5장 기계공학 문제의 해결도구 및 해결절차

5장 기계공학 문제의 해결도구 및 해결절차 Tools and Procedure to Solve Mechanical Engineering Problems 5.1 서론                              5.2 시스템 및 시스템의 구성요소    5.3 기계 시스템에 관한 역학               5.4 열유체 시스템에 관한 역학                         5.5 제조공정 및 생산기술   5.6 계측 및 제어 기술       5.7 기계공학 관련 컴퓨터 프로그램 및 상용 소프트웨어   5.8 기계공학 문제의 해결절차     

서론 5.1 서론 통합적 관점에서의 시스템 기계공학 문제의 해결도구(과학적 지식과 기술) 상사(similarity) 시스템 개념 적용 → 다-에너지역 시스템(기계, 열유체 및 전기 시스템 등이 혼합된 시스템)의 에너지 및 힘과 운동 특성을 매우 쉽고 체계적으로 파악할 수 있음 기계, 유체, 열, 전기 시스템 등 시스템의 종류가 다르더라도 각 시스템이 상사 시스템이면 어느 시스템에서나 시스템의 특성을 나타내는 시스템 방정식이 수학적으로 전적으로 같음                                                              기계공학 문제의 해결도구(과학적 지식과 기술) 정역학, 고체역학, 동역학, 기계진동 : 기계 시스템의 힘과 운동에 관한 문제해결 열역학, 유체역학, 열전달 : 열유체 시스템의 에너지에 관한 문제해결 제조공정 및 생산 기술, 계측 및 제어 기술 : 기계공학에서 필요한 기반 기술 3

5.1 서론 기계공학 문제해결을 위한 컴퓨터 프로그램 및 상용 소프트웨어 기계공학 문제의 해결절차 컴퓨터 프로그램 : C-언어, FORTRAN, MATLAB, MATHEMATICA 등 상용 소프트웨어 : AutoCAD, Pro/ENGINNER, CATIA, ANSYS, NASTRAN, ADINA, FLUENT 등                                                              기계공학 문제의 해결절차 설계목적 설정 모델링 해석 개념설계 및 상세설계                                                              4

시스템 및 시스템의 구성요소 5.2 시스템 및 시스템의 구성요소 시스템의 정의 시스템 입력 시스템 출력 어떤 주어진 목적을 달성하기 위하여 상호작용을 하는 여러 개의 요소 (에너지 발생요소, 에너지 저장요소, 에너지 발산요소, 에너지 변환요소 등) 또는 부품들이 모여 하나의 복합체를 이루고 있는 실체 시스템 입력 시스템 주위 환경으로부터 시스템에 영향을 미치는 물리량 시스템 출력 입력에 의하여 시스템 내의 에너지의 상태가 변하고 시스템의 외부로 일을 하거나 에너지 또는 정보를 전달하는 시스템 내부의 물리량 정적 시스템과 동적 시스템 정적 시스템 : 에너지 저장요소를 포함하지 않은 시스템, 출력이 가해진 입력에 따라 결정되며 시간에 따라 변하지 않음 동적 시스템 : 에너지 저장요소를 포함하고 있는 시스템, 과거의 입력이 현재의 출력에 영향을 주게 되어 입력이 일정하거나 제거되어도 출력이 시간에 따라 변함 5

5.2 시스템 및 시스템의 구성요소 대표적인 공학 시스템 시스템의 에너지 및 힘과 운동 특성 파악 병진 및 회전 기계 시스템, 압축성 및 비압축성 유체 시스템, 열 시스템, 전기 시스템, 자기 시스템 시스템의 에너지 및 힘과 운동 특성 파악 정역학, 동역학, 고체역학, 유체역학, 열역학, 열전달, 전기회로이론 등에 관한 기본적인 공학 지식 필요 시스템 간의 유사성을 이용하면 시스템 특성 파악을 좀 더 쉽게 그리고 조직적으로 수행할 수 있음 특히, 에너지 변환요소를 포함하고 있는 다-에너지역 시스템의 경우에는 시스템 간의 유사성을 이용하면 시스템 특성을 통합적으로 체계적으로 평가할 수 있음 6

5.2 시스템 및 시스템의 구성요소 시스템의 구성요소 및 접합구조 각 요소가 가지고 있는 에너지 특성에 따라 에너지 발생, 저장, 발산, 그리고 변환 요소로 구분되며 이 요소들은 서로 접합되어 상호작용을 함 그림 5.1 시스템의 에너지 흐름선도 7

