• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 1999년도 제17회 학술발표회 논문개요집
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• pp.139-139
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• 1999

다이아몬드는 지구상에서 가장 단단한 물질로 잘 알려져 있을 뿐만 아니라 공업적 측면에서 볼 때, 여러 가지 특출한 성질들을 동시에 지니고 있다. 인장강도, 압축강도, 탄성계수 등 기계적 특성이 우수하고 넓은 광투과성과 내열, 내화학, 내방사성을 지니고 있으며, 열전도율이 높고 전기적으로 절연체이다. 또한 hole이동도가 높고 도핑에 의해서 반도체적 특성을 나타낸다. 이와 같이 매우 뛰어난 성질을 공업적으로 응용하기 위하여 이전부터 많은 연구가 행해져 왔으며, 1980년대에 들어와 박막이나 코팅 형태로의 합성이 가능한 기상합성법이 큰 발전을 보임으로써 다이아몬드의 우수한 특성을 여러 분야에서 폭넓게 응용할 수 있게 되었다. 특히 마찰 응용분야에 최적의 재료로 추천되고 있다. 지금도 Epitaxial 다이이몬드를 기지 위에 성장시키고 다결정질박막을 여러 가지 비다이아몬드(Si, W, Mo 등) 기지 위에 성장시키는 연구가 계속되고 있으며 공구강 위엥 경질코팅으로써 한층 개선된 다이아몬드박막 제조를 위한 수많은 연구노력들이 집중되고 있다. 그러나 일반탄소강에 다이아몬드박막을 성장시키기 위한 많은 노력들은 크게 바람직하지 않은 non-diamond carbon(black carbon or graphitic soot)의 형성 때문에 방해를 받고 있다. 계면에서 이들의 형성은 증착된 다이아몬드박막과 금속기지의 저조한 밀착력을 나타내게 된다. 이외 같이 다이아몬드박막의 응용을 위하여 다이아몬드피막에 요구되는 중요한 조건은 기지에 대해서 강한 밀착력을 나타내는 것이며, 동시에 상대물에 대하여 낮은 마찰계수를 가져야 한다. 그러나 다이아몬드와 금속기지는 서로 다른 열챙창계수(각각 0.87$\times$10-6K-1, 12$\times$10-6K-1)의 차이로 인하여 밀착력이 현저히 떨어진다는 단점으로 인해 산업화에 많은 제약을 받아왔다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 연구에서는 다이아몬드박막과 금속기지 사이에 중간층을 이용하는 방법을 제안하였다. 이러한 시도는 일반적으로 중간층 형성 금속인 Ti 또는 TiN 등이 적용되었으나 원하는 결과를 얻지 못하였다. 즉 carbon과 Fe의 상호확산, non-diamond carbon상의 형성 그리고 열잔류응력을 완화시키고 일반탄소강 위에 다이아몬드박막을 형성시켜 우수한 밀착력을 얻기 위한 목적에 미흡하였던 것이다. 이에 중간층으로 Cr 또는 Cr계 화합물 박막을 이용하였는 바, 이 중간층을 이용한 결과 우수한 밀착력을 나타내는 다이아몬드박막을 얻었으며 열적, 구조저으로 모재와 다이아몬드에 적합한 결과를 얻을 수 있었다. 본 연구에 의해 얻어진 결과들은 재료 가공을 위하여 높은 경도와 내마모성등이 요구되는 절삭공구나 금형의 수명 향항에 크게 기여할 것이며 산업적으로 큰 응용이 기대된다.

• 해양환경안전학회지
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• 제27권2호
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• pp.387-393
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• 2021

