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응용공학실험(캐드캠)

1. 실습 목적CNC 선반을 운전하기 위해서 필요한 CNC 장치의 조작 방법을 습득하고, CAD/CAM 시스템의 구성 및 적용 사례, 그리고 가공 시뮬레이션을 통해서 CNC 절삭 가공의 원리를 이해하는 데 목적이 있다.2. 실습 장치의 구조 및 기능2.1 전원 투입과 차단(1) 전원 투입 버튼(Power On)CNC 장치의 전원을 투입하는 버튼이다. 전원 투입 시에는 기계에 따라 각종 점검이 필요하다. CNC가 정상 상태인가를 확인하고, 기계 업체의 취급 설명서에 준하여 전원을 투입한다. 전원 투입 버튼을 누른 후 CRT 화면에 나타나는 표시를 확인하기 전까지는 다른 키를 만지지 않는다. 전원 투입 버튼을 누르면 제어부 전원이 투입되고, CRT 화면에 Logo(HiTROL-E1)가 뜬다. 이 상태에서 선삭 가공 또는 밀링 가공을 선택하는 메뉴가 나타난다. 원하는 항목을 선택하도록 한다.(2) 전원 차단 버튼(Power Off)CNC 장치의 전원을 차단하는 버튼이다. 조작반에 있는 Cycle Start 버튼의 Lamp 점등 여부 및 기계측 가동 부분의 정지 여부를 확인한 후 기계 업체의 취급 설명서에 따라 전원을 차단한다. 전원 차단 버튼을 누르면 CNC 장치의 전원은 제어부와 서보부 모두 동시에 전원이 차단된다. 전원 차단 시는 먼저 서보부 전원을 차단하고, 이에 따라서 NC Ready 신호가 정지된 후 기계측 전원도 차단되도록 구성한다.2.2 CRT 화면CRT 화면에는 각 조작에 의하여 데이터 및 CNC 장칭릐 내부 상태가 한글, 숫자, 영문, 그래픽 등으로 나타난다.- 화면 크기 : 14인치- 색상 지원 : 256색- 화면 문자 : 80문자 x 24행- 표시 문자 : 숫자, 영문자, 특수 코드(/, -, +, #, (, ), [, ], =, ., *)2.3 기능 키CRT 화면 하단에 있는 8개의 기능키와 2개의 좌우 커서(Cursor)에 의해서 CNC 공작기계의 여러 화면을 표시할 수 있다. 좌측 커서를 누르면 6가지의 주 메뉴가 나타나며, 여기에서 화면 순서대로 누르면 된다.- 키보드 자판의 배열 특징 : NC 프로그램 작성 시에 많이 사용되는 키는 위쪽에, ‘X, U, I', 'Y, V, J', 'Z, W, K', 'P, Q'등과 같이 동일한 축과 관련된 키는 같은 선상에 배열하였다.- 영문자 입력 키(ALPHA Key)의 편리한 기능 : 영문 알파벳 또는 특수 문자를 입력하기 위해서 Alpha 키를 On으로 하면 Custom Macro 작성이나 Comment 문을 작성할 때 편리하게 사용할 수 있다.* 변환키를 1번 누른 후, 해당 알파벳을 누른다.* 변환 키를 누른 상태에서 영문 알파벳을 입력한다.- 입력 키(INPUT Key) : 한 블록의 종료를 지려할 때에 사용한다. 입력 키를 누르면 다음 줄에 새로운 블록이 생성된다. CRT 화면 상에는 'INPUT' 대신 ‘;'(Semicolon)으로 표시된다. 각종 DATA의 입력 시에 사용된다.② 데이터 키 : 숫자 키(0~9), 마이너스 키(-), 소수점 키(.), SHIFT 키 등으로 구성되어 있으며, 각종 수치 데이터를 입력할 때 사용한다.(2) 편집 제어 키(Edit Control Key)각종 데이터를 편집할 때 문자의 삭제, 삽입 및 수정하는 제어 키이다.① 수정 키(ALTER Key) : 프로그램에서 워드를 수정할 때 사용한다. 현재 커서가 위치하는 워드를 새로 입력한 워드로 수정한다.② 삽입 키(INSERT Key) : 프로그램에서 커서가 위치하는 곳에 입력한 워드를 삽입하는 경우에 사용한다.③ 삭제 키(DELete Key) :- 워드 삭제 : 프로그램에서 커서가 위치하는 워드를 삭제한다.- 라인 삭제 : 현재 커서가 위치하는 NC 프로그램 상의 한 블록을 삭제하는 경우에 사용한다. 변환 키를 누르고 DEL 키를 누른다.④ 취소 키(CANcel Key)- 프로그램 편집 버퍼(입력 라인)의 내용을 취소한다.- CRT 화면의 우측 하단에 나타나는 조작 상의 오류에 의해서 발생하는 사용자 알람을 해제하는 경우에 사용한다.⑤ 변환 키(SHIFT Key)대 5개까지 가능)② 공구 표시 : 현재 사용 중인 공구 번호와 공구 옵셋 번호를 나타낸다.③ 위치 표시 : X축과 Z축에 대한 기계 위치와 현재 위치를 나타낸다.- 기계 위치 : 기계 원점을 기준으로 한 좌표계 (mm 단위)- 현재 위치 : 공작물 가공 원점을 기준으로 한 공작물 좌표계 (mm 단위)④ 시간 표시 : 날짜, 시간, 운전 시간, 가공 시간 등을 나타낸다.- 날짜 및 시간 : 현재 날짜 및 시간- 운전 시간 : 전원을 투입한 후 경과된 시간- 가공 시간 : 전원이 투입된 후 가공과 관련된 가공 시간- 총 가공 시간 : 전원이 투입된 후 가공과 관련된 총 가공 시간⑤ 가공 수량 : 현재까지의 가공한 수량(최대 9999)을 나타낸다.⑥ 이송 속도와 주축 회전수 : 이송 속도(mm/min)와 이송 속도 Over- ride, 주축 회전 수(rpm)와 주축 회전수 Override를 함께 표시한다.