안녕하세요. 김상규 전문가입니다.
기계공학
Q. 기계공학에서 회전 운동의 분석을 하는 방법
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.기계공학적 측면에서회전운동에 대해 분석하는 방법은 여러가지가 있습니다.4원법 회전 축과 회전의 크기를 포함하는 4개의 요소로 구성되는데회전운동을 매개화 하는 방법으로자이로스코픽과 강성효과를 포함하는 운동방정식 유도가 가능합니니다.회전 매개화법회전축의 진동모드를분석하는 데 유용한 방식으로회전축을 벡터로 표현하고, 크기와 방향을 고려하는 방식으로회전운동을 다른 방법으로 표현할 때 사용됩니다.회전체 해석 방법회전체해석은 회전유체기계 해석에 적용되는 방법으로회전 임펠러 주변 요소망을 분리하여 시간에 따른 요소망 실제 회전시키는 슬라이딩 메쉬기법과회전구간의 유체에 반대방향 속도요소를 부여하여 상대속도 관점에서 같은 조건을 만드는 이동참조 프레임 방식이 있습니다.오일러 각도 방식3개의 각도로 구성되어있고, 회전축과 회전 방향을 정의하는데3차원공간에서 회전운동을 표현하기 위해 사용되는 방식 입니다.
기계공학
Q. 장비의 안정성을 높이기 위한 설계의 기준
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.기계장비의 안전성을 향상시키기 위한 설계의 기준은 여러가지 관점에서 볼 수 있습니다.장비 자체적인 부분에서의 안정성그리고 그 기계장비를 사용하는 사용자 입장에서의 안전적인 측면 등 여러관점이 될 수 있는데요기계자체적 부분의 관점에서는구조설계 및 재질 선정강도,내구도, 인성 등이 좋은 재료 선택에 따른 구조적인 안정성을 확보하고안전율과 안전계수를 적용하여, 예상되는 최대의 하중을 견딜 수 있도록 설계를 합니다.중복적 설계 및 다중안전장치 설계고장 시 기계시스템이 문제없이 작동가능하도록 중복 부품 사용( 하나가 고장나도 다른 것이 가동되도록)다중적 안전장치 설계를 통한 단일 오류 지점이 있다하더라도 다른 부분에서 안전장치가 가동되도록 설계국제표준 규정 준수KS B ISO 12100, KS B ISO 13849-1 등 국제 표준 준수를 통한 기계의 기능적 안전을 확보하고위험성 평가와 위험성 감소를 위한 원칙을 제공하며관련 지침들을 준수하고 있다는 제품메뉴얼, 도면 등이 제공되야 합니다.유지보수의 용이성점검 및 유지보수가 쉽도록 접근성이 좋게 설계가 되어야 하고선제적 유지보수를 가능하게 하도록 센서/ 모니터링 시스테 등을 통한 실시간 장비상태 감시가 가능해야 합니다.현장 피드백 반영 사용자의 경험과 피드백을 무시해서는 안됩니다.실사용자가 그 상황에 대해 가장 피부로 느끼고 있으므로경험과 피드백 수집을 통한 설계의 지속적인 개선을 해야합니다.감지 및 경고 시스템센서, 알람, 경고등 등을 통한 이상 상황 감지가 즉각 가능하도록 시스템 설계를 해야합니다.위와같은 사항들을 설계에 충분히 반영할 때기계장비 자체는 물론 사용자에게 있어서도 안전성을 극대화 할수 있겠습니다
