• 제목/요약/키워드: 3D Finite Element Method

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Research on aerodynamic force and structural response of SLCT under wind-rain two-way coupling environment

  • Ke, Shitang;Yu, Wenlin;Ge, Yaojun
    • Wind and Structures
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    • 제29권4호
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    • pp.247-270
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    • 2019
  • Wind-resistant design of existing cooling tower structures overlooks the impacts of rainfall. However, rainstorm will influence aerodynamic force on the tower surface directly. Under this circumstance, the structural response of the super-large cooling tower (SLCT) will become more complicated, and then the stability and safety of SLCT will receive significant impact. In this paper, surrounding wind fields of the world highest (210 m) cooling tower in Northwest China underthree typical wind velocities were simulated based on the wind-rain two-way coupling algorithm. Next, wind-rain coupling synchronous iteration calculations were conducted under 9 different wind speed-rainfall intensity combinations by adding the discrete phase model (DPM). On this basis, the influencing laws of different wind speed-rainfall intensity combinations on wind-driving rain, adhesive force of rain drops and rain pressure coefficients were discussed. The acting mechanisms of speed line, turbulence energy strength as well as running speed and trajectory of rain drops on structural surface in the wind-rain coupling field were disclosed. Moreover, the fitting formula of wind-rain coupling equivalent pressure coefficient of the cooling tower was proposed. A systematic contrast analysis on its 3D distribution pattern was carried out. Finally, coupling model of SLCT under different working conditions was constructed by combining the finite element method. Structural response, buckling stability and local stability of SLCT under different wind velocities and wind speed-rainfall intensity combinations were compared and analyzed. Major research conclusions can provide references to determine loads of similar SLCT accurately under extremely complicated working conditions.

17cc급 자동차용 압축기 핵심부품의 구조 안정성에 관한 수치적 연구 (A Numerical Study on the Structural Stability Optimization of the Core Components of a 17cc Automotive Compressor)

  • 양용군;우위팅;진진;류성기
    • 한국기계가공학회지
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    • 제20권5호
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    • pp.69-75
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    • 2021
  • Fuel economy has always been a major issue for the automotive industry due to environmental concerns. In particular, it is known that only 5-20% of the energy generated in a car that mainly uses an internal combustion engine is converted to increase fuel efficiency, many methods have been proposed. Among these methods, weight reduction is most commonly used because it is the simplest and cheapest. Weight is always the main reason for energy consumption, therefore, reducing weight is the best way to increase fuel efficiency while simultaneously saving on material costs. To reduce the weight of a compressor, material substitution is used. However, aluminum (a lighter metal substitute) is more fragile than steel, therefore, structural stability must be verified through testing. In this paper, we performed a 3D analysis to investigate whether aluminum can be used without compromising structural stability. Our investigation included static analysis and thermal analysis. As a result, we found that an aluminum swash plate can be safely applied on a shaft instead of steel; it reduces weight while maintaining stability that is equal to or better than steel.

Numerical analysis of the combined aging and fillet effect of the adhesive on the mechanical behavior of a single lap joint of type Aluminum/Aluminum

  • Medjdoub, S.M.;Madani, K.;Rezgani, L.;Mallarino, S.;Touzain, S.;Campilho, R.D.S.G.
    • Structural Engineering and Mechanics
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    • 제83권5호
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    • pp.693-707
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    • 2022
  • Bonded joints have proven their performance against conventional joining processes such as welding, riveting and bolting. The single-lap joint is the most widely used to characterize adhesive joints in tensile-shear loadings. However, the high stress concentrations in the adhesive joint due to the non-linearity of the applied loads generate a bending moment in the joint, resulting in high stresses at the adhesive edges. Geometric optimization of the bonded joint to reduce this high stress concentration prompted various researchers to perform geometric modifications of the adhesive and adherends at their free edges. Modifying both edges of the adhesive (spew) and the adherends (bevel) has proven to be an effective solution to reduce stresses at both edges and improve stress transfer at the inner part of the adhesive layer. The majority of research aimed at improving the geometry of the plate and adhesive edges has not considered the effect of temperature and water absorption in evaluating the strength of the joint. The objective of this work is to analyze, by the finite element method, the stress distribution in an adhesive joint between two 2024-T3 aluminum plates. The effects of the adhesive fillet and adherend bevel on the bonded joint stresses were taken into account. On the other hand, degradation of the mechanical properties of the adhesive following its exposure to moisture and temperature was found. The results clearly showed that the modification of the edges of the adhesive and of the bonding agent have an important role in the durability of the bond. Although the modification of the adhesive and bonding edges significantly improves the joint strength, the simultaneous exposure of the joint to temperature and moisture generates high stress concentrations in the adhesive joint that, in most cases, can easily reach the failure point of the material even at low applied stresses.