- 이송 속도 : 각 축들의 이송 속도를 아래와 같이 합성한 속도이다.실제 이송 속도 =- 1회전당 이송이나 나사 절삭의 경우에도 속도의 단위는 mm/rev가 아니라 mm/min으 로 표시된다.b. 프로그램 실행상태 표시 화면에서 F2를 누르면 NC 프로그램 표시 화면이 나타난다.① 프로그램 번호, 속도 표시 : 위치 표시 화면 참조② 위치 표시 : X축과 Z축에 대한 기계 위치, 현재 위치 및 남은 거리를 나타낸다.③ 남은 거리 : 현재 수행 중인 블록에 대한 현재 위치와 목표 위치의 차이에 해당하는 상대 거리(mm)를 표시한다.④ 가공 시간 : 자동 운전에 의해 수행된 NC프로그램의 가공 시간을 나타낸다.- 가공 시간 : 현재 가공 중인 프로그램의 가공 시간을 표시- 총 가공 시간 : guswoRK지의 가공에 소요된 총 가공 시간을 표시⑤ 수행 중인 그룹별 G 코드와 M 코드 표시c. 공구 경로 화면상태 표시 화면에서 F3을 누르면 공구 경로 화면이 나타난다.① 메모리에 등록된 프로그램 번호, 현재 사용 중인 공구 번호와 옵셋 번호, 위치 표시, 속도표시② 가. 공구 옵셋 번호, 공구 날 형상, 공구 날 반경, 그리고 선택된 공구 옵셋 번호에 해당되는 공구 옵셋(가공 원점)을 설정 할 수 있다. 데이터의 입력이 잘못되었거나 수정 상태에서 벗어나기 위해서는 취소 키(CANcel Key)를 누르면 된다.c. 공구 옵셋공구 옵셋을 현재의 기계 위치값에 등록하기 위해서는 커서를 GX 또는 GZ의 위치로 옮긴 후 입력 키로 입력하거나, ‘0 ? INPUT'을 입력하면 된다. X축의 경우에는 공작물 직경을 측정하고, 커서를 X축 위치로 옮긴 후 '(직경값) ? INPUT'을 입력하면 직경이 증분값으로 입력된다. 단 직경은 공구 절삭 방향에 따라서 +값 또는 -값을 갖는다(G50 좌표계 기능을 사용하지 않는 경우).- 소재 직경이 25mm인 경우의 공구 옵셋 설정 예축기계 위치직경(증분값)공구 옵셋(공작물 원점)X-200.00025.000(절삭 방향 -)-175.000-25.000(절삭 방향 +)-225.000Z-70.0000-70.000d. Z축 옵셋이미 설정된 각 공구의 Z축 옵셋에 대해서 가공할 공작물의 상대 길이를 의마한다. 즉 ‘가공 소재의 길이 - 공구 옵셋을 설정할 때 이용한 기준 소재의 길이’를 의미한다.자동 운전을 하기 전에 반드시 Z축 옵셋을 확인하기 바란다. Z축 옵셋을 변경함으로써 새로운 소재의 가공에 사용되는 각 공구의 Z축 옵셋을 바꾸지 않고 이미 설정된 옵셋을 그대로 사용할 수 있으므로 편리한 기능이다.e. 프로그램 선택메모리에 등록된 프로그램 리스트 중에서 자동 운전을 하기 위한 프로그램 번호를 데이터 키를 사용하여 선택할 수 있다.(3) 프로그램 편집 화면주 메뉴에서 F4를 누르면 편집 프로그램 화면이 선택되며, 편집, 그래픽 및 DNC 기능을 포함한다.a. 편집 상태 화면커서 또는 페이지 업 및 다운 키를 사용하여 편집할 위치로 커서를 움직인 후 데이터 키와 편집 제어 키를 사용하여 편집한다. 현 상태에서의 편집은 워드 단위의 편집이 가능하다.b. 편집을 위한 프로그램 선택 화면편집을 위한 NC 선택)이 있다.(1) 공구 경로 확인 및 추적을 위한 그래픽 시뮬레이션NC 프로그램에 의한 자동 운전 중에 공구 경로 및 공구 움직임을 확인할 수 있는 그래픽 시뮬레이션 기능이 준비되어 있다. 화면의 설정은 프로그램에서 설정된 가공 원점에 따라 파라미터 P3을 다음과 같이 설정해야 한다. P3의 기본 설정은 6으로 되어있다.① 그래픽 화면에 공작물의 상단(P3 = 1, 2 설정) 또는 하단(P3 = 3, 4 설정)을 표시하거 나, 전체 공작물 형상(P3= 5, 6 설정)을 표시할 수 있다.② 화면의 우측 하단에 현재 사용 중인 좌표계를 표시한다. X축을 표시하는 부분은 X축의 ‘+’ 방향이다.③ 자동 운전 모드의 가공 형상 확인 및 공구 경로의 추적 기능- 공작물 원점이 척 중심에 위치하는 경우 : P3 = 1, 4 및 5- 공작물의 원점이 공작물의 단면에 위치하는 경우 : P3 = 2,3 및 6(2) 편집 모드의 그래픽 에니메이션 화면 조작① NC 프로그램의 편집 후 가공 경로의 확인과 최종 가공 형상의 확인을 위한 그래픽 에 니메이션 기능과 3차원 모델링 기능이 준비되어 있다.② NC 가공 중에 Back-ground 편집과 편집 프로그램의 Back-ground 그래픽 시뮬레이션 이 가능하다.③ 에니메이션을 이용하기 위해서는 NC 프로그램의 공작물 원점이 공작물 소재의 단면에 위치하도록 하여야 한다.④ 좌표계의 구분을 위하여 화면의 우측 하단에 현재 사용 중인 좌표계를 표시한다. X축 을 표시하는 부분은 X축의 ‘+’ 방향이다.⑤ 공구의 설정은 설정 화면의 공구 형상 데이터 입력을 통해서 정삭 및 황삭 공구의 형 상을 정의할 수도 있고, SHAPE 항목에 공구 번호를 입력함으로써 가공 에니메이션을 실 제 가공 상황과 유사하게 확인할 수 있다.⑥ 화면의 확대 및 축소 기능 : 편집 모드의 가공 형상 확인 기능에서는 공작물의 원하는 부분만을 확대하거나 축소하여 살펴 볼 수 있다.- 확대(F1) : 확대 키를 선택하면 공구의 끝점을 중심으로 일정한 배율로 공작물.;

