본 연구에서는 매미가 소형이면서도 광대역의 소리를 낼 수 있는 원리가 무엇인지를 파악하고 이중 음향 발생 장치 제작에 적용할 수 있는 요소를 도출하였다. 매미의 발음기관에서 가장 중요한 부분은 복부 공명실과 진동판이다. 복부 공명실은 위상 반전형 인클로져 시스템으로 모델링 할 수 있으며, 진동판은 돔 형태의 박판으로 볼 수 있다. 근육에서 발생된 입력 신호는 진동판의 곡면에 의해 판에 좌굴을 일으켜 높은 음압의 소리를 발생시킨다. 발생된 소리는 복부를 통해 위상이 반전되어 특정 대역이 강조된다. 진동판의 가장 큰 특징은 곡면구조에 의한 비선형적인 출력이며 이를 통하여 가진 주파수와 상이한 주파수 성분들을 효과적으로 발생시키게 된다. 이러한 구조를 음향 발생장치로 활용하기 위하여 단순한 곡면판의 기하학적 파라미터 변화에 따른 출력 변화 경향을 관찰 하였으며, 이러한 원리를 활용한 음향 발생장치를 구성하였다.
에너지 보존 법칙과 스넬(Snell)의 법칙 및 경로 길이에 의한 동위상의 조건으로부터 수정곡면 캐서그레인 안테나 반사판의 단면을 설계하였다. 원형 개구면에서 균일 개구면 위상을 갖도록 개구면의 수직 및 수평 급전분포 함수에 따른 동위상 조건을 만족하는 3차원 반사판 곡면의 프로파일을 구하였다. 직경 55 ${\lambda}_0$의 크기를 갖는 Ku 밴드용 수정 곡면 캐서그레인 안테나 반사판을 물리광학에 의한 시뮬레이션 결과, 36.4 dB, 33.9 dB의 부엽 레벨을 AZ 및 EL 방향에 대해서 각각 얻을 수 있었으며, 이전 안테나와 비교하여 10 %의 지향성 개선효과가 있었다.
이 논문은 위성 지구국용 수정곡면 카세그레인 안테나를 설계하는 것이다. 수정곡면 카세그레인 안테나 설계는 다음과 같은 절차로 수행된다. 1) 원하는 안테나 사양을 만족하도록 개구면 전계분포 설계, 2) 적절한 구조 퍼래미터 결정, 3) 반사판 곡면 좌표 추출 등이다. 이를 위해서 개구면 전계 분포는 Hansen 단일변수 분포를 선택하고, 개구면에 의한 원거리 복사패턴은 각스펙트럼법을 이용하여 예측한다. 설계 주파수에서 정해진 사양을 만족하도록 개구면을 설계한 후, 이 분포가 다른 주파수에서도 사양에 만족되는지 확인한다. 주어진 급전 패턴이 설계된 개구면 분포로 변환되도록 주 및 부반사판 곡면을 합성한다. 곡면추출에 필요한 급전 패턴으로 빔웨이브 가이드의 복사패턴을 이용한다. 설계된 시스팀은 원형 개구면을 갖고, 좌우 대칭이며, 축들이 기울어지지 않는 구조를 갖는다. 종합보간법을 이산적 반사판 설계 데이터들에 적용하여, 연속적인 반사판 곡면 함수를 얻는다. 기저 함수로 JPS함수를 사용한다. 설계는 주파수 17.7-20.2GHz의 수신밴드와 27.5-30GHz의 송신밴드를 갖는 Ka밴드에서 동작하는 카세그레인안테나를 설계한다.
선박 생산 현장에서는 선체의 곡가공을 위해 선상가열법이 널리 사용되고 있다. 최근 선박 생산성 향상을 위하여 선상가열법에 의한 강판 곡가공 자동화 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으나, 그 연구들은 주로 각각의 가정된 역학 모델을 도입하여 가열에 의한 판의 변형 거동을 해석하는 데에 집중되고 있고, 실제 곡면 가공에 이용될만한 실용성있는 가열선 결정 방법을 제시하는 것은 드물다. 본 논문에서는 선상가열 공정을 시뮬레이션하기 위해 새로운 가열선 결정 알고리즘을 제안한다. 이 알고리즘의 특징은 가공곡면과 목적곡면의 차이를 나타내는 변위차이곡면의 곡률을 계산하는 것이다. 몇 가지의 전형적인 곡면 형상에 대해 점검한 결과, 실용성과 적용 가능성을 확인하였다.