기계공학
Q. 장비의 유지보수 주기를 결정하는 기준?
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.기계장치의 유지보수 주기를 결정하는 되는 기준은절대적인 기준은 아닙니다.우선적으로제조업체에서 제공되는 메뉴얼을 참조하는 것이 좋습니다.왜냐하면 제조업체에서의 설계 시 특성 및 제품 특성을 기반으로 한 유지보수 주기를 선정하여 제공합니다.이는 제조업체에서 일반적인 제품 성능시험에서 산출된 평균적 결과에 따른 데이터 상제공하는 주기에서는 유지보수를 시행하는 게 맞다고 권장되는 것이기에 그에 따라 하는 것이 일반적으로 고장예방에 도움이 됩니다.기계장치의 운용 조건에 따른 주기 설정관련 기계장치를 일반적으로 하루 8시간 정도로 사용하는 것을 매뉴얼 상으로 설정하고 그에따라 유지보수 기간이 정해져있다할 때실지 현장에서는 하루 16시간 이상을 운용한다면이는 그에 따라 장치가 받는 부하가 가중되는 상황으로권장되는 유지보수 시점과는 달리 더 빈번한 유지보수 주기를 산정해야합니다.실지 현장에서 공조기를 운전하는 경우에도일반적으로 하루 8시간 가동정도를 기준으로 유지보수 기간이 매뉴얼로 있으나현장 특성상 하루 20시간 가까이 운전을 해야하는 현장이기에모터 구리스 같은 경우 6개월 주기로 교체를 해야한다 하지만실제는 1개월에 한번씩 상태를 확인하고 있습니다.유지보수 이력에 따른 주기설정특정 기계장치가 과거에 어느정도에 고장발생이 일어난 상황에 대한이력을 살펴보고 대략 어느 주기 정도면망실되는 상황이 온다는점을 파악하여그 이전에 미리 점검 후 유지보수를 하여 고장발생에 대한 대비를 할 수 있습니다.
기계공학
Q. 열전달에서 복사, 전도 대류의 차이점은?
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.말씀대로열전달의 메커니즘은 복사, 전도 , 대류의 큰 3가지 메카니즘으로 구분되는데요차이점을 정리해보면복사는열을 전달하게 되는 물체, 즉 매질이 필요없이 전자기파 형식으로 바로 열이 전달되는 방식입니다.주로 적외선, 가시광선, 자외선 등 전자기파 형태로 전달되며진공상태에서도 열 전달이 가능합니다.다만 거리가 늘어나면 거리의 제곱에 반비례해서 열전달 양이 감쇠됩니다.전도는고온 부에서 저온부로 물질의 접촉을 통해 직접적으로 전달되는 방식으로 고체,액체 기체 등 매질이 필요한 방식으로, 고체를 통한 전달이 가장 잘 됩니다.물질의 연전도율에 따라 전도효율이 달라지며, 열전도율이 상대적으로 높은 금속류에서 열을 잘 전달합니다.온도변화율에 따라 비례해서 열이 전달 됩니다.즉, 닿아있는 한쪽 온도가 높아질수록 비례해서 전도도 잘 되는 방식입니다.대류는유체의 큰 유동움직임에 의해 열이 전달되는 방식으로 액체나 기체에서 전달되는 방식입니다.유체의 온도차에 따른 밀도 변화로 자연스럽게 이동 하는 방식은 자연대류이며강제적인 펌프나 팬에 의해 순환시키는 것은 강제대류 방식입니다.하지만 실질적으로 공기가 대류에 의해 거시적인 움직임을 보이면서공기 자체가 순환으로 열을 가지고 이동하는 부분이 있다 하더라도미시적인 관점에서는예를 들면 온돌방에서 앉아있을 때방안의 공기가 자연대류로 순환하며 전체적인 공간의 온도를 변경시키며 열전달을 하는 것은 대류이나그 공기가 닿는 벽이나 천정에서의 공기와 면의 미시적 부분은 공기입자와 벽같은 전도로 열이 전달되는 부분으로볼 수 있습니다.이 세가지 열전달 메커니즘은 실제 생활 환경에서보면딱 하나면 적용된다기 보단 복합적으로 이뤄지는데요가장 예를 들기 쉬운것이 바닥 난방 시스템으로바닥의 열원을 통한 복사, 가열된 바닥에 의한 공기의 접촉면에서의 미시적인 전도,그에따른 공기자체의 온도변화에 따른 거시적인 대류 이렇게 복잡적으로 열전달의 매커니즘이 이뤄진다 보시면 좋겠습니다.