Step-down Piezoelectric Transformer Using PZT PMNS Ceramics

  • Lim Kee-Joe;Park Seong-Hee;Kwon Oh-Deok;Kang Seong-Hwa
    • KIEE International Transactions on Electrophysics and Applications
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    • 제5C권3호
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    • pp.102-110
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    • 2005
  • Piezoelectric transformers(PT) are expected to be small, thin and highly efficient, and which are attractive as a transformer with high power density for step down voltage. For these reasons, we have attempted to develop a step-down PT for the miniaturized adaptor. We propose a PT, operating in thickness extensional vibration mode for step-down voltage. This PT consists of a multi-layered construction in the thickness direction. In order to develop the step-down PT of 10 W class and turn ratio of 0.1 with high efficiency and miniaturization, the piezoelectric ceramics and PT designs are estimated with a variety of characteristics. The basic composition of piezoelectric ceramics consists of ternary yPb(Zr$_{x}$Ti$_{1-x}$)O$_{3}$-(1-y)Pb(Mn$_{1/3}$Nb1$_{1/3}$Sb$_{1/3}$)O$_{3}$. In the piezoelectric characteristics evaluations, at y=0.95 and x=0.505, the electromechanical coupling factor(K$_{p}$) is 58$\%$, piezoelectric strain constant(d$_{33}$) is 270 pC/N, mechanical quality factor(Qr$_{m}$) is 1520, permittivity($\varepsilon$/ 0) is 1500, and Curie temperature is 350 $^{\circ}C$. At y = 0.90 and x = 0.500, kp is 56$\%$, d33 is 250 pC/N, Q$_{m}$ is 1820, $\varepsilon$$_{33}$$^{T}$/$\varepsilon$$_{0}$ is 1120, and Curie temperature is 290 $^{\circ}C$. It shows the excellent properties at morphotropic phase boundary regions. PZT-PMNS ceramic may be available for high power piezoelectric devices such as PTs. The design of step-down PTs for adaptor proposes a multi-layer structure to overcome some structural defects of conventional PTs. In order to design PTs and analyze their performances, the finite element analysis and equivalent circuit analysis method are applied. The maximum peak of gain G as a first mode for thickness extensional vibration occurs near 0.85 MHz at load resistance of 10 .The peak of second mode at 1.7 MHz is 0.12 and the efficiency is 92$\%$.

Memory Organization for a Fuzzy Controller.

