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생체역학을 기반으로 한 Elbow CPM의 개발

공학사 학위논문생체역학을 기반으로 한 Elbow CPM의 개발The Development of Elbow CPM Based onThe Biomechanics공학사 학위논문생체역학을 기반으로 한 Elbow CPM의 개발The Development of Elbow CPM Based onThe Biomechanics이 논문을 공학사 학위 논문으로 제출함.목 차1. 서론 ........... 11.1 연구배경 11.2 CPM의 필요성 ....... 11.3 연구개요 42. Elbow CPM 개발 개요 ............... 52.1 Elbow CPM 개요 ... 52.2 개발 방향 ............... 52.3 기존 제품의 분석 ................ 306.1 RP 장치를 이용한 모형 ......... 306.2 우드락을 이용한 모형 ............ 307. 결 론 ....... 31제 1 장 서 론1.1 연구 배경점차 우리사회가 고령사회로 접어들면서 60세 이상 인구가 전체 인구에서 차지하 는 비중이 갈수록 늘어만 가고 있다. 이와 비례하여 국내에서 수요가 필요한 의료기기의 규모도 기하급수적으로 증가할 전망이며 따라서 이 거대한 시장을 선점하기 위한 기업들의 행보도 빨라지고 있다. 벌써 수년전부터 불어오기 시작한 ‘well-being’열풍과 함께 고령인구의 급증에 따른 고혈압이나 당뇨 등 만성질환 환자의 증가는 최근 의료시장의 성장세를 이끄는 동력원이라 할 수 있겠다.그러나 이렇게 장밋빛 전망만 있는 것이 아니다. Fig. 1-1에서와 같이 우리나라의의 의료기기 수출입은 꾸준히 증가하고 있으나 의료기기 수입이 수출보 다 2배 이상 높은 구조로 인해 만성적인 무역수지 적자가 나타나고 있다. 2006년의 경우 의료기기 수출액은 8.17억불, 수입은 17.99억불로 무역수지 적자가 9.82억불을 기록하였는데, 이는 2005년 8.10억불에 비해 21.2% 증가한 수치이다. 우리나라 의료기기산업의 무역수지 적자 증가율은 2003년 31.5%에서 2004년 14.5%로 급감한 이후 2005년에는 13.3%로 더욱 감소하는 듯 하였으나 2006년 다시 큰 폭으로 증가하면서 우리나라 의료기기산업의 발전에 큰 부담으로 작용하고 있다. 이에 국산의료장비개발을 시작하였다.Fig. 1-제어가 가능하도록 구성되어 있다.Flg. 2-1 Elbow CPM2.2 개발 방향우리는 기존 Elbow CPM 제품과 차별화된 제품을 개발하기 위하여 외형적인 면에서의 연구를 중심으로 개발을 수행했다. 기존 Elbow CPM 제품들의 공통된 운동범위는 관절 관련 수술 후 재활 운동을 해야 하는 환자들의 요구에 의해서, 그리고 의학적으로 근육이 비활동적이거나 의식적으로 충분히 움직일 수 없는 환자들에게 임상적으로 필요한 운동의 기준을 토대로 결정해 놓은 것이기 때문에 더 이상의 운동범위에 대한 개발은 필요치 않다고 판단했다. 따라서 좀 더 단순한 구조와 메카니즘으로 좀 더 낮은 생산가격을 가지고 기존 제품이 수행하는 모든 운동기능을 충족시키고자 하는 목표를 가지게 되었다.2.3 기존 제품의 분석제품의 개발에 앞서 자료수집과 더불어 중요한 것이 기존 제품을 분석하여 자사의 제품에 반영하는 활동이다. 그 활동의 일환으로 Elbow CPM의 용도와 사용자가 느끼는 불편한 점, 개선해야 하는 점 등을 조사했다.앞서, 밝히고 갈 점이 한 가지 있다. 무릎관절에 사용되는 Knee CPM과는 달리 팔꿈치 관절 운동에 사용되는 Elbow CPM은 사용하는 예를 찾아보기 힘들었다. 또한, Knee CPM과 운동시켜주는 부분이 다를 뿐, 사용상의 문제점이 유사했기 때문에 Knee CPM의 자료를 참고하게 되었다. 다음은 그 내용이다.① 강도조절, 속도조절 스위치 거의 사용 안함② CPM을 올바로 사용하기 위해서는 링크의 길이조절이 쉽게 해야 함③ 디스플레이도 최대한 간단하게 같은 자리에 항상 같은 정보가 표시④ 각도의 정확한 값보다는 운동 범위가 기기를 사용할 때마다 얼마나 증가 하는 지에 관심이 있음⑤ 상하 각도에 대해서는 관심이 많지만 하한 각도에 대해서는 전혀 관심 없음 사 용 시 기기의 길이 조정을 거의 안함⑥ 타이머 기능은 꼭 필요함:5분단위로 증감이 적당하며 시간 종료 시 알람 필요⑦ 노인들은 기계의 on/off사항을 기계가 움직이는 것으로 판단하므로 천천히 움 직이는 없고 사람마다 기구부가 자신의 팔에 위치해 있을 때 편하게 느끼는 부분도 다르게 마련이다. 