이 논문에서는 수정곡면 카세그레인 안테나의 복사특성을 해석하였다. 부반사판의 복사특성은 GTD를 이용하여 계산되었고, 완전한 복사패턴은 반사파와 회절파의 합으로 표현되었다. 부반사판의 해석을 위해서 부반사판의 1,2차 미분값을 국지보간법을 이용하여 구했다. 주반사판의 복사특성 해석은 PO를 사용하여 유도된 표면전류밀도를 적분하므로써 수행되었다. Jacobi-Bessel 급수를 이용하여 적분식을 변형시켜서 계산 시간을 단축시켰다.
본 연구에서는 차체의 충돌해석 및 모델링을 위하여 판/쉘 요소의 자동생성 모듈을 개발하고 재료의 변형특성 모델링 모듈 및 접촉처리 모듈을 개발하였다. 충돌해석용 전처리기능으로는 평면, 실린더 곡면, B-스플라인 곡면 및 블렌딩 (blending) 곡면상에서의 사각형 요소망 자동생성 기법과 프로그램을 개발하였다. 또한 차체를 구성하고 있는 여러가지 재료들의 변형거동을 모델링하여 개발중인 충돌해석전용프로그램인 Autocrash의 모듈로서 완성하였다. 이들은 변형률속도의 영향이 고려된 탄소성 재료, 강체 재료, 포옴 재료 및 이방성 재료등으로 정면충돌 해석 및 측면충돌 해석에 필요하다. 한편 접촉처리 모듈에서 접촉탐색법으로는 주종탐색법과 HITA 알고리즘을 병행하여 사용할 수 있도록 프로그래밍하였으며, 불침투 조건의 처리는 벌칙함 수법을 이용하였다.
선박의 선미부와 선수부는 복잡한 곡을 가진 블록들의 조립으로 만들어진다. 이러한 복잡한 곡률 분포를 가진 이중 곡면을 성형하기 위해서 조선소에서는 롤러 굽힘 가공과 선상 가열을 이용하고 있다. 일차적으로는 롤러 굽힘에 의한 가공으로 실린더 형상이나 원추 형상의 곡면을 만들고 난 후, 선상 가열을 수행하여 목적 형상으로 이차 가공을 한다. 본 논문은 곡면 가공에서 선행되는 일차 가공의 정보로서 가공 방향과 가공 후 형상을 결정하는데 목적이 있다. 목적 형상의 가우스 변환(Gauss mapping)으로부터 가공 방향에 관한 정보를 결정하고 목적 형상과 롤러 굽힘 가공에 의해 변형된 판 사이의 기하학적 관계를 이용하여 롤러 굽힘 가공의 모양을 결정하는 알고리즘을 제시하였다.
선체 외판은 다양한 곡률을 가진 곡면으로 이루어져 있으므로 선박설계, 선각생산을 위한 선형의 기하하적 모델링에 있어서 순정작업은 시간이 많이 소요되는 일이나 피할 수 없는 작업이다. 본 논문에서는 교차순정법의 지루한 작업을 극복할 수 있는 수학적 순정법인 직접순정법을 제시하였다. 선체외판의 곡면표현을 위하여 3차의 B-spline 곡면식이 사용되었다. 순정작업은 외판의 변형에너지를 최소화하는 방법으로 수행되었다. 선체외판의 순정도 판정을 위하여 Gaussian 곡률과 판의 변형에너지의 값을 색상을 통하여 가시화 하였다. 순정작업에 의한 곡면모델로부터 산출된 선형의 기하학적 정보는 기본설계계산, 선각생산 등 선형과 관련된 전산시스템에 활용될 수 있도록 정보연계에 이용되었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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