  • Jee, K.D.S.;Poluzzi, R.;Russo, B.
    • 한국지능시스템학회:학술대회논문집
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    • 한국퍼지및지능시스템학회 1993년도 Fifth International Fuzzy Systems Association World Congress 93
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    • pp.1041-1043
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    • 1993
  • Fuzzy logic based Control Theory has gained much interest in the industrial world, thanks to its ability to formalize and solve in a very natural way many problems that are very difficult to quantify at an analytical level. This paper shows a solution for treating membership function inside hardware circuits. The proposed hardware structure optimizes the memoried size by using particular form of the vectorial representation. The process of memorizing fuzzy sets, i.e. their membership function, has always been one of the more problematic issues for the hardware implementation, due to the quite large memory space that is needed. To simplify such an implementation, it is commonly [1,2,8,9,10,11] used to limit the membership functions either to those having triangular or trapezoidal shape, or pre-definite shape. These kinds of functions are able to cover a large spectrum of applications with a limited usage of memory, since they can be memorized by specifying very few parameters ( ight, base, critical points, etc.). This however results in a loss of computational power due to computation on the medium points. A solution to this problem is obtained by discretizing the universe of discourse U, i.e. by fixing a finite number of points and memorizing the value of the membership functions on such points [3,10,14,15]. Such a solution provides a satisfying computational speed, a very high precision of definitions and gives the users the opportunity to choose membership functions of any shape. However, a significant memory waste can as well be registered. It is indeed possible that for each of the given fuzzy sets many elements of the universe of discourse have a membership value equal to zero. It has also been noticed that almost in all cases common points among fuzzy sets, i.e. points with non null membership values are very few. More specifically, in many applications, for each element u of U, there exists at most three fuzzy sets for which the membership value is ot null [3,5,6,7,12,13]. Our proposal is based on such hypotheses. Moreover, we use a technique that even though it does not restrict the shapes of membership functions, it reduces strongly the computational time for the membership values and optimizes the function memorization. In figure 1 it is represented a term set whose characteristics are common for fuzzy controllers and to which we will refer in the following. The above term set has a universe of discourse with 128 elements (so to have a good resolution), 8 fuzzy sets that describe the term set, 32 levels of discretization for the membership values. Clearly, the number of bits necessary for the given specifications are 5 for 32 truth levels, 3 for 8 membership functions and 7 for 128 levels of resolution. The memory depth is given by the dimension of the universe of the discourse (128 in our case) and it will be represented by the memory rows. The length of a world of memory is defined by: Length = nem (dm(m)+dm(fm) Where: fm is the maximum number of non null values in every element of the universe of the discourse, dm(m) is the dimension of the values of the membership function m, dm(fm) is the dimension of the word to represent the index of the highest membership function. In our case then Length=24. The memory dimension is therefore 128*24 bits. If we had chosen to memorize all values of the membership functions we would have needed to memorize on each memory row the membership value of each element. Fuzzy sets word dimension is 8*5 bits. Therefore, the dimension of the memory would have been 128*40 bits. Coherently with our hypothesis, in fig. 1 each element of universe of the discourse has a non null membership value on at most three fuzzy sets. Focusing on the elements 32,64,96 of the universe of discourse, they will be memorized as follows: The computation of the rule weights is done by comparing those bits that represent the index of the membership function, with the word of the program memor . The output bus of the Program Memory (μCOD), is given as input a comparator (Combinatory Net). If the index is equal to the bus value then one of the non null weight derives from the rule and it is produced as output, otherwise the output is zero (fig. 2). It is clear, that the memory dimension of the antecedent is in this way reduced since only non null values are memorized. Moreover, the time performance of the system is equivalent to the performance of a system using vectorial memorization of all weights. The dimensioning of the word is influenced by some parameters of the input variable. The most important parameter is the maximum number membership functions (nfm) having a non null value in each element of the universe of discourse. From our study in the field of fuzzy system, we see that typically nfm 3 and there are at most 16 membership function. At any rate, such a value can be increased up to the physical dimensional limit of the antecedent memory. A less important role n the optimization process of the word dimension is played by the number of membership functions defined for each linguistic term. The table below shows the request word dimension as a function of such parameters and compares our proposed method with the method of vectorial memorization[10]. Summing up, the characteristics of our method are: Users are not restricted to membership functions with specific shapes. The number of the fuzzy sets and the resolution of the vertical axis have a very small influence in increasing memory space. Weight computations are done by combinatorial network and therefore the time performance of the system is equivalent to the one of the vectorial method. The number of non null membership values on any element of the universe of discourse is limited. Such a constraint is usually non very restrictive since many controllers obtain a good precision with only three non null weights. The method here briefly described has been adopted by our group in the design of an optimized version of the coprocessor described in [10].