그로 인해 실제 설계 시 적절한 범위를 정하는 것은 중요하다. 완성된 제품이 범용성을 갖기 위해선 고려한 항목의 범위에서 최대값과 최소값을 알아야 한다고 생각했다. 그리고 최대값과 최소값 사이에서 적절한 범위를 설정하기로 했다. 범위를 정하기 위하여 한국인 인체치수조사(http://sizekorea.kats.go.kr) [2]를 참고했다. 이곳에는 한국인의 모든 부분별 치수가 표본조사 되어져 있는데 우린 팔 길이, 팔꿈치~주먹(전완부), 팔 안쪽길이(상완부)를 연령별로 최대값과 최소값을 조사했다. 조사한 자료는 다음과 같다.Table. 1 연령별 최대, 최소 길이값신체부위연령팔 길이팔꿈치~주먹(전완부)팔 안쪽 길이(상완부)최대값최소값최대값최소값최대값최소값10~19세671*************7020~24세6524*************025~29세6*************237730~34세6*************837035~39세6*************036140~49세6*************832250~59세6414*************560~69세659*************5870세 이상640467붉은색으로 표시된 수치가 각 항목별로 최대와 최소 길이 값을 보여준다. 다시 정리하면, 팔 길이는 최대 671mm, 최소 352mm라는 결과를 얻었고 팔꿈치~주먹(전완부)는 최대 413mm, 220mm , 팔 안쪽 길이(상완부)는 최대 590mm, 최소 270mm으로 조사되었다. 조사된 자료에 근거하여 전완부 350mm, 상완부 150mm로 치수를 설정했다.3.5 Elbow 힘 및 하중 분석Elbow에 걸리는 힘 및 하중을 분석하기에 앞서 Elbow에 걸리는 질량비와 중심위치, 신체별 무게를 구할 수 있는 표를 찾아보았다.Table 2. 신체 각 부분질량비 및 중심위치 [1]항목신체부위질량비(평균)중심위치(평균)머리목몸통상완전완손대퇴하퇴발0.0440.0330.4 받침대는 링크 시스템을 적용하여 환자의 팔 길이에 맞추어 조절이 가능하게끔 하였다. 그림 (c)는 상완부를 받칠 수 있는 지지대와 프레임을 나타낸 것이다. 양 프레임에 일정한 거리로 여러 개의 구멍을 뚫어 원하는 위치에 핀을 꽂아 길이를 조절하는 방식이다. 상완부 프레임의 길이가 전완부 프레임에 비해 길이가 짧은 것은 단지 지지만 하면 되는 부분이기 때문에 단가 절감 차원에서 짧게 하기로 결정했다. 그림 (d)는 기어박스와 연결되는 축을 나타낸 것이다. 기어박스의 종류나 기타 사항은 결정된 것이 없기 때문에 대강의 모습으로 나타내었다.4.2.2 1차 구상1차 구상에서는 아이디어 구상을 토대로 Pro/Engineering(이하 Pro-e) 3D 프로그램으로 구체적으로 표현을 했다.(a) (b)(c) (d)Fig. 4-2 (a), (b) 상완부 지지대 (c) 결합된 모습 (d) 고정 핀전완부 받침대그림 (a)와 (b)는 상완부 프레임과 연결되어 있는 지지대의 모습이다. 프레임에 구멍을 뚫어서 그림 (d)의 핀을 꽂아 길이를 조절할 수 가 있다. 지지대 부분은 추후 천이나 벨크로(찍찍이)를 붙여 고정 할 수 있게 하였다. 그림 (c)는 모든 부분을 결합해 놓은 모습이다.전완부 프레임프레임 라인(e)전완부 받침대기어 박스(f)Fig. 4-3 (e) 프레임에 전완부 받침대 결합 모습 (f) 기어박스위치그림 (e)은 전완부 프레임과 전완부 받침대를 연결해 놓은 모습이다. 프레임 부분은 팔의 슬립 방지를 위해 라인을 만들어 놓았다. 이 라인을 통해 전완부 받침대가 좌우로 움직이면서 동시에 환자의 팔도 같이 움직이게 된다. 이로 인해 슬립 방지의 효과를 얻을 수 있다. 전완부 프레임과 기구부 전체를 지지하는 지지대 사이에 축으로 연결되어 있는 것은 프레임을 운동 시켜 줄 기어 박스 부분이다. 기어 박스는 단순히 회전 운동만을 함으로써 프레임을 들어 올리는 올리는 역할만을 하게 된다. 기어 박스가 회전하면서 프레임과 연결되어 있는 축과 프레임이 동시에 올라가고 기어 박스가 있다.