본 연구에서는 해양플랫폼의 탑사이드 구조에서 주로 채택하고 있는 파이프 연결 구조의 피로 수명 증가를 위한 방안을 찾기 위하여, 유한요소해석을 수행하였다. 상용해석프로그램인 MSC Patran/Nastran을 적용하였으며, 대표적인 중앙부 구조 형상을 해석모델로 선정하였다. 하중에 따른 응력집중 현상을 구현하기 위하여, 8 절점 솔리드 요소를 이용한 모델링을 구현하였다. 주요하중은 횡방향 하중 2가지와 대각선 파이프에 인장 하중을 고려하였다. 주요 위치에서의 Hot spot 응력을 확인하기 위하여, 0.01 mm dummy 쉘 요소를 적용하였으며, 0.5 t와 1.5 t 위치에서의 주응력을 계산한 후 외삽법에 따라 용접부에 발생하는 응력을 추정하였다. 일부 구간에서는 만족해야 하는 피로 수명 이하로 평가되어, 보강이 필요하였다. 보강은 기존 설계된 파이프의 두께나 지름을 변경하지 않고, 피로수명이 부족한 부위에 응력집중계수를 낮출 수 있도록 브래킷을 추가하였다. 인장 하중에 대해서는 bracket toe에서 응력은 23 % 증가하였고, 기존에 문제가 된 파이프의 내측, 외측에서의 응력은 약 8 % 감소하였다. 휨 하중에 대해서는 bracket toe에서 응력은 3 % 증가하였고, 기존에 문제가 된 파이프의 내측, 외측에서의 응력은 약 48 % 감소하였다. 신규 브래킷 보강으로 인하여, bracket toe의 응력증가가 발생하였지만, S-N 커브 자체가 파이프 조인트에 비해 좋으므로 큰 문제가 되지는 않는다. 본 연구에서 적용한 국부 보강을 통한 피로 수명 개선 방법은 기존 설계안의 변경을 최소화하면서 피로 수명 증가를 효율적으로 할 수 있다는 점에서 관련 산업에서 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

• Composites Research
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• 제20권5호
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• pp.56-63
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• 2007

복소퍼텐셜을 이용하여 타원공 또는 균열을 내재한 복합재 적층판구조 해석법을 고찰하였다. 복합재 적층판은 충격에 취약하며 이러한 충격손상은 타원공이나 균열형태의 노치로 모델화된 바 있다. 이와 같이 컷아웃부를 내재한 복잡한 형태의 복합재 적층판 해석에 유한요소해석법이 널리 사용되고 있으나 피로하중 하에서의 손상허용성 평가와 같이 손상진전에 따라 반복적으로 유한요소모델링을 수정하여 해석을 수행하여야 하는 경우 매우 번거로운 작업이 요구된다. 이러한 관점에서 복소퍼텐셜을 이용한 해석적 기법은 매우 간편하고 사용하기 손쉬운 기법이라고 할 수 있다. 이러한 해석법에 의한 계산결과를 유한요소해석 결과와 비교 분석함으로써 계산과정의 유효성과 용이성을 검증하였다.

• 해양환경안전학회지
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• 제23권4호
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• pp.393-399
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• 2017

왕복동식 압축기에서 피스톤과 커넥팅로드는 중요한 부분이다. 이러한 주요부에 기계적 부하가 과도하게 가해지면 해당 기부속이 손상될 수 있으며, 교체하기도 쉽지 않고 비용도 많이 든다. 따라서 내구성과 수명에 영향을 미치는 요인을 분석할 필요가 있다. 본 연구의 주요 목적은 피스톤과 커넥팅로드의 최대 응력 집중 위치를 확인하는 것이다. 이를 위해 설계된 공기압축기의 작업 공정의 동적계산을 기반으로 피스톤 및 커넥팅로드의 응력 분석을 수행하였다. 공기압축기의 피스톤과 커넥팅로드의 3 차원 모델을 따로 설계하고, 이러한 부품들의 유한요소 해석은 수치해석적인 근사해법을 사용하였다. 피스톤은 열 경계 조건 없이 크랭크 샤프트의 각도에 따라 압력 부하를 받는다. 시뮬레이션 결과는 피스톤과 커넥팅로드의 응력 집중 위치와 그 값을 예측하고 추정할 수 있다. 그 결과 크랭크 각도 $135^{\circ}$와 $225^{\circ}$에서 피스톤은 190MPa, 커넥팅로드는 123MPa 이상의 최대 등가응력이 나타났으며 이는 인장 항복강도 이하의 값이다. 또한, 커넥팅로드와 피스톤에 계산 된 안전 계수는 1보다 높게 나타났다. 더욱이, 이러한 결과는 왕복동 공기압축기 제작사에 피스톤 및 커넥팅로드를 설계함에 있어서 최적화를 위한 참고 자료로 활용 될 수 있다.