기계공학
Q. 기계 설계에 있어서 응력의 집중을 줄이기 위한 방법
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.기계 설계에 있어서기계의 안정성 및 내구도는 아주 중요한 요소입니다.따라서 말씀대로 응력이 집중되는 현상이 발생하게 되면내구도와 안정성에 치명적이 므로 관련 부분은 반드시 고려되어 최소화 되어야 하는데요.일단 가장 기본적으로응력이 집중되는 부위를 사전에 파악해야합니다.유한요소해석 방식을 통한 응력 집중부위를 사전에 파악하고필요에 따라 설계를 수정하여 안전성을 확보해야만 합니다.하중의집중 회피 설계구조물, 공작물에 있어서 하중이 특정 지점에 밀집되지 않게 분산하는 설계가 요구되는데요지지구조를 추가적으로 넣거나 하중을 고르게 분산되도록 해야합니다.최적화된 재료 선택앞서와 같은 설계가 되었다 하더라도때에 따라 돌발적으로 어느지점에 응력이 집중되더라도피괴가 되지않도록 인성이 높은 재료를 선택해야합니다.공작물의 목적을 위해 높은 강도를 가지면서도 인성까지 동시에 유지하기위해서서로 다른 재료의 결합을 이용하는 경우도 있습니다.
기계공학
Q. 해외의 유명스포츠카들은 배기음 조차도
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.배기음 조절 방식은크게 기계적 방식과 전자적 방식으로 구분 할 수 있습니다.기계적 방식은가변 머플러(소위 말하는 마후라) 방식과 배기밸브 조절 방식이 있으며가변 머플러는머플러 내부에 판넬이나 가변밸브 설치를 통해 배기가스 흐름을 조절하여 배기음을 변화시키는 것으로스포츠 모드와 일반모드에 따라 배기음이 달라집니다.배기밸브 조절은특정상황에서 배기밸브 개도를 변화시켜 다양한 배기음 생성이 가능합니다이 기계적 방식의 경우는 배기음이 조절된다는 것이지진정한 커스터마이징 된 배기음을 선택할 수 있는 상황은 되지 못합니다.전자적 배기음 조절 방식은액티브 사운드 시스템과 전자제어 배기 시스템이 있는데액티브 시스템은차량 내 스피커를 이용하여 엔진소리가 부족하다 싶을 때 스피커를 통해 배기음을 증폭하고다양한 소리모드 선택이 가능하여 운전자 스타일에 맞는 배기음 선택이 가능합니다.전자제어 방식은전자제어 유닛을 통해 디지털 방식으로 차량 속도, 엔진회전수, 주행모드에 따라 실시간으로 배기음을 조절하고운전자가 차량 내 인터페이스나 앱을 통해 직접 배기음 커스터 마이징까지 가능합니다.최근에는기계식 에 전자식을 결합하여배기시스템의 효율성을 유지하면서도 다양한 소리를 추가 가능하여소음규제를 만족하면서도 원하는 성능의 배기음을 만끽 가능합니다.
