one of the design of experiment method in order to perform an optimal design for loop stiffness of the mechanical servo press. And the virtual prototype of the mechanical servo press satisfying each condition was constructed and analyzed to calculate the loop stiffness and total mass and the result were used to establish the prediction model of the loop stiffness and total mass. This process resulted in the optimal design variables. And finally, the optimal design variables were applied to the main frame of the mechanical servo press to construct the optimized model of the mechanical servo press.

기계식 연료공급시스템 사용 다기통 경유-LPG 혼소엔진에서의 배출가스 특성에 관한 연구

조승환 인하대학교 대학원 2012 국내박사

전체 자동차 등록대수중 건설기계가 차지하는 비율이 낮음에도 불구하고, 건설기계에서 배출되는 배출가스의 기여도는 NOx 15.1%, PM 15.5%, CO 6% 및 VOC 9.1% 등으로 높은 수준을 차지하고 있다. 최근 자동차의 배출 허용기준이 강화되고 있고, 자동차로부터의 오염물질이 저감됨에 따라 전체 오염물질 배출량에서 건설기계가 차지하는 기여도는 증가하고 있다. 운행 중인 건설기계중 약 79.3%는 미규제 및 Tier-1 배출 허용기준 적용을 받고 있기 때문에 오염물질 배출 규제가 어려운 실정이다. 노후 건설기계 엔진에서 PM배출량을 저감하기 위해서는 DPF와 같은 후처리장치가 많이 적용되고 있지만, NOx 저감에 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 기계식 연료펌프를 사용하는 노후 건설기계용 원동기의 배출가스를 저감하기 위해서 LPG 혼소(Dual fuel) 기술을 적용하였고, 베이스 경유엔진 및 LPG 혼소엔진의 배출가스 특성을 측정 및 비교하였다. 혼소 기술을 경유엔진에 적용시 경유 분사량이 감소하여 분사 길이가 짧아지게 된다. 분사 길이 변화는 분무 및 혼합 특성을 변화시키는 요인이 된다. LPG 혼소율 증가에 따라 경유가 혼소전과 동등한 수준의 분사거리확보가 중요하다. 이를 위해서 기계식 연료펌프를 이용한 분무 특성 장치를 구성하였고, 분무 패턴 및 분무 형상을 측정 및 분석하였다. 분사 노즐 직경은 작아지고 홀 개수가 많아진 노즐#2의 경우, 분사거리가 경유 100% 및 50%의 경우 비교하여 각각 약 74%와 79%수준을 나타내어 유사한 분무 도달거리를 나타내어 혼소 엔진에서 연소 개선이 가능할 것으로 파악된다. 현재 건설기계 엔진은 배출가스 검사시험 방법으로 KC1-8모드를 이용하고 있다. 베이스 경유엔진의 최대출력 및 최대 토크선도를 도출하여 KC1-8 모드 측정점을 파악하였다. LPG 혼소의 경우 베이스 경유엔진과 동일한 출력하에서 실험이 진행되었기 때문에 각 엔진은 동일한 KC1-8모드의 측정점에서 배출가스를 측정하고 비교 및 분석하였다. 그리고 LPG 혼소 연소시 연소 특성변화에 따른 엔진변수를 최적화하기 위해서 베이스 경유엔진 및 LPG 혼소시 엔진 연소실 압력파형 취득 및 열발생율을 계산하였다. 배출가스 측정결과와 열발생율 계산결과 분석을 통해 배출가스의 저감원인에 대해서 분석 및 이해하였다. LPG 혼소시 배출가스를 최적화 할 수 있는 엔진 변수를 고려하기 위해서 분사시기 조정 및 노즐의 개변압 변경, 노즐의 돌출길이 변경, EGR 모사, 산화촉매 장착, SPI(Single point injection), 혼소율 증가 등의 실험을 진행하였다. EGR 모사를 통해 모드별로 약 47.8~66.5%의 NOx가 저감가능하고, 산화촉매 장착으로 CO는 약 89.9%, HC는 약 57.3%의 저감하였다. SPI 및 연료펌프 고압챔버의 체적변화는 배출가스 저감에 기여하지 않는 것으로 확인하였다. 실험용 엔진에서 혼소율은 knocking이 발생하지 않은 영역에서 최고 49.6%까지 증가가 가능함을 확인하였다. 다양한 분사시기 및 노즐 개변압 조절로 NOx 및 soot 각각의 배출 저감을 최적화 가능한 조건을 파악하였다. NOx와 soot의 저감율을 모두 고려하면, 분사 노즐 개변압 180bar, 연료 분사시기는 BTDC 15도 임을 확인하였다.