공학/기술| 2011.09.11| 9페이지| 1,000원| 조회(225)

CAD, 캐드, 공학실험, 캐드캠, 응용공학실험

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기초공학실험(열전달 레포트)

1. 실험 목적본 실험에서는 공학용 계측기기를 활용하여 열역학적 물성치를 측정하고 데이터를 수집하는 방법을 습득하고자 한다. 이를 위한 실험 주제는- 강제대류 상태의 내부유동에서 대류 열전달 현상을 이해하는 것- 이론적 계산치와 실험을 통해 수집된 데이터를 비교, 분석함- 주요 열역학적 변수들의 상관관계를 파악하는 것을 목적으로 한다.2. 실험 이론 및 개요열역학에서 열은 온도차 혹은 온도 구배(gradient)에 의한 에너지의 전달로 정의한다. 이와 같은 관점에서 열역학에서는 단지 2가지 형태의 열전달 즉, 전도와 복사만을 열전달로 인식한다. 예를 들면, 강관 벽을 통하는 열전달은 전도이며 태양으로부터 지구 혹은 우주선으로의 열전달은 복사로서 이들 열전달은 분자 혹은 아원자 규모에서 일어난다. 대기압 상태의 공기 중 열전도는 분자들이 매우 짧은 거리(～0.65㎛)를 이동하여 다른 분자와 충돌하여 에너지를 교환함으로 이루어진다. 반면에 복사는 공기 중에서 한 면에서 다른 면으로 이동할 때 거의 방해를 받지 않고 이동하는 광자(photon)에 의하여 이루어진다. 따라서 전도와 복사 사이의 중요한 차이점은 전도인 경우 에너지의 전달이 평균 자유 이동 거리(mean free path)가 짧은 분자에 의하여 이루어지며 복사인 경우 긴 평균 자유 이동 거리를 갖는 광자에 의하여 이루어지는 것이다. 그러나 고진공 장치의 특성에서 나타나는 것처럼 매우 낮은 압력하의 공기에서는 분자들의 평균 자유 이동 거리가 장치의 크기보다 더 길어 분자들이 한 면에서 다른 면으로 방해를 받지 않고 이동할 수도 있다. 이 경우 분자들에 의한 열전달은 복사에서와 유사한 법칙에 따르게 된다.유체는 자신의 질량과 속도에 의해 운동량(momentum)을 전달시킬 수 있으며, 또한 자신의 온도로써 에너지를 전달시킬 수 있다. 엄밀히 말하면 대류란 물체의 운동에 의한 에너지의 전달이다.(이같은 의미에서 움직이는 고체도 에너지를 대류에 의해 전달시킬수 있다.) 그러나 공학에서는 일반적으로 대류란 말은 meter)이다.유로 내를 흐르는 정상상태 유체의 속도는 실험을 통해 측정한 유체의 질량 유량과 밀도를 고려하여 식 (8)을 이용해 구할 수 있다.(8)한편, 프란틀 수는 다음과 같이 정의된다.(9)여기서,는 유체의 동점성계수(kinematic viscosity)이며 점성계수를 밀도로 나눈 값로,는 유체의 열확산계수(thermal diffusivity)로로 정의된다.※ 프란틀 수란?프란틀 수는 운동량의 퍼짐도와 열적 퍼짐도의 비를 근사적으로 표현하는 무차원 수로, 다음과 같이 표현된다.여기서 ν는 동적 점성도이고, α는 열적 퍼짐도이다.Pr의 일반적인 값은 다음과 같다.공기를 비롯한 많은 기체에서는 0.7 정도엔진 오일에서는 100에서 40,000 사이R-12 냉각제에서는 4에서 5 사이수은에서는 0.015 정도수은에서는, 열 전도가 대류에 비해 매우 효율적이므로 열적 퍼짐도가 크다. 하지만 엔진 오일에서는, 내부에서 교환되는 에너지의 대류가 전도에 비해 매우 효율적이므로 운동량 퍼짐도가 크다.○ 부가설명 (여기서 쓰인 식 번호는 부가설명 중 식 유도에만 사용)① 열전도미시적 입장에 볼 때 전도를 일으키는 물리적 작용들(physical mechanism)은 기체 내에서의 분자들의 충돌, 결정(crystal) 내에서의 격자 진동(lattice vibration), 금속 내에서의 자유 전자(free electron)의 이동과 같은 다양한 현상을 포함하므로 복잡하다. 그러나 공학자로서는 가능하면 미시적 단계에서 전도 과정을 다루지 않고 거시적 입장에서 현상학적 법칙들(phenomenological laws)을 사용하려고 한다. 열전도를 나타내는 현상학적 법칙은 1822년 프랑스의 수리물리학자 J.B. Fourier 가 제안하였다. 이 법칙으로 예를 들어 단열층(layer of insulation)과 같은 평면벽을 통과하는 간단한 일차원 열흐름 문제를 고려하고자 한다. 표면적이이고 두께가인 평면벽으로0 인 면의 온도는,인 면의 온도는로 유지되고 있을때 벽을 통과하는 분 낮은 속도나 작은 크기의 물체, 점도가 높은 유체인 경우의 흐름이다. 관 내의 흐름은 무차원수인 레이놀즈수(Reynolds number),/ν 가 2300을 넘을 때 난류가 되는데, 이 때는 속도[m/s],는 관직경[m] 그리고 ν는 유체의 동점성 계수(kinematic viscosity) [㎡/s]이다. 열전달계수는 난류인 경우가 유체의 활발한 혼합으로 인해 층류인 경우보다 훨씬 높다. 그림 7은 일반적으로 접하는 흐름의 예를 보여준다.대류에 의한 열전달양은 일반적으로 표면 형상 및 온도, 유체 온도 및 속도, 그리고 유체의 열물리학적(thermophysical) 상태량들로 복잡하게 이루어지는 함수이다. 외부 강제 흐름인 경우 열전달양은 대략 표면 온도와 자유 흐름(free stream) 유체 온도와의 차에 비례한다. 