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수중에서 정방형 격자를 갖는 2차원 포노닉 크리스탈의 음향 밴드 구조 (Acoustic Band Structures in Two-dimensional Phononic Crystals with a Square Lattice in Water)

  • 김윤미;이강일;강휘석;윤석왕
    • 한국음향학회지
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    • 제34권5호
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    • pp.335-342
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    • 2015
  • 포노닉 크리스탈이란 기저물질 내에 주기적으로 배열된 산란체로 구성된 복합물질로서 포노닉 크리스탈에 입사된 음파가 특정 주파수 대역에서 차단되는 현상인 밴드 갭이라는 중요한 특성을 갖는다. 본 연구에서는 수중에서 산란체로서 1 mm의 직경을 갖는 원기둥 형태의 스테인리스 스틸 막대가 1.5 mm의 격자상수를 가지며 정방형으로 배열된 2차원 포노닉 크리스탈의 음향 밴드 구조를 이론 및 실험적으로 고찰하였다. 2차원 포노닉 크리스탈의 밴드 구조를 예측하기 위해 유한요소법을 이용하여 첫째 브릴루앙 영역의 ${\Gamma}X$ 방향에 대해 주파수와 파동벡터에 대한 분산관계를 계산하였다. 초음파가 입사되는 방향과 수직한 스테인리스 스틸 막대 층의 개수를 1, 3, 5, 7, 9개로 변화시켜가며 투과계수 및 반사계수를 측정하였다. 계산된 분산관계로부터 2 MHz 이하의 주파수 대역에서 5개의 밴드 갭이 존재하는 것으로 예측되었으며, 첫째 밴드 갭은 0.5 MHz를 중심으로 나타났다. 투과계수 및 반사계수로부터 실험적으로 확인된 밴드 갭은 분산관계로부터 예측된 밴드 갭과 잘 일치하는 것으로 나타났다.

계자 코일 구조에 따른 초전도 풍력 발전기의 모듈화 된 HTS계자 코일의 특성 분석 (Characteristic Analysis of Modularized HTS Field Coils for a Superconducting Wind Power Generator According to Field Coil Structure)

  • 투덴수런 오운자르갈;고병수;성해진;박민원;유인근
    • 한국산업정보학회논문지
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    • 제24권2호
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    • pp.15-23
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    • 2019
  • 풍력발전 시스템용 고온 초전도 (HTS) 발전기는 높은 효율과 기존 발전기에 비해 작은 크기로 제작이 가능한 이점을 가지고 있다. 그러나 고온 초전도 발전기는 높은 전류 밀도와 자기장으로 인해 HTS 계자 코일에 작용하는 로렌츠 힘에 따른 문제가 발생할 수 있다. 본 논문에서는 계자 코일 구조에 따른 750 kW 급 초전도 풍력 발전기에 대한 모듈화 된 HTS 계자 코일의 특성 분석을 다룬다. 모듈화 된 HTS 필드 코일의 구조는 3D 유한 요소법을 사용하여 얻은 전자기 및 기계 분석 결과를 기반으로 설계하였고 모듈 코일의 전자기력도 분석하였다. 그 결과, HTS 코일의 수직 자기장과 최대 자기장은 각각 2.5 T와 3.9 T로 나타났다. 지지대의 최대 응력은 유리 섬유 강화 플라스틱 재료의 허용 응력보다 작았으며, 변위는 허용 범위 이내로 발생하였다. HTS 모듈 코일 구조의 설계 사양 및 결과는 대용량 초전도 풍력 발전기 개발에 효과적으로 활용될 수 있다.

질량-스프링 구조를 이용한 새로운 광세기 기반 광섬유 진동센서 (Novel Intensity-Based Fiber Optic Vibration Sensor Using Mass-Spring Structure)