Mechanical characterization of protein materials at multiple spatial scales

윤권찬 Graduate School, Korea University 2012 국내박사

Proteins are designed to perform mechanical functions for maintain the life of livings, and it can be possible to design the biomaterials through mimicking the protein function. Moreover, the protein causes some fatal disease when the proteins are mis-produced in the phenomenological condition, so it is important to understand the protein’s function, which is related to the structure and property of proteins. Recently the characterization methods help to investigate the structure-property relation of proteins in the multiple length scale form atomic to macro scale, and it can help to understand diverse functions of proteins. In this dissertation, the state-of-art of the characterization methodology for biomaterial is introduced, and the structure-property-function relationship of the protein materials is investigated in multiple hierarchical structures of proteins such as single bond, protein domain, and protein fibrils. Furthermore, diverse in silico characterization methodologies are suggested which are proper to each hierarchy of protein materials. It is believed that the result from mechanics-based studies about the protein materials in this dissertation can positively inspire engineers who participate to the interdisciplinary fields. 단백질은 생체 내에서 여러가지 기능을 담당하도록 설계되었는데, 그 중 기계적인 것과 관련된 기능을 하는 단백질이 몇 가지 있다. 예를 들어 거미줄의 spider silk protein 과, 근육의 muscle protein 은 아주 중요한 기계적 기능을 담당하고 있다. 최근 들어 이 단백질들을 생산하고, 또한 모방하여 인공 생체 재료를 만드는 연구가 활발히 진행 중에 있으며, 그것의 설계 원리에는 단백질의 구조-물성 관계가 큰 역할을하고 있다. 또한 단백질이 변성됨으로써 질병을 유발하는 경우가 있는데, 그 예로 알츠하이머병, 파킨슨병, 당뇨병 등이 있다. 이 질병들의 공통점은 질병의 원인이 인체 조직내에 아밀로이드라는 단백질이 형성되어 자리 잡아 정상적인 조직을 밀어내기 때문이다. 그리고 최근 연구에 의하면 이 아밀로이드 단백질은 탄성계수가 수십 GPa에 육박하는 견고한 물질임이 밝혀진 바 있다. 이처럼 기계적인 물성은 단백질의 변성과 관련된 질병의 특징을 대표하는 중요한 지표가 될 수 있다. 더 나아가 이 아밀로이드 단백질을 이용하여 새로운 나노 소재로 이용하려는 움직임도 있는데, 이를 위해서는 단백질 재료의 설계 원리, 즉, 구조-물성 관계가 정립되어야 할 필요가 있다. 단백질은 아미노산이라는 단위 분자가 사슬처럼 연결되며, 이 사슬이 3차원의 접힌 구조를 갖는다는 것이 큰 특징이다. 그리고 이 3차원의 접힌 구조가 모여 나노 섬유 형태를 이루고, 이것들이 모여 조직을 형성하는 계층적 구조를 가지고 있다. 기술 의 발전으로 단백질의 계층적 구조가 점점 밝혀지고 있으며 그 결실을 맺고 있는데, 최근 들어서는 가장 하위 계층인 아미노산을 조작하여 상위 계층의 3차원의 접힌 구조를 만들고, 그것을 모아 원하는 물성을 가진 재료를 만드는 Bottom-up 방식의 재 료 설계 방법이 성공적으로 제시되었다. 이러한 흐름으로 볼 때 단백질의 각 계층 구조와 기계적인 물성의 관계를 정립하는 것은 매우 의미 있는 연구라고 할 수 있다. 본 학위 논문의 1장에서는 위에서 설명한 것과 같이 단백질의 기계적 물성 파악이 중요한 이유와, 1990년대부터 현재까지 단백질의 기계적 물성을 파악하는 실험과 시뮬레이션에 관련된 것을 정리했다. 특히, 마지막에 정리된 Coarse-grained method 는 본 논문에서 사용한 해석 기법으로, 계층적 구조를 가지는 단백질의 기계적 특성을 파악하기에 매우 효율적인 시뮬레이션 기법이라고 할 수 있다. 2장에서는 단백질의 가장 하위 계층인 단일 결합의 기계적인 특성을 정리하였다. 특히 단일 결합에 외력이 작용하여 결합이 깨질 때 발생하는 힘이 인장 기구의 강성과 어떤 관련이 있는지를 연구하였다. 3장에서는 단백질의 그 다음 상위 계층인 secondary structure 의 기계적인 특성을 파악했다. 그 중 단백질의 3차원 구조 중 기본이 되는 ┒-helix 구조와 ┑-hairpin 구조, 그리고 이방성의 특징을 지니는 ubiquitin에 대해 연구하였다. 4장에서는 단백질의 그 다음 상위 계층인 fiber 형태를 이루는 단백질의 기계적물성을 파악하였다. 본 연구의 차별성은 fiber 형태의 단백질 전체를 해석하지 않고, 전체 구조를 대변하는 대표 체적 요소를 사용하여 전체 fiber의 기계적 물성을 파악하였다는 것에 있다. 5장에서는 질병과 관련된 단백질에 대한 기계적인 물성을 파악하였다. 또한, 앞에서 소개한 아밀로이드 단백질의 구조-물성 관계를 정립함으로써, 질병을 더 이해하고, 아밀로이드 관련 단백질 소재의 설계 원리를 제안하고자 하였다. 마지막으로 6장 에서는 결론을 지었다. 이 논문은 나노 바이오 분야의 줄기 중 하나인 생체 나노 소재와 관련된 연구이다. 특히, 생체 나노 소재 중 생체 내에서 각종 기능을 담당하는 단백질의 기계적인 물성을 파악함으로써 단백질 재료의 구조-물성 관계를 정립한 것에 본 논문의 의의가 있다. 본 논문이 향후 나노 바이오 분야와 더불어 학제간 융합 연구를 하는 연구자들에게 도움이 되기를 기대한다.