그 비례 상수를 대류 열전달 계수(convective heat transfer coefficient)라 한다. 즉(14)여기서 Δ,는 표면으로부터 유체로의 열유속[W/㎡], 그리고의 단위는 [W/㎡K]이다. 식 (14)는 종종 뉴턴의 냉각법칙(Newton's law of cooling)이라고도 부르지만 실제 물리적 법칙이라기보다는에 대한 정의이다. 자연대류인 경우 상황은 훨씬 복잡하여 흐름이 층류이면는 Δ에 따라 변하며 흐름이 난류인 경우 Δ에 따라 변한다. 그러나 열전달 계수는 식 (14)로 정의하는 것이 여전히 편리하며 이 때는 층류인 경우 Δ, 난류인 경우 Δ에 따라 변한다.그림 7 일상적으로 접하는 흐름들 (a)～(f)관 내를 흐르는 유체로의 대류 열전달은 중요한 실제적인 내부 유동 문제로 액체를 가열 혹은 냉각하기 위한 열교환기나 응축기나 여러 종류의 보일러에서 찾아 볼 수 있다. 이 경우 식 (14)를 사용할 때Δ=-로서 이 때는 체적 평균 온도(bulk mean temperature)혹은 혼합 평균 온도(mixed mean temperature)라고 하는 적절히 평균된 유체 온도를 나타낸다.관의 벽온도가 길이 방향으로 균일하며 기 전에 측정한 온도는 시간이 흘러도 변하지 않는 반면에 히터를 통과한 온도는 시간이 지나면서 점점 높아지는 것을 볼 수 있다. 이것은 비교적 낮은 온도(평균적으로 약)의 질소기체가(실제 실험에서는 관찰을 용이하게 하기 위해 히터 주변에 단열제를 제거하여 히터표면에서 외부로 열손실이 발생하였기 때문에로 측정되었다.)로 예열된 히터를 지나면서 가열되었기 때문에 충분히 예상할 수 있는 결과이다.유량(공급압력)이 증가함에 따라서 같은 시간동안 히터를 통과한 유체의 온도가 점점 더 높아지는 것을 확인할 수 있는데 이것을 통해 유량이 증가할수록 열전달이 더욱 활발하게 일어난다고 예상해 볼 수 있었다.④ Mass flow rate graph사용한 캘리식 :[ B : Voltage, C : Volume flow rateD : density, E : PressureF : Temperature(K), G : Mass flow rate]포트란 파일(파일이름 : EB_cali_101107)에서 얻은 캘리식을 이용하여 각 유량(공급압력)별로 질소의 질량유량을 구하고 이것을 시간변화에 따른 그래프로 나타내었다. 전압의 단위로 나온 체적유량을로 바꾸기 위한 두 번의 변환식이 있었고, 밀도는 질소를 이상기체라 가정, 이상기체의 상태방정식에 대입하여 구하였다. 그리고 체적유량과 밀도를 곱하여 질량유량을 구할 수 있었다.그래프의 개형자체는 압력그래프와 매우 유사한 점을 확인할 수 있었다. 질량유량을 계산하는 식에 변수가 총 3개(체적유량의 Voltage값, 압력, 가열되기 전 질소의 온도)가 들어가게 되는데 이 중 체적유량의 Voltage값이나 가열되기 전 질소의 온도는 시간이 흘러도 거의 변화가 없기 때문에 실질적인 변수는 압력 하나이다. 따라서 질량유량은 압력에 따라서 변하게 된다는 결론을 얻을 수 있고, 조교님이 4개의 실험에서 유량 변화를 주기위해 질소 공급 압력을 바꾼 이유를 이해할 수 있었다.이 데이터를 통해 각각에 대해 평균 유량을 구하기 위해 시간별로 구한 질량유량의 데이터에 대류열전달계수의 공식에 따르면 질량유량이 증가함에 따라 가열된 온도가 높아지고 이 차이가 더 많은 열전달을 발생하여 결국 대류열전달계수를 크게 만드는 요인이 되었다.6. 고찰이번 실험의 주목적은 열전달 이론을 통하여 쉽게 측정 할 수 있는 P(압력),T(온도),M(질량)을 측정하고 이를 통해 레이놀즈수, 누셀트수, 열전달률, 대류열전달계수 등을 구하는 데 있다. 실험은 안전문제로 우리가 직접 조작하지 않아 아쉬운 부분이 있었지만 그보다 더욱 중요한것은 공학적으로 어떻게 이를 이용하느냐 하는 것을 생각해 볼 수 있는데 먼저 열전달이라하면 열이동 ·전열이라고도 하며 일반적으로 물체들 사이의 열전도 ·대류 ·열복사 등 3가지 열이동 과정을 총칭하지만, 좁은 의미로는 유체와 고체 표면 사이에서 열을 주고 받는 현상만을 가리킨다. 열전달에는 크게 유체 흐름이 자연(자유)대류일 경우(가열된 방바닥이나 벽면에 의한 난방)와 강제대류일 경우(비행체 표면으로부터의 열방출이나 열교환기 관벽 내외의 열교환), 유체의 상이 변화하지 않을 경우와 변화할 경우(비등이나 응축을 수반하여 보일러나 콘덴서 등의 성능을 좌우하는 열전달)등이 있고. 경계층이 층류를 이룰 때와 난류를 이룰 때, 또는 그 둘이 함께 공존할 때 등에 따라 열전달 현상은 달라진다. 그리고 유체는 자신의 질량과 속도에 의해 운동량(momentum)을 전달시킬 수 있으며, 또한 자신의 온도로써 에너지를 전달시킬 수 있다 위와 같이 많은 부분의 실생활에서 사용되는 이론이 열전달이고 우리는 실험을 통하여 각각의 값을 구해 볼 수 있었다. 더욱 심도있게 들어가면 설계 공학자가 접하는 열전달 문제는 거의 항상 한 가지 유형 이상의 열전달이 동시에 일어나는 문제들이다. 예를 들어 집의 지붕을 통한 한밤중의 열손실을 생각해 보면 열은 따뜻한 실내 공기로부터 대류에 의하여 벽들과 가구, 그리고 사람들로부터 복사에 의하여 천정으로 전달된다. 천정과 천정 단열재를 통한 열전달은 전도에 의하여, 천정 공간에서의 열전달은 대류 및 복사에다.