공학/기술| 2009.12.29| 38페이지| 2,500원| 조회(472)

생체역학, 의료기기, CPM, Elbow CPM, 의료기기개발, 재활운동기구

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ANSYS를 이용한 외팔보의 유한요소해석(2D&3D)

ANSYS를 이용한 외팔보 응력 처짐에 대한 2D 및 3D 해석 Ⅱ목차유한요소해석법의 이론01ANSYS를 이용한 외팔보의 유한요소해석02결 론03참 고 문 헌04유한요소해석법의 이론1. 개요 유한 요소법은 전체 물체에 대한 문제를 한번에 풀지 않고, 각각의 유한 요소에 대한 방정식을 세우고, 그들을 조합하여 전체물체에 대 한 방정식을 구하는 것으로 공학과 수리 물리학의 문제들(구조해석, 열전달, 유동장, 물질 이동, 전자기장 해석 등)을 풀기 위한 하나의 수치 기법이다.유한요소해석법의 이론2. 발전과정 -1941년: Hrennikoff가 고체 연속체 내부의 응력을 구하기 위해 선 요소 사용 -1943년: McHenry가 고체 연속체 내부의 응력을 구하기 위해 선 요소를 사용 -1947년: Levy가 유연도법 또는 하중법을 개발 -1953년: 강성도법 또는 변위법을 개발하여 부정정 항공기 구조를 해석 -1954년: 에너지 원리를 이용한 행렬구조 해석법 개발 -1956년: Turner, Clough, Martin, Topp가 2차원 문제에 대한 트러스 요소와 보 요소, 삼각형, 사각형요소에 대한 강성행렬을 유도하고 직접 강성 도법이 알려져 있는 전체구조 강성행렬을 구하는 과정의 개요 확립. -1960년: 처음으로 유한요소란 말을 사용 -1963년: 축 대칭 쉘과 압력용기에 대한 곡면 쉘 굽힘 요소 강성 행렬로 발전 -1965년: Archer가 동역학적 해석에 관한 사항 고려, 축의 비틀림이나 유체유 동, 열전도개발 -1969년: 탄성방정식 유도 -1977년: 자기장을 결정하기 위해 가중잔여법을 응용유한요소해석법의 이론3. 유한요소 해석의 순서 실제 구조물 모델링 유한요소법에서 사용될 요소는 실제 하중조건에 따른 물리적 조건과 해석하는 사람이 얼마나 실제 상황에 가까운 답을 원하느냐에 따라 달 라진다. 1차원으로 할것인가 2, 3차원으로 할 것인가를 결정하는 것 도 필수적이다. 특별한 문제에 대한 가장 적합한 요소의 결정은 설계 자와 해석자들이 가장 우선적으로 결정하여야 할 중요한 과제이다.유한요소해석법의 이론3. 유한요소 해석의 순서 (2) 재료물성치 정의 모델을 유한요소 모델로 생성한 후에는 실제 모델의 재질을 정의해주 어야 한다. 동일한 형상의 모델이라도 금속, 나무, 플라스틱 등 그 재 질에 따라서 외력에 의한 응력이나 변위값이 크게 달라진다. (3) 유한요소 모델링(Mesh) 기하학적 형상에 절점과 요소를 정의하는 과정을 유한요소 모델링이 라고 한다. 요소는 유용한 결과를 얻기 위해서 충분히 작아야 하고 반 면에 계산에 드는 시간을 줄이기 위해서는 충분히 커야한다.유한요소해석법의 이론3. 유한요소 해석의 순서 (4) 하중조건, 구속조건 정의 해석을 수행하기 위해 모델에 가해지는 구속이나 외력 등의 해석조건 을 정의하는 것을 말한다. 하중조건을 입력할 때는 입력지점과 하중의 크기, 방향을 실제 상황에 맞도록 정의 하는 것이 매우 중요하다. (5) 해석(Slove) 앞 단계에서 생성한 모델과 해석 조건은 프로그램상에서 수학식으로 바뀌게 된다. 해석은 이러한 수학식을 풀어가는 과정이다. (6) 결과 검토 모든 해석의 결과는 숫자로 계산되지만 구조물 전체에 걸친 응력이나 변위 등을 일정한 색상으로 표현하여 시각적으로 분석할 수 있다.유한요소해석법의 이론4. 유한요소법의 장점 ① 불규칙적으로 생긴 물체도 쉽게 모델링 할 수 있다. ② 여러 가지 종류의 하중조건을 쉽게 다룰 수 있다. ③ 경계조건의 종류, 개수에 제한이 없다. ④ 여러 가지 복합재료로 이루어진 연속체에도 적용이 가능하다. ⑤ 물성치 및 거동의 비선형도 적용이 가능하다. ⑥ 필요에 따라 특정부위의 요소크기를 더 작게 혹은 크게 하는 등 요 소의 크기 가 자유롭다. ⑦ 응력해석, 좌굴, 진동, 열, 유동해석 등 공학의 모든 분야에서 활용 이 가능하다.유한요소해석법의 이론4. 유한요소법의 단점 ① 초보자가 사용하지 쉽지만, 결과의 신뢰성 평가는 경험이 필요 ② 국부 응력 해석 시에는 일반적으로 모델링이 어려움 ③ 실제 구조물을 유한요소 모델로 이상화시키기 위해서는 많은 경험 과 지식이 필요 ④ 대형구조물인 경우 높은 컴퓨터의 성능이 필요ANSYS를 이용한 외팔보의 유한요소해석위의 해석 모델은 외팔보에 집중하중이 가해진 형태이다. beam의 단면의 가로는 0.04m, 높이는 0.06m, 탄성계수는 210GPa, 외팔보의 길이는 4m, 하중의 크기는 600N, 푸아송비는 0.3이다.1. 해석모델2. 2D모델 해석 결과 최대변위 : 0.084656 m 약 8.47 cm 의 변위를 가진다.ANSYS를 이용한 외팔보의 유한요소해석2. 2D모델 해석 결과 이론적인 최대 변위값은 아래와 같다.ANSYS를 이용한 외팔보의 유한요소해석node12345displasement (m)0.00000.00730.02650.05360.08472. 2D모델 해석 결과ANSYS를 이용한 외팔보의 유한요소해석ANSYS를 이용한 외팔보의 유한요소해석3. 3D모델 해석 결과ANSYS를 이용한 외팔보의 유한요소해석3. 3D모델 해석 결과 (1) 굽힘응력 ① 해석시 최대응력 최소응력 ② 최대 굽힘응력의 이론값 ③ 이론값을 참값이라고 할 때의 오차율ANSYS를 이용한 외팔보의 유한요소해석3. 3D모델 해석 결과ANSYS를 이용한 외팔보의 유한요소해석3. 3D모델 해석 결과 (2) 변위ANSYS를 이용한 외팔보의 유한요소해석3. 3D모델 해석 결과 ① 해석시 최대변위 = 0.083706m 약 8.37 cm ② 최대 처짐량(최대변위) 의 이론값 ③ 이론값을 참값이라고 할 때의 오차율결 론연구의 분석 (1) 이론값과 해석값의 정리 및 비교유한요소해석법을 이용한 ANSYS 해석은 해석하고자 하는 대상물, 환경 등의 요인에 따라 변경하고 조절할 수 있다. 즉 빨리 결론을 얻고 싶다고 하면 요소를 줄여 해석해야 하지만, 정확성은 떨어질 수 있다. 적절하게 효율성과 정확성을 배분하여 해석한다면 이를 최 적화 할 수 있을 것이다. 실제로 기업이나 연구소에서는 ANSYS 를 통해 힘의 평형방정식을 이용하여 결과를 유추해내고 시뮬레이션을 통해 제품의 문제점을 찾 아 개선하므로 시제품 제작과 실험을 최소화 할 수 있고 많은 시간과 비용을 절감할 수 있을 것이다.결 론[1] ANSYS Workbench 왕초보탈출하기, (주)태성에스엔이 FEA사업부, ∑시그마프레스, 2007 [2] 유한요소해석 입문과 선형해석, (주)태성에스엔이 FEA사업부, 도서출판계림, 제 5판 2007 [3] 재료역학, James M. Gere 윈저, 이종원, 김문생, 조효남 공혁, 교보문고, 제 5판, 2004 [4] Logan의 유한요서법 첫걸음, Dary L, Logan 윈저, 신종계, 이용신, 조성욱 고역, 시그마 프레스 출판사, 제 2판 2002참 고 문 헌{nameOfApplication=Show}