기계공학
Q. 일반 내연기관 자동차와 전기자동차의 브레이크
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.일반 자동차와 전기 자동차의 브레이크 시스템은 많이 다릅니다.일반 자동차는 순수하게 마찰에 의한 제동을 하며마찰 제동 후 기어변경으로 전달되는 동력을 줄여주는 방식이나전기자동차는 전동모터를 통한 동력발생을 하는 방식이므로재생 제동이라는 특수한 방식의 제동방식을 적용합니다.재생 제동이란전기차가 감속 및 정지를 위해 제동할 경우동력원인 모터를 돌력목적이 아닌 발전기로 전환하여차량의 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 방식입니다.쉽게 말해서앞으로 가도록 바퀴에 동력을 전달하던 힘을 빼버리고그 힘을 발전기 기능으로 동력을 이관한다 보시면 되겠는데요.운전자가 브레이크를 밟으면 구동 역할을 하던 모터가 , 발전기 역할로 전환 되는 방식입니다.이때 발생하는 전기는 인버터 등 장치를 통해 배터리로 회수 됩니다.물론 제생 제동 만으로 브레이킹이 될 수는 없습니다.재생제동이 작동하는 동안에,일반 자동차와 같은 마찰 제동 시스템도 동시에 추가적으로 제동력을 제공합니다이 두가지 의 균형은자체 제어 시스템에 따라 균형을 유지하게 되어안정적인 제동력을 구현하게 됩니다.특히 급제동의 경우 재생 제동 만으로는 충분한 제동이 불가하므로마찰 브레이크 시스템이 추가적으로 작동하게 됩니다.
기계공학
Q. 요즘은 전기차가 많이 나오는데 차만 보면
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.말씀대로요즘 나오는 전기차들의 차체를 보면기존 내연기관 차들에 비해 차체가 좀 크다는 걸 느낄 수 있습니다.차체가 커지게되는 원인은 여려가지 이므로간단히 정리해보면배터리 팩의 부피대용량 배터리가 필요하고배터리 팩 자체가 상당한 부피를 차지하다보니 그 배터리를 효율적으로 배치하기위해 차차구조를 재설계해야하고그에 따라 차체의 길이와 높이가 증가하게 됩니다.안전성 및 공기역학적 설계 관점대형 배터리 팩의 충돌에 대한 안전성 보장을 위해충돌안전설계상 차체를 크게 설계할 필요성도 있습니다.또한 배터리 효율을 위한 공기저항 최소 디자인 측면에서 유선형으로 하면서도안정성 보장까지 해야하기에 차체가 커지는 측면이 있습니다.플랫폼상의 문제전기차 제조사 들의 전용 전기차 플랫폼 자체가 일반적으로 넓은 공간을 필요로 하기도하고배터리와 모터를 차량하부에 통합된 형식응로 설계하는 플랫폼 자체가 차체의 길이와 높이를 증가시키는 요인이 되기도 합니다.전기차관련 기술 발전에 따라배터리 에너지 밀도가 더욱 향상된다면차체 크기가 줄어들 여지가있으나, 현재까지는 기존 대비 큰 차체를 유지할 수 밖에 없는 문제가 있습니다.
기계공학
Q. 4축과 5축 CNC 머신의 차이점은?
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.CNC 머신은기본적으로 3축, 즉 X축(좌우), Y축(앞뒤), Z축(상하) 의 세방향의 선형적인 운동을 통하여 공작물을 가공하는 방식입니다.정육면체로 보면 모든 방향이 다 적용되는 것입니다.하지만 4축 머신의 경우1개의 회전축이 추가되는 것으로공작물 자체를 회전이 가능한 방식입니다.공작물이 회전이 가능하므로 3축 대비 더 다양한 방향에서 가공이 가능하고간단한 곡면 가공 까지 가능하게 됩니다회전이 가능함에 따라 공작물 고정을 여러번 할 필요성이 감소하고더 많은 각도에서 가공이 가능하여 가공 정밀도가 올라갑니다.5축은 4축에서 회전축이 하나더 추가되는 형식입니다.공작물을 더 여러방향으로 회전이 가능해 짐에 따라복잡하고 더욱 정밀한 부품까지 단한번의 장착/ 고정으로 가공이 가능하고4축에 비해 더욱 다면적이고 복잡한 곡면이 가공가능하므로의료기기나 항공우주 부품, 자동차 정밀부품 제조가 가능합니다.다양한 각도에서 가공이 가능함에 따라 마감품질이 좋고복잡한 부품을 한번의 장착으로 가공가능하여 가공시간이 단축되어공작의 효율성이 더 향상되는 면이 있습니다.