공학/기술| 2011.09.11| 41페이지| 1,000원| 조회(195)

실험, 열전달, 기초공학실험, 열전달실험

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응용공학실험(하이브리드로켓추진)

1. 실험 목적하이브리드 추진연소를 이용하여 로켓 추진의 기본 특성을 이해하고 하이브리드 로켓 연소기 설계에 요구되는 주요 변수들의 관계를 파악하고자 한다. 이번 실험에서는 Diaphragm의 존재 여부에 따른 연소특성을 공부해본다.2. 실험 이론 (하이브리드 로켓 추진 개요)(1) 로켓 추진 방식로켓 추진은 공기 흡입 추진방식과 달리 산화제와 연료를 비행체에 탑재하기 때문에 외부 공기의 영향을 적게 받아 운용 고도 및 속도 범위가 매우 넓고, 비교적 시스템이 단순하고 대기권 밖에 운용에 적합한 장점이 있다. 화학 로켓 추진은 연료와 산화제의 형태에 따라 다음의 3종류로 나누어 진다.1) 액체 로켓연료와 산화제는 모두 액체 상태로 연소실에서 기화 및 연소반응하여 고온 고압의 가스가 발생하고 추진력을 얻는다. 산화제는 주로 액체산소(LOX), 연료는 액체수소가 사용된다. 이들은 모두 극저온 상태로 저장되며 연소실에 고압으로 공급하기 위하여 터보 펄프나 헬륨을 이용한 가압 장치가 요구된다. 따라서 시스템이 복잡하고, 가동시 진동에 의한 연소실 폭발의 위험성이 존재한다. 그러나 추력의 제어가 가능하고 가장 좋은 비추력(Isp)을 가지는 장점이 있어 대형 추진체에 적합하다.2) 고체 로켓고체 로켓의 추진체는 연료와 산화제를 혼합하여 고체 상태로 저장된다. 고온의 열에 의해 고체상태의 연료와 산화제가 열분해를 일으키면서 반응하고, 고온 고압의 연소가스를 발생하여 추력을 얻는다. 고체 로켓은 시스템이 단순하고 제작비가 낮아 미사일 등 일회성 비행체에 주로 사용된다. 그러나 고체로켓의 추진체는 산화제와 연료가 혼합되어 있어 폭발의 위험성을 갖고 있으며, 추진제 노화에 따른 막대한 교체 비용이 요구되는 부담도 지니고 있다. 또한 추력의 제어가 어려워 다양한 비행의 제어에는 부적절하다.3) 하이브리드 로켓하이브리드 로켓은 서로 다른 상의 연료와 산화제를 적용하는 추진 시스템이다. 일반적으로 액체 연료에 고체 산화제를 사용하는 경우도 있으나 이는 매우 드물다. 하이브리드 로켓은류 및 복사 열전달에 의해 열이 연료 표면으로 전달되고, 전달된 열의 일부는 고체 연료 내부로 전달되고, 또 다른 일부는 연료 표면을 특정된 온도(Pyrolysis)까지 가열시키며, 나머지는 고체를 기체화시키는데 사용된다. 이렇게 발생된 기체 연료는 확산하여 산화제와 연소반응을 다시 일으키며, 계속적으로 화염을 유지시킨다. 발생된 고온 고압의 추진체는 노즐을 통하여 분사되어 원하는 추력을 얻게 된다. 액체 로켓에서는 연로의 공급량 즉 연소율이 주요 변수이지만, 고체 및 하이브리드 로켓에서는 고체 연료의 감소 속도 즉, 후퇴율(Burning rate)이 주요 인자가 된다. 고체로켓에서는 이 후퇴율(Regression rate)이 압력의 함수로 나타나지만, 하이브리드 로켓에서는 산화제 유속의 함수로 표현된다.,여기서, a와 n은 상수로 주로 실험으로부터 찾아낸다. 산화제 유속 외에 고체연료 및 산화제 종류 연소실 압력, 연료 형상 등이 후퇴율에 영향을 미친다.3. 실험 장치실험을 수행하기 위하여 [그림 3]과 같은 실험 장치를 구성하였다. 실험 장치는 크게 산화제 공급 장치, 점화 장치, 테이터 획득 장치 및 연소기로 구성되며, 주 구성품으로 산화제 탱크, 인젝터, 연소실, 노즐, 점화기, 배관, 측정 센서 및 제어 장치 등이 있다.(1) 연소기[그림 4]와 같이 연소기 각 구성품은 stainless steel로 구성되어 있고, flange로 고정되어 있다. 연소기는 인젝터, 전방연소실, 후방연소실, 연료 그레인, 노즐로 구성하였으며, 전방 연소실과 후방 연소실에 각각 압력 센서를 장착하였고 노즐은 구리로 제작하여 물냉각 한다.연소기 사진(2) 점화장치초기 고체연료를 기화시키기 위한 점화원으로 가연성 가스인 부탄/프로판 가스가 분사되고 산화제가 소량 분사된 뒤 스파크 플러그를 통해 불꽃을 가해 점화하는 방식을 하용하게 된다. 스파크 플러그의 불꽃은 1.5V 배터리의 전압이 고전압발생기에서 증폭되어 발생하게 된다.(3) 실험장치 제어 및 데이터 획득본 실험에 사용된화제 유량을 제어하기 위하여 오리피스의 직경을 조절한다.(6) 각 살험장치 확인 및 주변 위험요소를 확인한다.(7) Lab-View program setting (하이브리드 로켓 연소 작동)(8) 배관의 압력을 제거한 후 purging 실시한다.(9) 연료를 탈착한다.(10) 연료의 무게를 측정한다.(11) 새연료에 Diaphragm을 장착하고 (3)~(10)과정을 반복한다.(12) 측정 데이터를 확인 및 분석한다.5. 