공학/기술| 2009.12.03| 21페이지| 1,500원| 조회(1,918)

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스쿠버 다이빙의 과학적 원리

목 차Ⅰ. 스쿠버다이빙이란…………………………………2Ⅱ. 스쿠버다이빙의 장비…………………………2～3Ⅲ. 스쿠버다이빙의 과학적 원리…………………3～6Ⅳ. 참고문헌………………………………………………6Ⅴ. 맺는말………………………………………………6Ⅰ. 스쿠버다이빙이란수중 마스크·핀·스노클을 부착하고 잠수하는 스노클 다이빙과 아쿠아렁등을 메고 잠수하는 스쿠버 다이빙이 있다. 스킨 다이빙의 역사는 수영만큼 오래 되었다.1920∼1930년대 지중해와 미국에서 처음 대중화되었으며, 19세기부터 장비제작이 시작되어 스킨 다이빙이 대중화되었으며, 1959년에는 세계수중연맹(CMAS)이 창설되었다. 스노클 다이빙에서는 잠수기 없이 높은 수압에 견디면서 들이쉰 공기만으로 잠수하기 때문에 한정된 시간밖에 머무를 수가 없다.잠수시간은 일반 성인이 30초∼2분 정도이고, 세계기록도 4분 정도이다. 깊이도 수압차와 잠수시간의 관계로 5∼20m 정도이나, 40m까지 잠수한 기록도 있다. 수심 2m 정도까지는 괜찮으나 2m보다 깊이 잠수하면 수압 때문에 귀에 통증을 느끼고 고막이 터지는 일도 있으므로 코를 쥐고 공기를 내이(內耳)로 보내어 고막을 밀어준다.스쿠버 다이빙은 봄베의 공기가 있는 한 수중에 머무를 수 있다. 그러나 고압의 공기를 들이쉬고 있기 때문에 여러 가지 장애가 일어나는 수가 있으므로, 실제 사용에 있어서는 기술적인 훈련이 필요하다.Ⅱ. 스쿠버다이빙의 장비1. 스노클 (Snorkel)스킨다이빙시 스노클의 가장 큰 역할은 다이버가 물 표면에 떠 있을 때 피로를 덜어 주는데 있을 것이다. 약 8kg이나 되는 사람의 머리를 수면 위로 내 놓으려고 한다면 상당한 체력이 소모되고 오래 견디기 힘들다.스쿠바다이빙 때는 스노클의 역할이 그리 크지 않으나 수면에서 이동할 때 공기절약의 방편이 된다.2. 수경(Mask)수경의 선택 수경의 가장 중요한 기능은 물로부터 다이버의 눈과 코를 보호하는데 있고 그 다음의 기능이 눈과 물 사이에 공기층을 형성하여 수중의 물체를 선명하게 볼 수 있도록 하는데 있다. 눈동자에 물이 직접 닿으면 빛의 굴절 때문에 초점이 눈의 망막에 닿지 않고 벗어나게 된다. 그 상태는 심한 난시를 가진 사람이 물체를 보는 경우와 같다.3. 오리발(Fin)부력작용을 원활하게 해주며 스트랩, 포켓, 버클, 브레이드로 구성되어있다. 무엇보다 자신의 체격과 체력을 우선적으로 고려하여 물갈퀴의 신축성, 유연성, 크기, 형태 등을 선정하여야 한다.4. 잠수복(Suit)물은 공기보다 인간의 체온을 약 25배 이상 빨리 빼앗아 가므로 보온을 해줘야 한다.다이버가 오한을 느끼는 수온은 보통 21℃부터며 수중 체류시간이 길면 길수록 수심이 깊으면 깊을수록 열 손실이 커져 추위를 많이 탄다.잠수복은 다이버의 체온을 빼앗아 가는 것을 막아 줄 뿐 아니라 오염된 물, 바다생물 등으로부터 피부를 보호하는 역활도 한다.5. 웨이트 벨트 (weight Belt)잠수시 다이버의 신체구성과 잠수복은 상당한 부력을 주게 된다이 부력을 상쇄시켜 주기 위해서는 음성의 웨이트 벨트가 필요하다.일반적으로 웨이트 벨트의 적당한 무게는 다이버 체중의 10분의 1이라고 하지만 장비의 무게, 바다물 또는 강물에 따라 다르다.6. 기타장비1)후드(Diving Hood)수온이 낮은 곳에서 다이빙을 하게 되면 추위로 인해 오래 견디지 못한다. 특히 인체의 체열 중 약 80%가 머리부분에서 빼앗긴다는 사실만 보더라도 후드는 체온 보호에 중요한 역활을 한다. 그리고 오염된 물, 해로운 바다 생물로부터 머리와 목을 보호해 주기도 한다.2) 잠수 신발 (Diving Boots)잠수신발은 다이버의 발을 유해 물질로부터 보호할 뿐만 아니라 물갈퀴를 신었을 때 피부와 마찰되는 부분을 완충시키기도 한다.3)잠수장갑 (Diving Glove)잠수장갑 역시 겨울철에 체온 보호를 해줄 뿐만 아니라 해로운 바다 생물과 날카로운 물체로부터 찔리거나 베이는 것을 막아 준다.Ⅲ. 스쿠버다이빙의 과학적 원리Q. 다이버들이 가끔 호흡곤란을 일으키는 경우가 있다. 왜 그럴까?A. 다이버들이 등에 메는 공기통에는 일반 공기와는 다른 고압의 공기가 들어 있고 그 고압 공기의 물리적 특성 때문에 여러 안 좋은 증상을 유발 할 수 있다.호흡하는 공기중 산소는 약 20.9%를 차지하고 있으며 질소는 우리들이 호흡하는 공 기의 약 78%를 차지하고 있다. 질소는 불활성기체로서, 우리가 정상적인 상태에서 호 흡을 할 때는 몸속에서 아무런 반응을 일으키지 않는다. 