본문내용
1. 공학적 설계의 관점에서 동일 재료 다른 제품과 다른 재료 동일 제품 비교
1.1. 서론
1.1.1. 공학적 설계의 정의 및 목표
공학적 설계는 수요자의 요구를 만족시키기 위해, 제약조건을 벗어나지 않으면서 주어진 목표를 만족하는 기능 그리고 이를 위한 형태와 수단을 찾아내는 과정이다."
공학적 설계의 목표는 다음과 같다. 첫째, 수요자의 요구를 만족시키는 것이다. 공학적 설계는 단순히 기술적 완성도를 높이는 것이 아니라, 실제 사용자의 수요와 기대를 충족시키는 것을 목표로 한다. 둘째, 제약조건 내에서 설계를 진행한다. 공학적 설계는 물리적, 경제적, 법적 제약 조건 등을 고려하여 실현가능한 솔루션을 도출해낸다. 셋째, 주어진 목표를 만족하는 기능을 구현하는 것이다. 공학적 설계는 사전에 정의된 성능 목표를 달성하기 위해 최적의 형태와 수단을 찾아낸다.
요약하면, 공학적 설계는 사용자의 요구를 만족시키면서도 현실적인 제약을 극복하고, 주어진 목표를 구현할 수 있는 최선의 방안을 찾아내는 과정이라고 할 수 있다.
1.1.2. 재료역학의 기본 개념
재료역학은 물체를 변형체로 가정하고, 물체에 힘이 가해졌을 때 어떻게 변형하는지를 중점적으로 공부하는 학문이다. 따라서 재료역학에서는 하중(모멘트)과 변형, 그리고 이를 이어주는 재료에 대해 다루게 된다.
하중은 크게 세 가지의 관점에서 분류할 수 있다. 첫 번째, 정하중과 동하중이다. 정하중은 물체 위에 정지된 추처럼 움직이지 않는 하중을 말하며, 매우 느리게 움직여 마치 정하중처럼 작용할 수 있는 경우도 포함한다. 동하중은 움직이는 하중을 의미하는데, 균질하게 진동하는 하중과 비 균일하게 작용하는 하중을 모두 포함한다. 두 번째, 접촉하중과 비접촉 하중이다. 접촉하중은 말 그대로 접촉에 의해서 가해지는 힘을 의미하며, 벡터로써 표현할 수 있다. 비접촉 하중은 접촉이 필요하지 않은 힘으로, 전기력, 자기력 등과 같이 벡터장에 의해 정의된다. 마지막으로, 이 하중이 물체에 작용했을 때 '변형'의 양상이 어떻게 달라지느냐를 통한 구분이 존재한다. 물체의 단면에 수직으로 작용하며 크기를 변화시키는 힘인 인장력(tension)과 압축력(compression), 물체의 단면에 평행하게 작용하며, 형상을 변화시키는 힘인 전단력(shear), 그리고 전단력이 작용하며 생기는 돌림 힘에 의한 비틀림 모멘트(Torsion), 그리고 부재를 굽히게 하는 굽힘 모멘트(Bending)이 있다.
재료역학은 접촉하중에 의한 정하중을 고려하며, 하중이 가해졌을 때 재료의 변형을 다루기 위해 재료의 구조와, 기계적인 성질을 연구하게 된다. 재료역학에서는 물체를 변형체로 가정하고, 물체에 힘이 가해졌을 때 어떻게 변형하는지를 중점적으로 다루며, 하중과 변형, 그리고 이를 이어주는 재료의 관계를 연구한다."
1.1.3. 본 보고서의 목적 및 범위
본 보고서의 목적 및 범위"는 공학적 설계의 관점에서 동일 재료 다른 제품과 다른 재료 동일 제품을 비교 분석하는 것이다. 구체적으로 첫째, 동일 재료를 사용하는 경우에 제품의 구조(형태)가 어떤 차이를 보이는지 살펴보고, 이를 통해 자원이라는 제약조건을 최적화하는 방안을 도출하고자 한다. 둘째, 동일 제품에 대해 다른 재료를 사용하는 경우에 재료의 물성치가 제품의 성능에 어떤 영향을 미치는지 분석하여, 수요자의 요구를 만족시키기 위한 재료 선정의 의미를 살펴보고자 한다. 이를 위해 재료역학의 기본 개념을 바탕으로 각각의 경우에 대한 역학적 해석을 수행하고, 도출된 결과를 통해 공학적 설계 관점에서의 시사점을 도출하고자 한다.
1.2. 동일 재료 다른 제품
1.2.1. 재료와 제품 선정
동일 재료 다른 제품에 대한 내용은 다음과 같다.
'1.2.1. 재료와 제품 선정'에서는 공학적 설계의 관점에서 동일한 재료를 사용하지만 다른 제품의 경우를 분석한다. 공원용 철봉과 바벨이 그 대표적인 사례이다. 두 제품 모두 스테인리스강이라는 동일한 재료를 사용하지만, 구조와 용도에 있어서는 차이가 있다. 공원용 철봉은 속이 빈 Hollow Bar 형태이며, 엄격한 변형 없이 하중을 견디는 것이 중요한 반면, 바벨은 속이 꽉 찬 Solid Bar 형태로 일부 변형을 허용하고 이를 통해 고중량 운동에 활용된다. 즉, 동일한 스테인리스강 재료를 사용하더라도 제품의 목표 기능에 따라 서로 다른 구조적 특성을 갖게 된다는 것을 알 수 있다. 이처럼 공학적 설계의 관점에서는 동일 재료 내에서도 제품의 기능과 요구사항에 맞게 최적화된 구조를 선정하는 것이 중요하다고 볼 수 있다.