실험 결과 및 분석OxidizerGas OxygenFunctionW/O DiaphragmWith DiaphragmFuelLDPE(Low Density Polyethylene)Solid Fuel Density910Burning Time(s)10Solid FuelConfigurationInitial portDiameter(mm)1515OutDiameter(mm)50GrainLength(mm)200200 - 왼쪽부터 사용후, 사용전 (1) load-cell calibration아래에 주어진 데이터를 가지고 linear fitting한 직선의 방정식을 구한 뒤 그래프를 그려 Voltage 값을 kgf 값으로 변환하는 상관관계를 찾아낸다.Voltage (V)Weight (kgf)1.0401.271.19201.512.38781.743.58731.984.78752.225.95652.457.17552.698.37352.929.57003.1710.773703.4011.973803.6313.173473.8714.368924.1115.569324.3416.761684.5817.962764.8119.16015(2) thrust graph1.txt 파일의 4 column의 signal을 주어진 데이터를 가지고 line fitting한 직선의 방정식을 이용 kgf 값으로 변환한다. 1.txt 파일의 각 column은 초당 2500개의 DATA를 수집한 것이다. 시간에 따른 추력 그래프를 작성하여라. - 그래프를 보면 초기 고체연료를 기화시키기 위한 10초가량의 준비 시 flow rate graphCALI.DAT 파일로 산화제 질량 유량의 시간에 따른 변화 그래프를 작성하여라. - 0~10초 사이는 점화 준비 구간으로 연료의 유입이 존재 하지 않는다.- 10~20초는 연료 연소 구간으로 질량이 유입되고, diaphragm이 존재할 때와 존재하지 않을 때 거의 차이가 없다. 또 연료 종료 시의 질량 유량이 가장 큰 것을 알 수 있다.- 20초 이후엔 연료의 연소가 끝나고, 연료 유량이 서서히 줄어든다.(5) 산화제 질량 유속에 따른 후퇴율 그래프를 작성하여라.다이아프램을 설치한 실험과 다이아프램을 설치하지 않은 연료의 산화제 질량 유속에 따른 후퇴율 그래프를 각 각 작성한 뒤 curve fitting하여의 식을 구하여라.연소전 반경Ri연료 길이L연료밀도tc(sec)0.00750.200950101): 연소 전·후 연료무게 차이(g),: 연료 밀도(), (HDPE의 밀도 : 950),: 연소 후 연료 반지름(mm),: 연소 전 연료 반지름,: 연료길이(mm) 이다.2)여기서,: 후퇴율(Regression rate, mm/s),: 연소시간(sec)이다.3)여기서,연소 전()연소 후()질량차부피 차후퇴율1w0.344350.316960.027392.88316E-050.0101060.000261wo0.344350.314180.030173.17579E-050.0103340.0002832w0.344410.306530.037883.98737E-050.0109410.000344wo0.344490.30140.043094.53579E-050.0113330.0003833w0.344650.312320.032333.40316E-050.0105080.000301wo0.344650.308870.035783.76632E-050.0107790.0003284w0.344560.303120.041444.36211E-050.011210.000371wo0.344410.298120.046294.87263E-050.0115670.0004075w0.344430.320280.른 후퇴율의 변화를 다섯 조의 데이터를 비교해보면 위와 같은 그래프로 나타난다.- 유량 속도가 증가함에 따라 후퇴율도 같이 증가하게 되고 따라서식에서모두 양수를 갖게 된다. 그 크기는 위의 그래프에 나타나 있다.- diaphragm의 유무에 따른 후퇴율을 비교해보면 diaphragm이 없을 경우 후퇴율이 더 크다는 것을 알 수 있다. 이것은 diaphragm이 없을 경우 고체 연료의 감소 속도가 더 크다는 것을 나타낸다.(6) Isp(비추력) 계산아래의 비추력 계산식을 이용하여 비추력을 구하고 O/F비에 따른 비추력 그래프를 작성하여라.: 평균 추력 [kgf]: 노즐을 통해 빠져나간 추진제(산화제+연료) 질량 유량: 중력 가속도- 그래프를 보면 O/F 비가 약10 이하 일 때 비추력 값이 선형적으로 증가함을 볼 수 있다. 산화제의 공급이 연료 공급보다 많아지면, 일정 수준 까지는 비추력이 증가한다고 볼 수 있다. 그러나 약10을 정점으로 그 이상 O/F비가 커지면 다시 감소하는데, 산화 반응 시 산소와 연료가 일정 질량비로 반응하기 때문에 산소가 연료 공급보다 너무 많아지면 오히려 추력이 떨어지는 현상이 발생한다. 즉 이상적인 O/F비를 실험상에서는 10정도로 생각할 수 있다. 비추력은 로켓 추진의 효율 측정척도로서 1초에 1kg의 추진제를 소모하면서 얼마나 많은 추력을 얻어낼 수 있는가를 나타내는 값으로서 로켓의 비추력은 연료를 추력으로 변환하는 효율을 나타내기 때문에 같은 추력을 낼 때 비추력이 높다는 것은 연료 소모가 적음을 의미한다.(7) C*(특성배기속도) 계산아래의 특성배기속도 계산식을 이용하여 특성배기속도를 구하고 O/F비에 따른 특성배기속도 그래프를 작성하여라.: 연소실(pre-chamber) 압력: 노즐목 단면적(노즐목 직경 : 9mm): 노즐을 통해 빠져나간 추진제(산화제+연료) 질량 유량PcAtO/FC*1w4410426.36E-050.0244497.9262504561125.803wo467341.66.36E-050.0247367.1990384 있다.