그러나 다이버들이 호흡하게 되는 고압의 질소는 인체에 대단히 중요한 영향을 미친다는 사실을 알아야 한다. 공기 중에는 산소와 질소 이외에도 아주 적은 양의 아르곤, 헬륨, 네온, 이산화탄소 등 여러 가지 기체들이 포함되어 있는데, 호흡하는 공기 중의 극히 적은 부분을 차지하고 있지 만 이산화탄소도 그 중의 한 가지이다.(1) 산소(O2)무색, 무미, 무취의 이 기체는 생물이 살아가는데 있어 가장 중요한 기체이다. 다른 물질과 반응이 쉬운 활성 기체로서 공기의 약 21%를 차지하며, 인간의 신진 대사에 있어 필수적이다. 그러나 고압의 순수한 산소로 호흡하는 것은 매우 위험하여, 고압 하에서의 산소의 독성 때문에 산소의 함량을 높인 혼합 기체를 사용하는 나이트록스 다이빙에 있어서 수심 제한의 의미는 매우 중요하다.(2) 질소(N2)약 78%로 공기의 대부분을 차지하는 기체로서 불활성이다. 질소 역시 산소와 마찬가지로 무색, 무미, 무취이지만, 생명을 유지하는데 있어서는 불필요한 기체이다. 감압병과 질소환각 등의 문제로 인하여 다이빙 활동에 있어 가장 많은 제약을 만들어 내는 원인이다.(3) 이산화탄소(CO2)공기 중에 약 0.03%의 소량이 함유되어 있는 이산화탄소는 자연상태에서 동물들의 호흡 부산물로서 만들어진다. 적은 양의 이산화탄소는 인체에 무해하지만, 지속적으로 축적될 경우 독성을 발휘한다. 특히 잘못된 호흡 습관에 의해 체내에 이산화탄소가 일정수준 이상으로 쌓이게 되면, 가벼운 두통이나 메스꺼움을 호소하게 되며 심하면 경련, 의식 상실로도 발전할 수 있다.Q. 다이버들이 물 속에서 유영할 수 있는 이유는?A. 물리적 현상 중 하나인 부력 떄문이다. 부력의 형태중에서 중성부력이 다이버들이 물속에서 가만히 있을 수 있는 이유이다.부력이란 물에 뜨려는 힘을 말한다. 비중이란 개념을 도입하면 물의 비중보다 무거운 쇳덩이가 물에 가라않고 그 반대의 스티로폼은 물에 뜨는 현상이다. 물에서 뜨려고 하는 성질을 가리켜 양성 부력, 가라앉으려는 것을 음성 부력, 물과 비중이 유사하여 뜨지도 가라앉지도 않는 상태를 중성 부력이라고 말한다.사람의 몸은 평균적으로 중성에 가까운 부력을 가지지만 장비를 착용함에 따라, 또 수심 깊은 곳으로 하강함에 따라 그 부력이 바뀌게 된다. 다이버가 추구하는 중성 부력을 지속적으로 유지하는 기술은 스쿠버다이빙을 얼마나 안정적으로 즐겁게 영위할 것인가에 있어서 매우 중요한 주제로 다루어지고 있다. 물과 밀도가 같은 물체는 물 속 어느 수심에서든지 “유영”을 할 수 있다. 다이버들도 수심에 따라 부력을 적절히 조절함으로써 수중에서 유영을 할 수가 있는데 이 상태를 “중성부력” 상태라 한다.중성부력 상태를 유지하기 위해선 부력을 조절할 수 있는 부력조절기(BC=Buoyancy Compensator)를 이용해야 한다. 이 부력조절기는 안에 공기를 주입하거나 뺌으로써 알맞은 부력을 만들어 낼 수 있다.Q. 수심이 깊어지면 다이버들은 손전등 없인 거의 볼 수가 없다. 태양광선은 물 속을 통과하지 못 하는 걸까? 또한 다이버들은 물속에서 빛의 성질에 의한 어떠한 현상을 볼 수 있는가?A. 태양광선도 물 속을 통과한다. 하지만 대부분이 물에 흡수 되기 때문에 어둡게 보이는 것이다. 그리고 빛의 굴절, 흡수, 확산, 반사에 의한 현상을 볼 수 있다.바다에서 잠수할 때 태양광선에만 의존해서 볼 수 있는 색상은 몇 가지가 되지 않는다. 그 이유는 물 속에서 대부분의 열선과 빨간색, 주황색, 노란색 등이 흡수되어 버리기 때문이다.이러한 색들은 잠수를 하면서 물밑으로 내려가는 도중에 가장 먼저 없어지는 색상들이다. 좀 더 깊이 내려가면 전등을 사용하지 않고는 청색이나 회색계통의 색상들만 볼 수 있다. 그렇지만 깊은 수심이라도 수중전등을 켜 면 다양한 색상들을 볼 수 있다. 대부분의 수중사진들은 수중세계의 장엄한 진짜 색들 을 보여주기 위해서 인공광선을 사용해서 만들어진다.빛의 성질과 그에 관한 현상들은 다음과 같다.(1) 굴절빛은 서로 밀도가 다른 물질을 통과하면서 꺾이는 현상을 보이는데, 이를 굴절이라 한다. 이러한 굴절 현상은 수면에서 물 속의 물체를 내려다 볼 때, 그리고 수중에서 마스크를 쓰고 물체를 바라볼 때 약 25% 정도 크고 가깝게 보이도록 한다. 다이빙 도중 자신의 손이나 오리발을 보면, 물 밖에서 볼 때와 달리 매우 크게 보이는 현상이 이러한 굴절 때문인 것이다.(2) 흡수다이빙을 하게 되면 물 속에서 보이는 색이 단조로운 푸른 색으로만 느껴진다. 이는 물이 빛을 흡수함으로써 발생하는데 파장이 긴 빨강색이 가장 먼저 흡수되고, 반면 파장이 짧은 파랑색이 가장 강한 투과력을 가지게 되어 오래까지 남는다. 따라서 물 밖에서 보이는 색과 수중에서 보이는 색은 크게 차이가 나게 되는 것이다.