기계공학
Q. 초음속으로 이동하는 전투기의 역학적 설계
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.초음속 비행기 설계에 있어서여러가지 요소가 고려되어야 하겠지만무엇보다도 초음속으로 진입함에 따라 발생하는충격파에 대한 제어가 필수적이라 하겠습니다.필요설계 요소들을 간단히 나열해보면흠입구 설계 최적화충격파와 공기흐름 제어를 위해 초음속 흡입구를 다향한 형태로 사용합니다.피토, 원뿔형 램프형 등 형태가 있고 , 각 형태의 최적설계조건은충격파와 항력에 대한 문제를 고려할 필요가 있습니다.공기역학적 설계와는 다른 부분이긴하나제트엔젠 설계에 있어서도 팬을 빨리 회전시킴으로서 추력을 더 올릴수 있지 않나 싶으나팬 블레이드 말단이 음속에 도달하면 충격파가 발생하여, 그에따른 저항력에 따라 손실이 커지는 문제도 있습니다.이처럼 비행기 설계에서 음속관련으로 발생하는 충격파 제어는 아주 중요한 딜레마 입니다.흡입구 설계에 있어비행기가 초음속에 접근할 시 생성되는 원뿔 충격파가 생성되는데속도증가에 따라 원뿔각이 후방으로 좁아지며, 흡입구 테두리에 접하는 각도에 도달하는데흡입구 테두리 앞쪽 유선흐름 면적과 테두리 면적이 같아지면서 엔진이 요구하는 최적의 흐름을 제공가능합니다.다만 원뿔 자체가 다양한 기동성에서 균등한 공기흐름을 제공하지 못하는 문제가 있고그에 대한 대안으로 램프형 흡입구가 개발되어, 다양한 기도성에 대응가능하게 되었습니다.충격파 제어위한 구조 사용충격파 억제 및 음속 폭음을 감소시키기위해U자형 공기역학 구조를 적용시키는 방법도 있습니다.충격파가 대부분 비행기 앞부분에서 발생한다는 데 착안하여U형 공기역학 구조를 비행기 기수 부분에 위치하게 하여 충격파의 강도를 줄이고, 음속에따른 폭음을 감소시킵니다.또한 이를 통해 충격파의 방향성과 형상도 변경가능 합니다.난류 및 압축성 흐름 분석난류 및 압축성 공기흐름 분석과 같은 고급 공기역학적 분석을 통해 초음속에서의 비행기 주변 공기의 흐름을이해하게 합니다.이는 일반적 공기흐름에 의한 양력이 아닌, 날개 설계 형상에 따라날개 상부에서 발생하는 와류에 따른 양력효과 까지 분석/ 적용 해야하는데특히 초음속에 적용되는 얇은 델타익의 경우날개 상부에 와류가 형성되며낮은 받음각경우엔 양력발생에 변함이 없으나높은 받음각일 때 와류가 발생하고, 이 와류에 의해 와류흡입력이 위쪽으로 작용하여 부가 양력을 발생시킵니다.이는 마치 회오리바람처럼 회전하고, 습도가 높은 조건에서는 날개위쪽 압력변화로 인해 주변공기가 응축됩니다.소외말하는 수증기 구름같은것이 날개위에 형성됩니다.비행기 꼬리 설계초음속에서의 안정성 보장을 위하여 꼬리부분의 공기역학적 설계는 매우 중요합니다.꼬리의 조종면 또한 자체 구조에 의한 충격파 뿐 만 아니라동체 및 날개에서 발생하는 충격파의 영향을 동시에 받을 수 있으므로높은 기동성을 요구하는 전투기 경우 꼬리 조종면이 상대적으로 크게 설계됩니다.간단하게초음속 비행기 설계시에 고려되어야 하는 부분을 나열해보았으나이 외에도 수없이 많은 부분들이 고려되어야 하며지금도 계속 꾸준한 연구가 지속되고있습니다.