  • 호 일;김현호;최상진;반재경
    • 전자공학회논문지
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    • 제51권6호
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    • pp.78-86
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    • 2014
  • 본 논문에서는 질량-스프링 구조를 이용한 새로운 광세기 기반 광섬유 진동센서를 제안하고 시뮬레이션과 부분 실험을 통하여 그 실현 가능성을 제시한다. 제안한 광세기 기반 광섬유 진동센서는 네 개의 구불구불하게 휘어지는 스프링과 질량체 안의 사각형 개구면(aperture)으로 구성된 질량-스프링 구조를 가진다. 광시준기(optical collimator)는 질량체 안의 사각형 개구면의 변위에 의해서 변조되는 광을 넓히는 데 이용된다. 제안한 광섬유 진동센서를 광학적인 면과 기계적인 면에서 해석하고 설계한다. 기계적인 부분의 설계는 이론적인 해석, 수학적인 모델링 및 3 차원 유한요소법 시뮬레이션을 이용한다. 기계적인 진동이 가해질 때 개구면의 상대적인 변위관계를 3차원 유한요소법 시뮬레이션을 이용하여 구하고, 개구면의 상대적인 변위에 따른 출력값을 실험을 통하여 측정한다. 이를 이용하여 진동에 따른 출력 특성을 파악한 결과 센서 민감도 $15.731{\mu}W/G$, 감지영역 ${\pm}6.087G$를 얻었다. 그리고 입력광원의 파워가 10 dB까지 변하더라도 참조광을 이용하여 0.75%의 상대오차를 보이는 매우 안정된 출력광 파워를 얻었다. 제안한 광섬유 진동센서는 간단한 구조, 저비용 및 다지점 측정 가능의 특징을 가지면서, MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) 기술을 이용하여 소형으로 간편하게 제작할 수 있는 잠재력을 가진다.

복합재 대차프레임의 볼트 체결부 내구성 향상을 위한 인서트 영향에 관한 연구 (Effect of the Insert Shape on the Improvement of Durability of Bolted Joints Applied to Composite Bogie Frames)

  • 김준환;신광복;김정석
    • 대한기계학회논문집A
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    • 제38권7호
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    • pp.765-770
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    • 2014
  • 본 논문에서는 복합재 대차프레임 볼트 체결부의 내구성 향상 방안에 대한 연구를 다루고 있다. 이를 위해, 인서트와 나사산 유무에 따른 3가지 경우를 고려하여 볼트 체결부에 대한 시험 및 해석을 통해 인서트 형태 및 유무에 미치는 영향을 평가하였다. 제안된 볼트 체결부의 구조 성능은 ASTM D5961에 의거한 시험을 통해 비교 평가하였다. 시험결과, 나사산이 없는 인서트를 갖는 볼트 체결부가 가장 적합한 것으로 확인되었다. 또한, 볼트 체결부를 고려한 복합재 대차프레임에 대한 구조 안전성 평가를 JIS E 4207에 의거하여 유한요소해석을 통해 평가하였다. 복합재 구조물은 Tsai-Wu 파손기준식에 의해 파손평가를 적용하였고, 볼트 체결부와 같은 금속재 구조물은 Von-Mises 파손기준식에 의해 평가하였다. 이때, 볼트 체결부의 경우에는 상세한 구조해석 결과 검토를 위해 서브모델링 기법을 적용하였다. 구조해석결과, 나사산이 없는 인서트가 적용된 볼트 체결부의 경우에는 볼트 체결부 주위의 복합재 구조물에 발생하는 Tsai-Wu 파손지수가 다른 경우에 비해 약 50% 감소하는 경향을 보였는데, 이는 나사선이 없는 인서트 형상이 복합재 대차프레임 볼트 체결부의 내구성을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.

교정용 미니 임플랜트 고정원과 SWA on masse sliding retraction 시 전치부 치축 조절 요인에 관한 유한요소해석 (Factors influencing the axes of anterior teeth during SWA on masse sliding retraction with orthodontic mini-implant anchorage: a finite element study)