예체능| 2009.12.03| 6페이지| 1,000원| 조회(656)

스쿠버다이빙, 다이빙, 스쿠버다이빙장비, 스쿠버다이빙의 과학

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둔산선사유적지 답사보고서

목차Ⅰ. 유적지 기초조사 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2~31. 소재지2. 지정번호3. 지정연도4. 면적5. 내용6. 역사적 의의Ⅱ. 답사 내용 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 3~41. 신석기시대 움집2. 청동기 시대 움집3. 청동기 시대 움집 화덕4. 북방식 고인돌5. 남방식 고인돌Ⅲ. 답사 후기 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 4~5Ⅳ. 답사 사진 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 6Ⅰ. 유적지 기초조사.1. 소재지대전 서구 둔산동 산2-22.지정번호대전기념물 제28호3.지정연도1992년 10월 28일4.면적18,750㎡5. 내용1992년 대전기념물 제 28호로 지정되었다.구석기시대의 유적은 약 2백평 정도의 면적에서 몸돌, 망치돌 등 50여점의 석기와 석기를 만들 때 떨어져 나온 작은 부스러기들이 나왔다. 이들 유물 가운데 쌍날찍개, 긁개 , 밀개 등은 유물의 형태와 떼어낸 수법으로 보아 후기구석기의 이른 시기이거나 중기구석기의 늦은시기 유물로 보인다.신석기시대의 유적은 직경 2∼3m 내외, 깊이 0.8∼1.3m 정도의 작은 집자리 유적 13기가 조사되었으며, 빗살무늬 토기 조각·보습· 갈돌 · 어망추 등이 나왔다. 이곳의 신석기시대 유적은 신석기시대 후기에 속하며 문화계통으로는 서해안의 빗살무늬토기 문화 전통이 강하고 함경도 해안지역의 문화요소도 일부 보인다.청동기시대의 유적에서는 3기의 집자리 유적이 조사되었으며 팽이형 민무늬 토기 조각, 방추차 , 돌도끼, 돌화살촉, 돌칼, 숫돌 등이 나왔다.6. 역사적 의의둔산선사유적지는 한국에서는 처음으로 한곳에서 구석기·신석기·청동기시대의 유물이 한꺼번에 발견되었다는 역사적 의의를 지니며, 이곳 갑천(甲川) 유역이 얕은 구릉과 넓은 농토, 풍부한 물을 배경으로 선사시대부터 많은 인류가 생활했던 곳임을 알 수 있다. 또한 부근의 괴정동 청동기유적, 석장리 구석기유적 등과 함께 이 지방의 선사문화의 갈래와 계통을 확인하는데 중요한 자료로 평가된다.Ⅱ. 답사 내용1. 신석기시대 움집다른 신석기 시대의 움집과 마찬가지로 원형의구조로 되어있고 거주 지역은 강이나 해안으로땅을 파서 반지하구조로 움집을 만들어 생활했다.2. 청동기 시대 움집신석기 시대보단 발전된 형태의 움집으로원형에서 거주하기 좋은 직사각형으로발전되었으며, 산지나 구릉지에 움집을 지어차가운 북서 계절풍을 막았다.3. 청동기 시대 움집 화덕화덕의 위치는 시간이 지날수록 중앙에서가장자리로 옮겨진다.이 움집의 화덕은 입구쪽에 위치해 있었다.4. 북방식 고인돌지상에 4면을 받침돌로 막아 무덤방을설치한 뒤 그 위에 덮개돌을 올린 형식으로한반도 중부 이북 지방에 집중되어 있다.5. 남방식 고인돌먼저 땅을 파서 그 크기에 맞는 넓은 돌을사용하여 지하무덤을 만들고 그 위에 다시덮개석을 그 위에 올려놓는데 그 사이에세 개에서 네 개 정도의 돌을 이용하여덮개석을 받쳐 만든 형식이다.Ⅲ. 답사 후기주위에서 선사유적지를 쉽게 찾아볼 수 없었던지라 답사를 하기 전에 즐거운 마음으로 유적지를 여러 곳을 알아보았다. 그중 근접성이 있고 볼만한 곳으로 둔산 선사유적지를 택하게 되었다.수업이 없는 토요일 오전에 유성으로 가는 버스를 타고 유적지로 향하는 여행을 시작하였다. 대전지하철을 처음 타보고 서울지하철과 다른 모습에 신기하면서 유적지로 향하는 걸음을 재촉했다. 인터넷으로 둔산 선사유적지의 정보를 알아보고 가서 유적지로 가는 길은 수월했다. 유적지 근처는 높은 건물들이 많고 생각보단 도심지에 있었다. 둔산 유적지는 입장료도 받지 않고 관리하시는 분도 한분밖에 없는 듯 했다. 유적지로 입장하기 전에 기념사진을 먼저 찍고 답사를 시작했다. 유적지 안은 한산했고 작은 공원 같은 느낌이 들었다. 입구를 들어가자마자 민간신앙의 목적이나 경사가 있을 때 축하의 뜻으로 세우는 긴 대, 솟대를 볼 수 있었다. 귀엽고 예쁜 여러 개의 솟대의 모습에 가볍게 눈요기를 하고 본격적으로 답사를 시작하였다.가장 먼저 청동기시대의 움집을 보았다. 이 청동기시대의 움집은 발굴조사 당시의 자료를 토대로 학자들의 자문을 받아 복원하고 그때의 생활 모습을 재현해 내고 있었다. 움집 안에 생활 모습을 재현하기 위해 사람들을 만들어 놓았는데 어둡기 때문에 센서로 켜지는 조명을 달아놓은 것이 조금은 어색하게 느껴졌다. 이 움집 안에는 화덕의 모습까지 복원해 놓고 있었는데 움집의 입구 쪽 가장자리에 직사각형의 화덕이 자리 잡고 있었다. 작은 언덕을 올라가서 조금 걷다보면 신석기 시대의 움집을 복원해놓았는데 우리나라 신석기 시대의 대표적 유적인 암사동은 5~6m인데 비해 이 움집에 직경은 2~3m이였다. 이유는 냇가에서 고기잡이와 농경을 하던 사람들이 임시로 거주했던 것으로 오랜 기간 주거하지 않았던 움집이기 때문이다. 다음으로 청동기시대의 사람들의 무덤인 고인돌이 있었다. 아쉽게도 이 유적지에서는 발견되지 않았지만 선사시대의 이해를 돕기 위해 만들어 놓았다고 설명이 되어있었다. 고인돌은 4개의 넓적한 굄돌을 땅위에 세워서 평면이 네모꼴이 되도록 돌방을 만들고 그 위에 넓은 덮개돌을 올려놓은 북방식과 돌방을 땅속에 만들고 그 위에 받침돌이나 돌무지로 지탱시킨 덮개돌을 올려놓은 남방식이 두 종류가 전시되어 있었다.