1.2.2. 분석 목표
동일 재료 다른 제품의 경우에는 관성모멘트가 굽힘 상황에서 어떠한 물리적 의미를 갖는지 알아보고, 이를 바탕으로 '자원'이라는 제약조건을 최적화하기 위한 '형태(구조)'의 의미를 도출해내고자 한다. 이를 통해 공학적 설계의 관점에서 제품의 목표 기능을 만족하기 위한 적절한 형태를 찾아내고자 한다.동일 제품 다른 재료의 경우에는 굽힘 상황에서 재료에 따른 변형 양상의 차이를 에너지적인 관점에서 분석하고, 이를 바탕으로 수요자의 요구를 만족하기 위한 '수단(재료)'의 의미를 고찰하고자 한다. 즉, 동일한 제품이라도 재료의 선택에 따라 사용자에게 어떠한 이득을 줄 수 있는지를 분석할 것이다.
1.2.3. 재료의 물성치 분석
재료의 물성치는 공학적 설계에서 매우 중요한 요소이다. 공학적 설계는 수요자의 요구를 만족시키기 위해 제약조건을 벗어나지 않으면서 주어진 목표를 만족하는 기능, 형태, 그리고 수단을 찾아내는 과정이다. 이때 재료의 물성치는 설계의 핵심 요소로, 특정 기능을 달성하기 위한 적절한 재료 선정에 필수적이다.
본 보고서에서는 동일 재료 다른 제품과 다른 재료 동일 제품의 경우를 비교 분석하고자 한다. 이를 위해 각 경우의 재료 선정 및 분석 목표를 제시하고, 재료의 물성치를 상세히 분석하고자 한다.
동일 재료 다른 제품의 경우, 공원용 철봉과 바벨을 선정하였다. 두 제품 모두 스테인리스강을 재료로 사용한다고 가정한다. 스테인리스강의 주요 물성치는 다음과 같다:
- 인장강도(UTS): 671 MPa
- 항복강도(Yield Strength): 940 MPa
- 전단강도: 368 MPa
- 연신율: 22.7%
- 탄성계수: 196 GPa
이러한 물성치를 바탕으로 각 제품이 목표로 하는 기능을 만족하기 위한 설계 방향을 도출할 수 있다. 예를 들어 공원용 철봉의 경우 변형되지 않고 하중을 지지해야 하므로 항복강도가 중요한 반면, 체조용 바벨의 경우 일정 수준의 탄성변형이 요구되므로 연신율이 중요한 물성치가 된다.
한편 동일 제품 다른 재료의 경우, 일반 철봉과 체조용 철봉을 비교 대상으로 선정하였다. 일반 철봉은 스테인리스강을, 체조용 철봉은 유리섬유 강화 플라스틱을 사용한다고 가정한다. 유리섬유 강화 플라스틱의 주요 물성치는 다음과 같다:
- 인장강도: 30 GPa
- 탄성계수: 2.8 GPa
스테인리스강에 비해 유리섬유 강화 플라스틱은 인장강도는 월등히 높지만 탄성계수가 매우 낮다. 이러한 물성 차이로 인해 체조용 철봉은 일반 철봉에 비해 더 큰 변형을 허용할 수 있게 되며, 이를 통해 탄력성 있는 동작 수행이 가능해진다.
이처럼 재료의 물성치 분석을 통해 동일 재료 다른 제품과 동일 제품 다른 재료의 경우에 대한 역학적 거동 차이를 이해할 수 있다. 이는 공학적 설계 과정에서 재료 선정 및 최적화를 위한 핵심 정보로 활용될 수 있다.
1.2.4. 역학적 해석의 가정사항
역학적 해석의 가정사항은 다음과 같다. 첫째, 재료역학의 3가지 기본가정을 만족한다는 것이다. 즉, 연속성(continuity), 균질성(homogeneous), 등방성(isotropic)을 만족한다는 것이다. 연속성은 물체가 빈 공간이나 균열이 없이 연속적으로 구성되어 있음을 의미한다. 균질성은 재료의 성질이 위치에 따라 균일한 것을 의미하며, 등방성은 재료의 성질이 모든 방향에서 변하지 않는 것을 의미한다. 이는 이상적인 가정이지만, 실제 물질은 이를 완벽히 만족하기 어려우므로 거시적인 측면에서 적용한다.
둘째, 공칭 값(Engineering Value)을 사용한다는 것이다. 공칭 값과 진 값의 차이는 응력과 변형률에서 관찰되는데, 공칭 값은 물체가 변형되는 것을 고려하지 않고 계산한 값이다. 탄성한계 내에서는 변형이 작아 공칭 값과 진 값의 차이가 크지 않으므로 공칭 값을 사용한다.
따라서 이 보고서에서는 재료역학의 기본 가정을 만족하고, 공칭 값을 사용하여 역학적 해석을 진행한다고 볼 수 있다.
1.2.5. 계산 및 결과 분석
'1.2.5. 계산 및 결과 분석'은 동일 재료 다른 제품에 대한 분석 부분이다. 공원용 철봉과 바벨을 동일 재료인 스테인리스강으로 제작했을 때 각 제품의 최대 굽힘응력과 최대 전단응력을 계산하고 그 결과를 분석하였다.
먼저 공원용 철봉의 경우, ...
