4차 산업혁명 시대에서 전자기기는 공간적 제약을 극복하기 위해 점점 더 소형화되고 경량화되고 있으며, 이러한 소형 전자기기들은 적은 전력을 필요로 한다. 마찰전기 에너지 발전소자는 기계적 운동 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있어, 소형 전자기기에 적합한 소규모 발전기로 활용될 수 있다. 최근에는 마찰전기 나노 발전기의 출력을 극대화하기 위한 다양한 재료 및 구조가 연구되고 있으며, 이를 보다 정확하게 분석하기 위해 이론적 구조 해석 소프트웨어의 중요성이 증가하고 있다. COMSOL Multiphysics 소프트웨어는 마찰전기 발전소자의 전기적 특성을 정밀하게 시뮬레이션할 수 있는 방법을 제공한다. 이 tutorial status report에서는 COMSOL Multiphysics를 활용하여 마찰전기 에너지 발전소자를 모델링하고, 그 전기적 출력을 분석하는 방법을 소개한다.
공간정보의 처리는 방대한 양의 자료처리가 필수적이므로 이를 지원할 수 있는 하드웨어와 소프트웨어의 발전과 함께 최근에 비약적인 발전을 가져온 분야이다. 공간자료구조를 활용한 지리정의시스템(GIS)에 의한 공간정의의 분석과 처리는 근래에 많은 응용을 갖는 분야로서 자리를 잡고 있으며 파생되는 응용분야가 날로 증가하고 있는 추세에 있다. 그러나 지하정보에 대한 연구는 지하정보의 비가시적인 특성상 아직은 초기단계라고 할 수 있다. 특히 지하 지층 분포를 체계적으로 분석하기 위한 연구는 지하 광물자원에 대한 정보 또는 지상의 구조물에 대한 안전성 평가에 대단히 중요한 역할을 한다. 본 논문은 탄성파를 이용하여 얻어진 지하 지층구조를 공간자료구조를 활용하여 분석하는 시스템 개발 방법을 제안하고 이와 관련된 사항을 기술하였다. 공간자료구조를 활용하여 지하지층을 인식하는 시스템의 개발은 지질 전문가의 해석을 위한 전처리 시스템으로서 중요한 역할을 할 것이다.
공간정보의 처리는 방대한 양의 자료처리가 필수적이므로 이를 지원할 수 있는 하드웨어와 소프트웨어의 발전과 함께 최근에 비약적인 발전을 가져온 분야이다. 그러나 지하정보에 대한 연구는 지하정보의 비가시적인 특성상 현재 초기단계라고 할 수 있다. 본 논문은 탄성파를 이용하여 얻어진 지하 지층구조 정보에서 지층대를 식별하고, 공간자료구조를 활용하여 지하 단층대를 분석하고 검색하는 시스템 개발 방법을 제안하고 이와 관련된 사항을 기술하였다. 지하 단층대의 확인 작업은 다양한 지상/지하 구조물의 안정성에 중요한 역할을 하는 자료가 된다. 공간자료구조를 활용하여 지하지층을 인식하는 시스템의 개발은 지질 전문가의 해석을 위한 전처리 시스템으로서 중요한 역할을 할 것이다.
본 연구에서는 필라멘트 와인딩 공법을 적용한 Type 4 압력용기의 설계를 수행하였다. 수소저장용 탱크의 설계인 점을 고려하여 누설을 방지하기 위해 라이너는 고분자 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)을 적용하였고 복합재 구조는 카본/에폭시를 Hoop 방향과 Helical 방향으로 적층하여 설계하였다. 이론적 접근으로 Helical 섬유의 각도와 Hoop, Helical 각각의 섬유 두께를 결정하여 설계하였다. 설계에 대한 안전성은 상용소프트웨어인 ANSYS를 활용하여 유한요소 해석으로 검증하였다.
현재 널리 사용되고 있는 비파괴검사중의 하나인 초음파탐상검사(ultrasonic testing)는 교량, 발전소, 석유화학프랜트 및 중공업분야 등에 사용되는 각종 구조물의 사용전 중검사에 폭넓게 응용되고 있으며, 구조물의 안전관리와 품질관리에 필수적으로 요구되고 있다. 또한, 이들 구조물에 존재하는 결함에 대한 정량적 평가 및 검사 데이타의 해석에 많은 연구가 진행되고 있다. 기존의 초음파탐상검사에 사용되는 휴대용 초음파탐상기의 단점을 보안하기 위해 컴퓨터 내장형 초음파탐상기가 선진국에서 개발되고 있으며 다양한 소프트웨어의 사용에 따른 검사 신뢰도가 향상되고 있다. 본 연구는 컴퓨터 내장형 초음파탐상기를 구성하고, 이를 콘트롤할 수 있는 프로그램, 검사 결과의 저장 및 신호 처리 해석이 가능한 소프트웨어를 개발하였다.