독후감/창작| 2009.12.03| 5페이지| 1,000원| 조회(2,263)

선사유적지, 둔산선사, 둔산유적지, 둔산답사보고서

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ANSYS를 이용한 외팔보 응력해석 (2D,3D) 평가B괜찮아요

목 차Ⅰ. 서론·······························································1Ⅱ. 유한요소해석법의 이론·······································22-1 개요··········································································22-2 발전 과정································································2-32-3 유한요소법 해석의 순서···············································3-42-4 유한요소법의 장점·························································52-5 유한요소법의 단점·························································52-6 유한요소법의 종류·························································6Ⅲ. 보(Beam)의 처짐 이론········································63-1 보의 처짐································································6-73-2 처짐 곡선의 미분 방정식을 이용한 보의 처짐 유도··············7-9Ⅳ. ANSYS를 이용한 외팔보의 유한요소해석···············104-1 해석모델····································································104-2 2D모델 해석 결과·····················································10-134-3 3D모델 해석 결과··················································고, 이것과 재료의 인장력에서 간단히 계산할 수 있었고, 또 리벳(rivet)에서는, 리벳의 전단강도와 리벳 구멍을 연결하는 판의 최소 단면의 인장강도를 같다고 보고, 리벳의 굵기나 배열이 정해지는 것처럼, 대부분의 경우 최소 단면적 또는 유효 단면적이 목표로 되어 부탁되었다. 그리고 응력의 분포 상태에 관해서도, 또 재료의 강도나 하중의 변화에 관해서도, 이것들을 전부 함께 묶어 안전율이라는 막연한 숫자로 처리하는 방법이 사용되었던 것이다. 그 당시는 노치(notch) 대신 돌기부가 존재하는 것도 응력집중의 요인이라는 것 등도 상상을 못하였을 것이다. 그러나 현재의 빈틈없는 설계는 도저히 이러한 생각으로는 할 수 없게 되었다. 그것은 하중이 정적에서 동적, 특히 반복됨으로써 연강처럼 인성이 있는 재료일지라도 거의 메진 재료처럼 피로 파손되기 때문이다. 그리고 이 피로파손에는 응력집중이 크게 작용하기 때문이다.본 연구의 목적은 이러한 응력의 중요성에 부합하여 응력 계산의 방법을 핸드북의 이론식과 Ansys 프로그램을 이용한 각각의 값을 비교하고 외팔보에서의 응렵집중이 이론식과 프로그램이 어떻게 다른지 알아보는데 있으며 본론에서는 간략한 집중응력에 대한 기초 이론 및 이론식 그리고 유한 요소법에 대하여 알아본 후 프로그램을 통하여 구하여진 값과 재료역학적 계산결과와 비교하여 차이를 알아보고 고찰하겠다.Ⅱ. 유한요소법(Finite Element Method)의 이론2-1 개 요유한요소법(Finite Element Method)은 1930년대에 개발된 Matrix이론을 사용하여 1960연대에 영국과 미국에서 개발되어 이론화 및 상용화가 이루어진 것은 컴퓨터의 발전이 이루어진 1970년대 이후이다. 이러한 유한요소법은 공학과 물리학에서 많이 사용되었으며 컴퓨터 하드웨어의 발전과 더불어 급속히 발전하였다.유한요소법은 초기에는 복잡한 구조물의 응력해석을 위해 개발되었으나, 그 후 발전을 거듭하여 연속체 역학(Continuum Mechanics)분야 등 광범위한 분야에서 하는 과정의 개요를 확립.1960년: 처음으로 유한요소란 말을 사용1961년: 평평한 사각형 판의 굽힘 요소 강성행렬 개발1963년: 축 대칭 쉘과 압력용기에 대한 곡면 쉘 굽힘 요소 강성 행렬로 발전1965년: Archer가 동역학적 해석에 관한 사항 고려, 축의 비틀림이나 유체유동, 열전도개발1969년: 탄성방정식 유도1970년: 과도 장문제(transient field problem) 해결1977년: 자기장을 결정하기 위해 가중잔여법을 응용2-3 유한요소 해석의 순서(1) 실제 구조물 모델링유한요소법에서 사용될 요소는 실제 하중조건에 따른 물리적 조건과 해석하는 사람이 얼마나 실제 상황에 가까운 답을 원하느냐에 따라 달라진다. 1차원으로 할것인가 2, 3차원으로 할 것인가를 결정하는 것도 필수적이다. 특별한 문제에 대한 가장 적합한 요소의 결정은 설계자와 해석자들이 가장 우선적으로 결정하여야 할 중요한 과제이다.