공학/기술| 2011.09.11| 15페이지| 1,500원| 조회(188)

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응용공학실험(외팔보)

1. 서 론구조물에서 하중을 담당하는 1차원 부재의 대부분은 보이다. 그 중에서 가장 많이 사용되는 보의 형태는 외팔보이다. 외팔보란 한쪽 끝이 고정되고 다른 끝은 받쳐지지 않은 상태로 되어 있는 보로써 외관은 경쾌하나 같은 길이의 보통 보에 비해 4배의 휨 모멘트를 받아 변형되기 쉬우므로 강도설계에 주의를 요한다. 주로 건물의 처마끝, 현관의 차양, 발코니 등에 많이 사용된다. 또한 폭격기의 날개의 원리로 이용할 수 있고 전투기 정찰기 등의 날개의 원리로도 사용 할 수 있다. 그 뿐만 아니라 교량, 탑등에 이용. 건물, 다리, 선박 등 구조물에 이용되는데, 구조물에서 하중을 담당하는 1차원 부재의 대부분은 보. 그중에서 가장 많이 사용되는 형태가 외팔보이다. 하중을 받는 외팔보의 진동은 필연적이며 이 진동을 이해하고, 제어하는 작업은 진동 엔지니어의 매우 중요한 과제중의 하나이다. 본 실험에서는 외팔보의 진동특성을 실험으로 파악하고 이론적 해석결과와 비교한다. 이러한 공학실험을 통해 보의 진동특성을 파악하게 되고, 진동의 중요성, 공진의 중요성을 체험하게 된다. 실험을 실시하기 전에 먼저 보의 전동운동 방정식을 배우게 되며, 이론적인 보의 고유진동수 및 진동모드를 배우게 된다. 다음 보의 진동실험을 수행하게 되는 실험장치의 구성에 대해 공부를 한 후 실험을 실시한다.※ 외팔보의 이용 사례전형적인 캔틸레버 보의 형태로써 타워 크레인을 들 수 있다.타워 크레인이란 높은 철탑 위에 빔(beam)을 T자형으로 결부한 크레인으로, 빔이 고정되어 있는 것과 회전하는 것이 있다.항만 하역용이나 고층 건축용으로 발달하여 조선소의 선대와 안벽 등에 설치하고, 초고층 빌딩이나 아파트 건설현장에서 많이 사용된다.전봇대, 신호등, 비행기의 날개 역시 외팔보가 모델링된 형태로 주위에서 쉽게 관찰 할 수 있다. 외팔보는 중력이나 각종 외력에 노출되었을 때 굽힘 모멘트가 크게 발생되기 때문에 상부에서 케이블로 잡아주던지, 하부에서 다른 보로 받쳐주는 형태가 많다.서해대교는 서해교역의 관문이 될 아산만을 통과하는 국내 최대의 교량이며, 외팔보 공법으로 시공되었다.지금까지 만들어진 세계 최대의 트러스교로써 외팔보(캔틸레버)형식과 아치형식의 트러스를 조합한 548m의 스팬을 가진 캐나다의 다리이다.전라남도 진도군 군내면 녹진리와 해남군 문내면 학동리 사이를 연결하는 다리로써 외팔보공법으로 시공 되었다.2. 이론 전개(보의 운동방정식, 외팔보의 고유진동수, 진동모드에 대한 이론전개)1) 오일러-베르누이 보 (Euler-Bernulli Beam) 이론식

공학/기술| 2011.09.11| 14페이지| 2,000원| 조회(562)

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응용공학실험(무인항공기제어)