구조진동 소음 문제의 평가에 있어 방사소음은 중요한 물리적 특성으로 음향 인텐시티 측정으로 확인이 가능하지만, 시간이 오래 걸리고 까다로운 측정 조건 때문에 시험을 꺼리는 경향이 많다. 그 대안으로 시뮬레이션이 사용되고 있으며, 그 정확도도 높다. 문제는 방사소음 파워와 방사효율 같은 중요한 물리량을 얻기 위해서는 이를 계산해 주는 특정한 소프트웨어가 필요하다는 점이다. 본 연구에서는 이런 관점에서 일반적인 유한요소 해석 소프트웨어를 사용하여 방사소음 파워와 방사 효율을 계산하는 후처리 기법을 제안한다. 제안된 두가지 방법은 기본적으로 시험에서 사용하는 방법을 시뮬레이션에 활용하는 것이다. 첫번째 방법은 상반성 기법을 이용하는 것이며, 두번째 방법은 인접한 2개의 위치에서 계산된 음압을 이용하는 방법이다. 두가지 방법이 모두 효과적으로 방사소음 파워를 예측할 수 있음을 보였으며, 그 한계도 설명하였다.
고정반복법에 의한 암시적 HHT 시간적분법을 이용하여 3층 3경간 철근콘크리트 골조구조물을 수치해석모형과 물리적 분구조모형으로 나누어 실시간 하이브리드실험을 실시하였다. 물리적 부분구조모형으로는 1층 내부 비연성기둥 1개소가 선택되었고, 수치해석모형에 일축 방향의 지진하중을 시편이 심한 손상에 의하여 파괴에 이를 때까지 작용시켰다. 비선형 유한요소해석 프로그램인 Mercury가 실시간 하이브리드실험을 위하여 새로이 개발 및 적용되었다. 실험결과는 물리적 부분구조모형의 상부 수평방향 층간변위비를 OpenSees에 의한 수치해석시뮬레이션과 진동대실험의 그것과 비교하였다. 본 실험은 가장 복잡한 실시간 하이브리드실험 중의 하나이고, 하드웨어, 알고리즘 그리고 모형에 대한 기술적인 내용을 본 논문에 자세히 설명하였다. 수치해석모형의 개선, 물리적 부분구조 모형 접선강성행렬의 유한요소해석 프로그램에서의 평가 그리고 하중기반 보-요소의 요소상태결정의 연산시간을 줄이기 위한 소프트웨어의 개선이 이루어진다면 실시간 하이브리드실험과 진동대실험결과의 비교는 권장할 만하다. 그리고 "지진과 같은 동적하중하의 복잡한 구조물의 수치해석시뮬레이션"이라는 목적을 위하여 실시간 하이브리드실험은 동적하중에 대한 실험적 검증을 점진적으로 수치해석모형으로 대체하기 위한 저비용-고효율 실험법으로서의 가치를 충분히 가지고 있다고 할 수 있다.