대형 및 고출력 기계의 소음평가와 저감 대책에 관한 연구

이영욱 圓光大學校 2020 국내박사

기계 산업의 발달로 플랜트 산업현장의 기계가 대형화되고 빠른 속도와 고출력으로 가동이 이루어짐에 따라 현장에서 종사하는 근로자들은 고 소음과 충격소음에 노출되어 청력손실의 위험이 증가하고 있다. 또, 이러한 문제로 인해 산업현장의 근무 환경은 점점 열악해지고 산업재해로 피해자들이 날로 늘어가고 있는 실정이다. 따라서 이러한 피해를 최소화하기 위해 생산시설 대형기계의 소음을 저감하고자 하는 많은 노력을 기울여왔다. 그러나 대부분의 플랜트 현장의 대형기계는 해외에서 설계⋅제작되어 기본적인 정보의 접근이 어려운 상황이고 이러한 기계들에 대한 규제기준이나 관리방안, 측정방법이 미흡하며 설치된 소음저감 장치를 보수하거나, 플랜트 설계 시 소음저감 장치에 대한 정보의 획득이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 소음의 주체인 대형 및 고출력 기계의 소음을 평가하고 저감 대책을 수립하기 위해 다음의 내용을 연구하였다. 먼저 소음관련 이론적 고찰과 소음평가 및 저감 관련 선행연구사례를 검토하였고, 국내 플랜트 현장에 설치된 대형기계 소음도 발생 실태를 조사, 산업안전보건법 기준의 방음 설계와 플랜트에 설치된 대형기계의 복합소음에 대한 방음설계 등을 조사하여 플랜트 설계업체의 설계기준을 마련한다. 또, 소음 영향도를 예측하고 제조사의 기계별 소음도를 측정하며 소음의 저감에 필요한 정보를 획득하고 소음 업체를 효과적으로 관리하기 위해 소음지도 전용프로그램을 이용하여 산업체의 소음실태를 조사한다. 향후, 소음 저감과 관련한 연구와 플랜트 설계의 기준을 확보하기 위한 자료를 데이터베이스화 한다. 현행 기계소음 측정방법과 소음 모니터링 시스템 적용방안을 검토하여 소음개선과 관리방안을 제시한다. 대형 생산시설 공정의 소음 평가와 저감에 관련한 선행연구는 다음과 같이 조사되었다. 먼저 외국의 사례들로 유럽직업소음제어지침(European Occupational Noise Control Directives) 에서는 소음에 노출된 작업자를 보호하기 위하여 작업자의 청력을 점검하고, 저소음 기계를 사용하며 작업자에게 청력 보호구를 착용하게 하였다. 또한 기계류의 소음레벨이 최소화될 수 있도록 기계류의 사용설명서나 기술보고서에 소음레벨을 표기하도록 규제하였다. 미국직업소음협회(Occupational Noise in the USA) 에서는 제조 기계로부터 1m 이내에서 85dB(A)를 초과하는 경우에는 작업자의 청력보존 프로그램에 의거 작업자 보호에 대한 중요성을 설명했고, 작업장 소음에 대한 상한성 기술평가(Technical Assessment of Upper Limites on Noise in the Workplace)에서는 1990년대, 사업장의 높은 소음 레벨을 저감하기 위해서는 경제적, 사회적으로 많은 비용이 소모되는 것을 인식시키는 등 소음에 대한 문제와 대책들을 제시하였다. 국내 사례를 보면, 여러 종류의 기계장치에서 발생되는 소음을 음의 팽창, 간섭, 공명 및 흡수의 원리로 소음을 감소시키는 소음기와 소음기의 저주파수 영역에서의 일반적인 소음저감 성능은 음파진행 단면의 기하학적 형상을 이용한 음의 팽창, 간섭 및 공명의 이용 등에 대해 제시했다. 또, 변압기의 소음을 효과적으로 차단하기 위해 저주파수 영역에서는 음향 공명기 등에 대한 원리와 효과를 제시하였다. 저소음 팬 설계를 위해 효율적인 유동 해석 툴과 소음 해석 툴을 개발하여 적용시켰고 그 효과에 대해 제시하였다. 국내 플랜트 현장 대형기계 소음도 발생실태조사는 화학제품, 금속제품, 펄프지류, 전자제품, 수송용기계기구 등의 제조업체와 화력발전소를 대상으로 측정을 실시하였다. 소음레벨의 측정은 소음원의 발생 시간을 충분히 고려하였다. 즉 소음원이 일정 시간동안 반복적으로 소음을 발생한 후 규칙적인 소음을 발생하는 경우에 한하여 소음을 측정하였다. 소음원에 대한 규명은 선형 주파수 분석을 통해 실시하고 있기 때문에 청감보정 특성을 고려하지 않았다. 조사한 대형기계와 고출력 기계의 소음원들은 대부분이 90dB 이상을 상회하고 있고, 향후 기계장치의 노후를 감안할 때 점점 소음도는 증가할 것으로 예상된다. 플랜트 설계업체의 설계기준 조사는 방음에 대한 부분으로 산업안전보건법 기준에서는 운반의 용이성과 흡음과 차음에 대한 문제와 방음 상자에 소음기를 설치하여 소음의 저감효과를 향상시킬 수 있는 방법을 조사하였고, 방음상자의 설치 효과는 15∼20dB(A) 로 조사되었다. 플랜트에 설치된 대형기계의 복합소음에 대한 방음설계에 대한 조사에서는 사업장 내부공간에 설치하는 흡음재, 기계별 칸막이, 방음카바 등을 이용한 복합소음 차단 등의 요소들이 조사되었다. 제조사의 기계별 소음도 예측 및 측정에서는 KS A ISO 측정방법 중 하나인 음향-음압법에 의한 소음원의 음향 파워 레벨 측정 방법-반사면상 준 자유 음장에서의 실용 측정방법을 적용하여 측정했고, 소음지도 전용프로그램을 이용하여 실내·외 대형기계 및 고출력 기계별 소음의 분포와 영향도를 예측하였다. 기계 형식 및 출력에 따른 소음정보의 데이터베이스화를 위하여 기계 형식 및 출력에 따른 소음측정 자료와 각종 조사자료, 소음지도 전용프로그램을 이용하여 분석된 자료들을 데이터베이화 하여 산업체 밀집 지역의 소음관리와 플랜트 시설 설계 시 소음저감에 대한 설계 자료로 활용될 것으로 보며, 기계소음 개선과 관리를 위해 현행 측정방법의 적정성을 검토하고 모니터링 방법 적용방안을 검토하였으며, 각종 저감장치의 설계를 통해 소음의 개선과 관리방안을 제시하였다. With the development of the mechanical industry, the machines on the site of the equipment industry have become large-scale, fast and high power output operation, and workers in the field are exposed to high noise and impact noise, increasing the risk of hearing