  • 정혜심;문윤식;조영수;임승민;성상진
    • 대한치과교정학회지
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    • 제36권5호
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    • pp.339-348
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    • 2006
  • 교정용 미니 임플랜트 고정원을 이용한 교정 치료가 보편화되며, SWA와 이를 이용한 on masse sliding retraction 은 임상에서 흔히 사용하는 치료법이 되었다. 그러나 고정원을 성공적으로 보존하려는 노력에 비해, 발치 공간 폐쇄시 전치부 치축 조절에 관여하는 요인에 대한 보고는 아직까지 부족한 실정이다. 본 연구에서는 제1소구치를 제거한 상악 치아와 치주 인대 그리고 치조골에 대한 3차원 유한요소 기준모델을 제작하였고, 제1대구치와 제2소구치 사이 주호선 10 mm 상방에 식립된 교정용 미니 임플랜트를 고정원으로 사용할 경우, 측절치-견치 사이의 견인 훅의 높이를 변화시키며 후상방 견인력을 가하거나, 주호선에 보상 만곡을 부여하는 것이 전치부 치축 조절에 어떤 영향을 미치는지 시뮬레이션 하였다. 또한 전치부 치축이 설측 경사된 모델을 같은 실험 조건으로 시뮬레이션 하여 발치 공간 페쇄 시 설측 경사된 전치부 치축을 유지하거나 개선할 수 있는 요인을 검토하였고, 다음과 같은 연구 결과를 얻었다. 2 mm 높이의 견인 훅에 대하여 후상방으로 견인력을 가할 경우 발생하는 함입력으로 인하여 전치부 설측 경사가 더 감소되지는 않았다. 견인 훅의 높이가 5 mm인 경우 후상방 견인력을 가하면, 측절치의 치관 순측 및 치근 설측 이동이 일어나고, 견치의 비조절성 후방 경사 이동이 심화되었다. 4 mm의 보상 만곡은 측절치의 치관 순측 및 치근 설측 이동을 일으키고, 견치의 비조절성 후방 경사 이동을 감소시켰다. 또한 전치부가 설측 경사된 모델을 기준모델과 같은 실험 조건으로 시뮬레이션 한 경우 치근면의 응력 분포와 25000배 확대된 그래프 상에서의 치아 이동 양상은 매우 유사하였다 이상의 결과는 미니 임플랜트-SWA sliding 생역학을 구사 시 견인 훅의 위치와 와이어 상의 보상 만곡의 유무에 의해 전치부의 치축 조절이 달라지며 실제 임상에서 가이드라인으로 활용될 수 있을 것이다. 따라 수용자들의 적극적 인식도 심화되었다고 결론지을 수 있을 것이다. 신문이 일제의 지배방식에 순응해 독자들에게 내선일체와 전쟁협력을 강요했다는 역사적 평가를 듣게 만들었다.사되었으며 그 다음은 근 현대가 18편으로 26.47%, 중세 7편 10.3%, 선사시대 5편 7.35%, 상고시대가 1편으로 1.47%로 나타나 고대 중세, 근 현대 순으로 선호하는 것으로 나타났다.기인계 농약의 특징인 불안정성에 의해 광분해 및 미생물 분해를 통해 이미 분해가 진행 중이어서 본래의 유기인 화합물이 검출되지 않았을 가능성이 있다. 그리고 유기인계 농약이 완전히 분해되어 생성된 유기인계 농약 기원의 영양염류가 저수지 내로 많은 양이 유입된다면, 부영양화에 기여할 가능성이 있다. 따라서 농업용 저수지에서 유기인계 농약의 농도 분포는 물론이고 중간 생성물과 그 독성, 광분해 및 미생물 분해의 메커니즘, 그리고 최종 산물에 대한 연구가 필요하다.삭감율은 BOD의 경우 Scenario 1-1(처리용량 1,500 $m^3$ $day^{-1}$인 인공습지), scenario 1-2 (처리용량 1,000 $m^3$ $day^{-1}$인 인공습지), scenario 2(면적 4.2ha인 저류지)가 각각 연평균 6.9%, 4.8%, 7.1%의 감소를 보였다. TN은 4.7%, 3.4%, 13.4%의 삭감율을 나타내었으며, TP는 5.6%, 3.9%, 7.3%의 삭감율을 나타내었다. 본 연구에서는 적용하지 못하였으나, 인공습지와 저류지의 적절한 연계시스템을 적용한다면 저감시설 설치 부지면적과 비용의 감소뿐만 아니라 보다 효과적인 수질개선효과를 가져올 수 있으리라 판단된다.다. 이상과 같이 조선시대 주식류의 종류 및 조리방법에 대한 문헌적 고찰을 분석한 결과로 조선시대로부터 현재까지 주식류의 변천과정을 파악할 수 있었으며 새롭게 문헌으로라도 복원된 전통음식인