1. PID제어에 대한 개념(출처 : http://maxpulse.tistory.com/139, 수정 : 본인)P:비례제어, I:적분제어, D:미분제어를 뜻한다. 여기서 비례, 적분, 미분 이란 것은 에러값(내가 원하는 제어 목표와 실제 제어 상태)에 대한 비례, 적분, 미분을 의미한다.PID제어는 모터의 속도/위치 제어, 보일러의 온도 제어등 여러가지 분야에서 쓰일수 있기 때문에 에러값이라하면 모터의 속도라거나, 보일러에서 끓는 물의 온도 등등이 된다.그 에러값들은 제어 회로의 구성에 따라 전압의 아날로그 값이 되거나, 시간 간격에 따른 펄스의 개수, 혹은 펄스의 길이 이런 다양한 값이 될수 있다. 이런 에러값을 받아들여서 P, I, D 라는 방법을 활용하여 제어를 하게 된다.1) P제어?비례-Proportinal 제어로 에러값의 비례해서 제어량을 변화시키는 방법이다.P제어는 On/Off 제어, ?비례제어로 나뉘지만 On/Off 제어도 비례제어라 할 수 있고 비례제어의 특성중 하나는 정상상태 오차(Steady State Error)가 없어지지 않는다는 것이다.On/Off 제어를 비례제어인데 Gain(에러값에 대한 제어량에 기준값)이 무척 큰 것이라고 생각하면 일정 크기의 에러가 계속 존재하게 된다. 게인을 줄인다고 해도 그 에러는 계속 존재한다. 예를 들어 10의 오차가 있을때 게인값을 적용하면 -1의 오차가 남는다면(오버되는 경우) 다시 -1의 오차를 보정하면 +0.1의 오차가 남게되고?반복하게 된다.다만 게인이 일정값 이하로 줄어들면 그림처럼 약간의 편차가 계속 남은채로 목표값을 따라가게 된다. Gain 값을 정확히 맞추더라도 오차가 없어지는 순간 제어할 수 있는 값이 없어지므로 다시 오차가 발생하게 된다.2) I 제어에러값을 적분한 값을 가지고 제어를 하는 경우를 말한다.?위에서 비례 제어의 특성 그래프를 보면 일정 크기의 정상상태 오차가 계속 남아있게 된다. 이는 P제어로는 처리 할 수 없는 작은 오차(잔류편차)이므로? P제어 만으로는 없앨 수가 없다.?즉 이런 미소한 잔류편차를 시간단위로 적분하여 그 값이 어떤 크기가 되면 조작량을 증가시켜 편차를 없애는 방식이 I 제어이다.위 그림을 보면 위선은 P제어에 의한 조작량이고, 아랫선이 I 제어에 의한 조작량이다.그림을 보면 I 제어는 일정 시간동안 오차가 누적되어 일정값을 넘어서면 시작하게 된다.3) D?제어???미분, 즉 오차값의 변화를 보고 조작량을 결정하는 방법이다.위 그림은 PID 제어에 대한 그림인데 D제어만 따로 놓고 보기는 좀 힘들기 때문에 PID 제어를 통틀어서 본다. D제어는 오차의 변화의 반대방향으로 제어가 이루어지게 된다.즉 오차의 값을 미분한(즉 빨간선의 기울기)의 반대방향으로 조작량을 변화시킨다. 그렇기 때문에 빨간선과 파란선을 비교하면 서로 반대의 모양으로 급격하게 조작량이 변하는 것을 볼 수 있다.4) 조작량의 결정실제 제어기는 아날로그 값으로 제어하는 것처럼 되어 있지만 실제 컴퓨터를 사용하기 위해서는 샘플링을 통하여 들어온 이산값의 오차들을 이용하여 조작량을 결정하게 된다.조작량 = Kp * 편차???? +?????? Ki * 편차의 누적값??? +??????? Kd * 편차의 변화량여기서 kp, Ki, Kd가 제어기의 특성을 결정하게 된다.5) 제어기의 특성과 PID 각 요소들의 의미제어기의 특성은 몇가지 지표로 결정이 되는데 그것은 제어기마다 다르다. 절대 목표값을 넘지 말아야하는 제어기도 있을수 있고, 무엇보다 빠르게 목표 값에 도달해야 하는 제어(빠른응답)도 있을 수 있다. 오차가 작은게 무엇보다 중요한 제어도 있을 수 있다.큰 지표가 되는 것은 3가지이다. (실제 제어공학에서 보면 특성을 나타내는 값들이 이것들보다 더 많고,?측정 방법도 조금 다르다는 것을 알 수 있다)① Overshoot - 오버슈트목표값에 비해서 최고로 오차가 커지는 부분이 얼마인가를 보는 것이다. 이 값이 너무 커지면 시스템에 무리를 줄 수도 있다. 예를 들어 제어량이 전압이고 TR을 동작시키는데 오버슈트가 너무 커지면 TR의 동작 영역을 벗어나서 오동작을 하거나 TR이 과전압에 의해 손상될수 있는 상태이다.② 목표값 도달 시간.제어는 어차피 완전히 100% 수렴할수는 없다. 그래서 목표값의 몇%에 들어가면 제어가 완료된 것으로 본다. 제어가 완료되었다고 판단되는 시간을 목표값 도달 시간이라 하고 그 시간이 짧을 수록 좋은 제어기이다.③ 정상상태 오차제어량이 목표량의 일정범위에 도달하였으나 없어지지 않고 남아있는 오차이다.6) PID와?제어기의 특성① P 제어 : 목표값 도달 시간(B)을 줄인다.???????② I 제어 : 정상상태 오차(C)를 줄인다.③ D 제어 : 오버슈트(현재치의 급변이나 외란-A)을 억제한다.?간단히 P, I, D 각자는 제어기의 특성에 대해서 위와 같은 효과를 발휘한다고 볼수 있다. 그러나 이는 단순한 문제는 아니며 P,I,D의 조작량은 서로 영향을 미친다.일반적으로 각 제어량의 게인을 조절하여 제어기의 특성을 셋팅하게 되는데 이는 이론적으로 어느정도 게인값을 결정한뒤 튜닝을 통하여 최적(이라고 생각되는) 게인값을 제어기에 적용하게 된다.2. 실험결과그래프를 보면 442초쯤에 Roll각도가 변화하기 시작하였고 약 11에 수렴하는 것을 볼 수 있다. 이 것은 손으로 그래프의 파형을 나타낸 것이지만 실제 제어기에서 이런 파형을 나타냈다면 Roll각을 11정도로 좌선회 시켰을 때를 나타낸 것이고(좌선회를 +로 본다면) 약 449초쯤 목표값에 도달하였다고 하면 P제어로 인해 7초의 시간동안 제어가 된 것이고 D제어로 인해 16까지만 오르고 점점 11에 수렴하게 되는 것이다. 실제로는 굉장히 빠르게 순간적으로 이러한 제어가 이루어 진다.load rolldata910.matfor n=21966:22725x1(1,n-21965)=Runtime(n,1);y1(1,n-21965)=Roll(n,1);endplot(x1,y1)xlabel('Runtime')ylabel('Roll')title('Roll graph 1')앞서 말한 바와 같이 그래프가 실제 제어기의 파형을 나타냈다고 가정하면 이 그래프에서는 606초쯤에 Roll각도가 변화하기 시작하였고 P에 의해 613초 까지 약 7초의 시간이 목표값에 도달하기 위해 걸렸으며 D에 의해 처음에 21정도까지 변화하고 점점 11에 수렴하게 되었다고 볼 수 잇다.load rolldata910.matfor n=30087:30843x2(1,n-30086)=Runtime(n,1);y2(1,n-30086)=Roll(n,1);endplot(x2,y2)xlabel('Runtime')ylabel('Roll')title('Roll graph 2')이 그래프를 보면 665초쯤에 Roll각이 변화하여 672초 정도에 목표값에 도달하여 P에 의해 약 7초간의 제어시간이 걸렸고 D제어가 잘 이루어 지지않아 롤각이 약 19부터 6까지 불규칙하게 움직였다고 보여진다.load rolldata910.matfor n=33015:33785x3(1,n-33014)=Runtime(n,1);y3(1,n-33014)=Roll(n,1);endplot(x3,y3)xlabel('Runtime')ylabel('Roll')title('Roll graph 3')이 그래프는 Pitch에 대한 그래프인데 Pitch그래프도 손으로 제어하였지만 실제 제어된 그래프라고 가정하면 430초쯤에 Pitch각이 변화하여 436초쯤 목표값 10에 도달한 것으로 볼 수 있다. P에 의해 6초간 각도를 제어되게 되었고 감쇠비가 작아 오버슈트가 그렇게 크지 않은 것으로 보여진다.load pitchdata.matfor n=21354:22389x1(1,n-21353)=Runtime(n,1);y1(1,n-21353)=Pitch(n,1);endplot(x1,y1)xlabel('Runtime')ylabel('Pitch')title('Pitch graph 1')이 그래프는 Pitch각이 495초쯤에 변화하기 시작하여 10에 도달하였는데 P에 의해 약 6초정도의 시간이 제어에 소요되었고 역시 감쇠비가 작아 오버슈트가 크지 않은 것으로 보인다.

공학/기술| 2011.09.11| 10페이지| 1,500원| 조회(249)

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