damage. In addition, due to such problems, the working environment of the industrial site is getting worse and the victims of industrial disasters are increasing. Therefore, in order to reduce these damages, efforts should be made to reduce the noise of large machines in production facilities. However, most of the plant's large-scale machines are designed and manufactured overseas, so it is difficult to access basic information. The regulatory standards, management plans and measurement methods for these machines are insufficient. It is necessary to obtain information about the noise storage devices installed for warranty and the noise reduction device when designing the equipment. Therefore, in this study, the following contents were studied to evaluate the noise of large production facility process and to establish the countermeasures. First of all, the theoretical considerations related to noise and previous research cases related to noise evaluation and reduction were reviewed. Investigation of the occurrence of large-scale machine noise at domestic plant sites was conducted. The sound insulation design of the industrial safety and health care law benchmark and the large-scale machine compound noise design of the equipment are carried out. In addition, to predict the impact of noise, to measure the noise level of the manufacturing company, to obtain the information necessary to reduce the noise, and to effectively manage the noise company, the noise status of the industry is investigated using the noise map dedicated program. In the future, the database for research on noise reduction and securing the standard of plant design will be made. The current system noise measurement method and noise monitoring system application plan are reviewed and the noise improvement and management plan is suggested. Previous studies related to noise evaluation and reduction of large production plant processes were investigated as follows. First, in the case of foreign countries, the European Occupational Noise Control Directives check the worker's hearing, use low-noise devices, and put the worker wear hearing protection to protect workers exposed to noise. In addition, in order to minimize the noise level of machinery, it was regulated to indicate the noise level in the manual or technical report of machinery. Occupational Noise in the USA under the Workers' Hearing Preservation Program described the importance of worker protection when the manufacturing machine noise exceeding 85dB(A) within 1 meter. In 1990's Technical Assessment of Upper Limites on Noise in the Workplace costs a lot of money in economy and society to reduce the high noise level of workplaces, and puts forward the problem and countermeasures against noise. In the domestic case, the general noise reduction performance in the low frequency region of the silencer and silencer that reduces the noise from various kinds of machinery by the principle of sound expansion, interference, resonance, and absorption is the geometric shape of the