자동차는 코너 주행 시 In-corner와 Out-corner 의 바퀴 궤적이 달라지므로, 특별한 장치가 없이 좌우 구동 측의 바퀴가 같은 속도로 회전을 하게 되면 정상적인 주행이 불가능하다. 따라서 정상적인 코너 주행이 가능 하려면, 코너 안쪽 바퀴보다 바깥쪽 바퀴가 더 빨리 회전해야 하며 이러한 회전 차를 보상받지 못할 경우 바깥쪽 바퀴가 끌리는 현상이 발생하는데 이를 방지하기 위해 디퍼렌셜 기어가 필요하다. 현재 디퍼렌셜 기어는 디퍼렌셜 케이스와 링기어를 볼트로 체결하는 조립 공법을 통해 생산되고 있다. 하지만 볼트 체결 공법은 조립을 위한 볼트와 볼트 체결을 위한 플랜지와 볼팅을 위한 홀을 가공하는 공정이 필요하기 때문에 재료비 절감 및 생산 효율 향상에 매우 불리하고 볼트체결을 위한 부분 때문에 불필요한 무게가 증가하게 된다. 따라서 본 연구에서는 이러한 기계적 체결 방식을 레이저 용접 방식으로 대체하여 재료비를 절감하고 무게 저감을 통해 주행성능을 향상시키고자 하였다. 링기어의 소재는 침탄처리강(SCM420H)이며 디퍼렌셜 케이스의 소재는 주철(GCD500)을 사용하고 있다. 주철은 용접시 용접부와 열영향부에서 마르텐사이트 조직과 레데브라이트, 시멘타이트 조직이 생성되며 고탄소 모재의 탄소 확산으로 인한 부분 혼합영역에서 탄소 합금이 생성되어 균열이 발생하는 등 용접성이 매우 좋지 않은 것으로 알려져 있다. 이러한 주철의 난용접성을 해결하는 방법으로는 고탄소 모재 용접시 발생하는 탄소의 확산을 억제하거나 예열이나 후열 처리를 통한 냉각 속도의 제어하는 방법과 오스테나이트 안정화 원소를 첨가한 필러와이어를 사용하여 용접시 마르텐사이트와 시멘타이트의 성장을 방해하는 방법 등이 이용되고 있다. 본 연구에서는 예열처리나 후열처리를 통한 주철의 용접법은 대량 생산을 통한 원가절감을 노리는 자동차 업계의 특성에 비추어 볼 때 비용이나 프로세스 구성 면에서 적용하는 것이 어려울 것이라 판단하여 Ni-base filler metal을 통한 주철의 용접법을 선택하였고 그 결과 실차에 적용하기 위한 비틀림 강성 테스트나 내구 테스트는 통과하였으나 NVH 테스트 결과 볼팅 체결 방식에 비하여 소음이 커지는 문제가 발생하고 링기어의 HAZ부가 고경화 되는 문제가 발생하였다. 때문에 용입깊이를 초기 시제품인 5mm에서 4mm로 변경시켜 입열량 감소 및 용접변형을 줄여 소음 문제를 해결하고자 하였으며 링기어의 침탄층을 1mm 절삭하여 링기어 HAZ부의 고경화 문제를 해결하고자 하였다. 이러한 용접 구조 변경이 용접변형 및 강성과 피로에 미치는 영향력을 알아보고자 용접 및 열처리 상용 소프트웨어인 SYSWELD, 구조해석 상용소프트웨어인 NX_NASTRAN, 피로 해석 상용 소프트웨어인 FEMFAT을 이용하여 시뮬레이션 하였고 실제 구조 변경한 용접 시제품과 비교, 분석하였다.
현대에는 전자기파를 이용한 전력 및 신호 전달이 필수적인데, 전자기파를 원하는 경로를 통해 효율적으로 전달하기 위해서는 도파 구조(guided structure)가 필요하다. 본 논문에서는 먼저 전파해석 기법인 유한요소법(FEM : Finite Element Method)을 적용하여 도파 구조 중 하나인 2-D/3-D 도파관(waveguide)에 대해 직접 in-house code를 작성하여 전자기 시뮬레이션하였다. 이후 in-house code의 해석 결과를 대표적인 전자파 상용 시뮬레이션 소프트웨어인 HFSS의 결과와 비교하여 해석의 정확성을 검증하였다. 아울러, 전자기 해석에 있어 무한대의 해석 영역을 잘라 해석하기 위해 필수적인 흡수경계조건(ABC : Absorbing Boundary Condition)의 성능을 분석한 후, 병렬화 기법의 적용에 따른 성능 향상을 제시하였다.
최근의 비약적인 하드웨어와 소프트웨어의 발달에 따라 효율적인 대량의 정보처리가 가능해졌고 특히 다차원의 공간정보처리에 대한 많은 연구가 진행중이다. 공간자료구조를 활용한 지리정보시스템(GIS)에 의한 공간정보의 분석과 처리는 비약적인 발전을 하고 있다. 그러나 대부분의 지리정보시스템의 응용분야는 지상에 존재하는 것을 대상으로 하고 있다. 지리정보시스템을 활용한 지하정보에 대한 연구는 지하정보의 비가시적인 특성상 아직은 초기단계라고 할 수 있다. 특히 지하 지층 분포를 체계적으로 분석하기 위한 연구는 지하 광물자원에 대한 정보 또는 지상의 구조물에 대한 안전성 평가에 대단히 중요한 역할을 한다. 본 논문은 지하 지층을 공간자료구조를 활용하여 인식하는 시스템 개발 방법을 제안하고 이와 관련된 사항을 기술하였다. 공간자료 구조를 활용하여 지하지층을 인식하는 시스템의 개발은 지질 전문가의 해석을 위한 전처리 시스템으로서 중요한 역할을 할 것이다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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