유한 요소 해석에서 실제 구조물을 모델링 하는 방법은 자체의 모델링 기능(Design Modeler)을 이용하거나 CAD데이터를 불러오는 방법이 있다. 유한 요소 모델링은 유한요소 해석에서 가장 시간이 많이 소요되는 부분이다.(2) 재료물성치 정의모델을 유한요소 모델로 생성한 후에는 실제 모델의 재질을 정의해 주어야 한다. 동일한 형상의 모델이라도 금속, 나무, 플라스틱 등 그 재질에 따라서 외력에 의한 응력이나 변형량값이 크게 달라진다. 또한 같은 급속이라도 재질의 종류, 열처리 상황에 따라서 물성치 값이 크게 달라진다. 따라서 해석을 수행하기에 앞서 정확한 재료 물성치값을 알고 있어야 한다.(3) 유한요소 모델링(Mesh)기하학적 형상에 절점과 요소를 정의하는 과정을 유한요소 모델링이라고 한다. 요소는 유용한 결과를 얻기 위해서 충분히 작아야 하고 반면에 계산에 드는 시간을 줄이기 위해서는 충분히 커야한다. 작은 요소들(보통 고차 요소들)은 일반적으로 기하학적 형상이 변하는 곳에서 필요하고, 반면에 큰 요소들은 결과값이 상대적으로 일정한 부분에례 금형과 시제품을 만드는 등, 시간과 비용이 매우 많이 소요된다. 이런 문제점을 해결하기 위해 컴퓨터를 응용한 유한요소 해석 기법을 많이 활용하고 있다.유한요소 해석은 실제 실험에 들어가는 막대한 비용과 시간을 줄이기 위해 제품과 동일한 가상의 모델을 컴퓨터상에서 만들고, 실험 조건을 컴퓨터에 부여한 후 가상의 시험을 하며, 이를 통해 제품의 안전성과 결함 유무를 검증한다. 이외에도 유한요소해석의 장점들은 다음과 같다.① 불규칙적으로 생긴 물체도 쉽게 모델링 할 수 있다.② 여러 가지 종류의 하중조건을 쉽게 다룰 수 있다.③ 경계조건의 종류, 개수에 제한이 없다.④ 여러 가지 복합재료로 이루어진 연속체에도 적용이 가능하다.⑤ 물성치 및 거동의 비선형도 적용이 가능하다.⑥ 필요에 따라 특정부위의 요소크기를 더 작게 혹은 크게 하는 등 요소의 크기 가 자유롭다.⑦ 응력해석, 좌굴, 진동, 열, 유동해석 등 공학의 모든 분야에서 활용이 가능하 다.2-5 유한요소법의 단점유한요소해석법이 많은 장점이 있지만 해석프로그램을 사용하는 데에 있어 전문 지식이 필요하다. 이외에 유한요소해석법의 단점은 다음과 같다.① 초보자가 사용하지 쉽지만, 결과의 신뢰성 평가는 경험이 필요하다.② 국부 응력 해석 시에는 일반적으로 모델링이 어렵다.③ 실제 구조물을 유한요소 모델로 이상화시키기 위해서는 많은 경험과 지식이 필요하다.④ 대형구조물인 경우 높은 컴퓨터의 성능이 필요하다.2-6 유한요소법의 종류완성된 모델들은 변분법과 같은 여러 가지 방법을 이용하여 수식으로 정립되는데, 이때 일반적으로 공학에서 적용되는 평형방정식이나 적합한 조건 등이 만족하도록 수식을 정립해야한다. 수식을 정립하기 위한 방법은 변위법, 하중법, 혼합법이 있다.⑴ 변위법우선 탄성체내의 변위를 변형의 적합조건을 고려하면서 가정하고 해석하고자 하는 탄성이론에 따라 변형성분을 구하며, 응력-변형관계식을 사용하여 응력성분을 구하며, 최후에 가상일의 원리를 사용하여 평형조건을 근사적으로 만족하도록 변위의 미정계수에 대한 하여 그 상관관계를 밝힐 수 있다. 따라서 보의 처짐 곡선에 대한 방정식을 유도하는 것이 선행되어야 한다.먼저, 오른쪽 자유단이 상향으로 집중 하중을 받는 외팔보를 고려해 보자. 위에서와 같이 하중이 작용하게 되면, 보는 곡선으로 변형하게 된다. 그림에서 기준 좌표계는 보가 고정되어 있는 곳을 원점으로 보고, 오른쪽을축, 하중이 작용하는 방향을축으로 잡을 수 있다.축은 그림 앞쪽으로 튀어 나오는 방향이다.평면은 보의 대칭 평면이며, 모든 하중은 이 면에 작용한다고 가정한다. 이 면을 굽힘 평면이라고 한다.처짐 곡선의 방정식을 구하기 위해 처짐를의 함수로 표현해야 한다. 먼저 처짐 곡선에 대해 상세하게 고려해 보면, 아래 그림 (a) 에서 처짐는 처짐 곡선상의 임의 점에서의 처짐을 나타낸다. 점은 원점으로부터축을 따라 측정된 만큼 떨어진 곳에 위치한다. 두 번째 점는 원점으로부터만큼 떨어진 곳에 위치한다. 두 번째 점에서의 처짐은이며 여기서는 점에서 점로 이동함에 따른 처짐의 증가분이다. 보가 굽힘을 받을 때 보의 축을 따라 처짐뿐만 아니라 회전 또한 발생한다. 확대된 그림 b에 보인 것처럼 보의 축의 회전각는 축과 처짐 곡선의 접선이 이루는 각이다. 여기서 선택한 축에 대해서 (x축은 우측방향, y축은 상향일 경우) 회전각은 반시계방향일 경우 양이다. (회전각의 다른 이름은 경사각 또는 처짐각이다)점에서의 회전각은이며, 이때는 점에서 점로 이동함에 따른 회전각의 증가분이다. 점과 점에서 접선에 수직인 선을 그으면 (위 그림 (a), (b)), 수직선 사이각은가 됨을 알 수 있다. 수직선들의 교점은 곡률중심 O'이 되며, O'에서 곡선까지의 거리를 곡률반지름 ρ이라 한다.이고, 이때는 radian 이고는 처짐 곡선상의 점과 점사이의 거리이다. 그러므로 곡률(곡률반지름 역수와 같은)은 다음과 같다.처짐 곡선의 기울기는 처짐에 대한 표현의 1차 도함수이다.와는 미소하기 때문에,가 되고, 유사한 방법으로,,가 된다.일반적으로 보의 움직임은 매우 미세하다고 볼 수 있다다.

공학/기술| 2008.12.08| 18페이지| 2,000원| 조회(3,961)

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