sound wave propagation cross section. The use of sound expansion, interference and resonance is presented. In addition, in order to effectively block the noise of the transformer, the principle and effect on the acoustic resonator are presented in the low frequency region. An efficient flow analysis tool and noise analysis tool have been developed and applied for the design of low noise fan and its effects are presented. The survey on the noise generation of large machinery in domestic plant sites was conducted for manufacturers of chemical products, metal products, pulp paper, electronic products, transportation machinery, and thermal power plants. The measurement of the noise level fully considered the generation time of the noise source. That is to say, the noise is measured only when the noise source repeatedly generated noise for a certain time and then produced regular noise. The identification of the noise source was carried out through linear frequency analysis, so the auditory compensation characteristics were not considered. Most of the noise sources of large and high-powered machines surveyed are more than 90dB. Considering the aging of the mechanical equipment in the future, the noise will gradually increase. The survey of design standards of plant design enterprises is the part of sound insulation. In accordance with the Industrial Safety and Health Act, we investigated the ease of transportation, the problems of sound absorption and sound insulation, and the method of improving the noise reduction effect by installing a silencer in the soundproof box. It was investigated that the installation effect of sound insulation frame is 15-20dB (A). In the investigation of the sound insulation design for the compound noise of the large machine installed in the plant, the factors such as the sound absorbing material installed in the workplace, the partition of each machine, and the compound noise blocking using the soundproof cover were investigated. In the manufacturer's noise level prediction and measurement, the sound power level measurement method of the noise source by the acoustic-sound pressure method, one of the KS A ISO measurement methods, was measured by applying the practical measurement method in the quasi-free sound field on the reflecting surface. The program was used to predict the distribution and influence of noise by indoor and outdoor large machines and high power machines. The database of noise information in machine format and output is based on noise measurement data and various investigation data caused by machine format and output. Using the data of noise guidance special program analysis, it will be used for noise management in industrial intensive areas and design data of low noise sense in equipment design. In order to improve the noise and management of the machine, the scheme of the applicable method of the current measurement method is reviewed, and the improvement and management scheme is put forward through the design of various low sensing devices.