5.2 시스템 및 시스템의 구성요소 파워(에너지) 보존법칙 시스템의 에너지 상태를 파악하는데 가장 기본이 되는 식                                                              (5.1) 여기서 : 모든 에너지 소스(source)로부터 시스템에 가해진 파워(power) : 에너지 저장요소에 저장된 에너지의 시간변화율 : 에너지 발산요소에서 소멸된 파워 또는 (5.2) 여기서 P : 작용력(effort) 변수 e와 흐름(flow) 변수 f 의 곱으로 정의 (5.3) 8

5.2 시스템 및 시스템의 구성요소 표 5.1 대표적인 공학 시스템에 대한 작용력변수와 흐름변수

5.2 시스템 및 시스템의 구성요소 시스템의 물리변수 시스템의 파라미터 파워변수(작용력변수 e 와 흐름변수 f )와 에너지변수(일반화된 운동량 p 와 일반화된 변위 q)                                                             시스템의 파라미터 커패시턴스(위치에너지 저장요소) C, 이너턴스(운동에너지 저장요소) I, 저항(에너지 발산요소) R                                                             그림 5.2 파워변수와 에너지변수 사이의 관계 10

5.2 시스템 및 시스템의 구성요소 접합구조 0-접합 : 접합된 각 요소의 작용력변수가 일정하고, 흐름변수의 합 = 0 1-접합 : 접합된 각 요소의 흐름변수가 일정하고, 작용력변수의 합 = 0 (5.8) (5.9) 표 5.2 대표적인 공학 시스템에서 접합구조의 물리적 의미 11

위치에너지 저장요소 5.2 시스템 및 시스템의 구성요소 작용력변수 e가 일반화된 변위 q의 함수로 표현됨 위치에너지 저장요소의 예 스 프 링 : 토 션 바 : 어큐뮬레이터 : 커 패 시 터 : 위치에너지 저장요소의 파워변수 관계식 (5.10) (5.12) 또는 12

운동에너지 저장요소 5.2 시스템 및 시스템의 구성요소 흐름변수 f 가 일반화된 운동량 p의 함수로 표현됨 운동에너지 저장요소의 예 질 량 : 회 전 관 성 : 유 체 관 성 : 인 덕 턴 스 : 운동에너지 저장요소의 파워변수 관계식 (5.13) 또는 (5.15) 13

에너지 발산요소 5.2 시스템 및 시스템의 구성요소 작용력변수 e가 흐름변수 f 의 함수로 표현됨 에너지 발산요소의 파워변수 관계식 에너지 발산요소의 예 기 계 감 쇠 : 유 체 마 찰 : 전 기 저 항 : (5.16) (5.17) 14

에너지 변환요소 5.2 시스템 및 시스템의 구성요소 에너지 손실이 없다고 가정하면 에너지 변환요소의 입력파워 Pi 와 출력파워 Po 는 같다. 에너지 변환방법에 따른 에너지 변환요소의 분류 트랜스포머(transformer) 자이레이터(gyrator) (5.18) (5.19) 여기서 Kt : 트랜스포머계수 (5.20) 여기서 Kg : 자이레이터계수 15

5.2 시스템 및 시스템의 구성요소 표 5.3 대표적인 공학 시스템에 대한 에너지 변환요소 16

상사(similarity) 시스템 5.2 시스템 및 시스템의 구성요소 시스템의 에너지 및 힘과 운동 특성을 파악하는 과정에서 매우 유용 기계, 유체, 열, 전기 시스템 등 시스템의 종류가 다르더라도 각 시스템이 상사 시스템이면 수학적으로 전적으로 같게 표현됨 사용하는 물리변수 및 파라미터 등의 용어만 다름 기계 시스템 : 힘, 속도, 변위, 운동량, 스프링상수, 질량, 감쇠계수 전기 시스템 : 전압, 전류, 전하, 자속쇄교, 커패시턴스, 인덕턴스, 저항 다-에너지역 시스템의 특성을 파악할 때는 시스템을 통합적인 관점에서 생각하는 것이 편리 시스템 방정식 유도 시스템 각 요소 간의 접합조건 및 파워보존법칙 적용 시스템의 각 요소방정식 정리 17