• 대한기계학회논문집A
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• 제40권6호
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• pp.531-537
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• 2016

기계 혹은 구조물의 파손 및 파괴는 소재의 내부에 존재하는 결함에서 발생하는 크랙에 의한 것이다. 이러한 크랙들은 밀집하여 존재하는 경우가 많기 때문에 크랙의 진전 및 성장특성들을 고려하지 않으면 안 된다. 이에 따라 본 연구에서는 표준 CT 시험편 내부의 크랙 및 구멍의 위치에 따른 파괴특성을 고찰하였으며, 표준CT 시험편에 편심된 집중하중을 가하였을 때, 시험편 내 크랙 주변의 구멍의 존재유무 및 위치에 따른 파괴역학적 거동에 대하여 규명하였다. 연구 결과로서 Model 3(크랙 주변에 구멍이 한 개 존재하는 시험편 모델로서 크랙의 끝부분과 구멍 간의 거리 가로방향으로 2mm의 경우)가 최대 변형량, 최대 응력 및 최대 변형 에너지, 모두 가장 크게 나타났으며, 모든 시험편 모델들이 시험편 내부의 크랙과 구멍의 거리가 가까울수록 최대 응력이 커지는 경향을 보였다. 또한 구멍의 개수와는 별개로 시험편 내부의 크랙 가까이에 구멍이 존재할 때 크랙 가까이에서 최대 응력은 커지는 경향이 나타나는 것을 알 수 있었으며, 이러한 본 연구 결과를 토대로 기계 혹은 기계 구조물 내부에 구멍을 뚫는다면, 시험편에 발생하는 파괴 응력의 값을 줄임으로써 파손이나 고장이 일어나는 것을 방지할 수 있을 것으로 사료된다.

• 한국구조물진단유지관리공학회 논문집
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• 제25권5호
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• pp.24-31
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• 2021

기존 H형강을 활용한 방음터널의 경우 높은 중량으로 하부구조에 많은 부담을 주기 때문에 경량화된 구조와 안정성을 모두 갖춘 신형식 거더 개발이 필요하다. 본 논문에서는 H 형강 플랜지를 상/하현재로 대체하고, 복부판에 공동단면을 적용하여 새로운 방음 터널 거더 설계를 제안한다. 최적의 형상을 개발하기 위해 비지지 비율과 공극 단면 형상에 따른 구조물의 거동을 분석하였다. 비지지구간 비율이 감소할수록, 비지지구간 개수가 증가할수록 거더에 작용하는 축력이 증가하고 모멘트는 감소하였다. 또한, 복부판 공동 단면의 타원 장축의 길이가 길수록 응력집중계수가 감소하는 결과를 확인하였다. 방음터널 거더의 비지지구간 비율이 0.4, 비지지구간 개수가 16이고 복부판의 형상이 E180 단면일 때의 조합이 가장 유리하지만, 방음판에 대한 시공성을 고려하여 실제 방음터널의 최적 설계로 최대 비지지구간 개수를 13, 비지지구간 비율을 0.7로 채택하였다. 최적 매개변수를 적용한 아치형 거더 분석 결과, 복부판 공동단면의 장축의 길이가 길수록 구조적 효율과 경제성이 증가하지만, 단면부의 공동 단면의 장축 길이가 일정 구간 이상으로 커지면 최대처짐에 불리함을 확인하였다. 3개의 아치형 거더를 연결한 신형식 방음터널의 좌굴 안전성을 평가하여 좌굴에 있어 설계 하중에 비해 약 3.7배 이상 구조적 안전성을 확보하고 있는 것을 확인하였다. 경량화와 안전성을 동시에 만족하는 최적 설계를 제시하였다.

• 한국분말재료학회지
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• 제11권1호
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• pp.8-15
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• 2004

FGM은 원하는 물성의 점진적인 변화를 통해 재료에 다양한 특성을 확보할 수 있는 방법이다. 여러FGM의 제조 방법 중 분말야금법과 열용사법이 많이 사용되며, FGM적용은 열ㆍ기계적 물성이 요구되는 응용분야에서 가장 전망이 있고 현재 가장 많은 연구가 진행되어 왔다. 경사기능의 도입은 2층 구조의 재료에 비하여 열팽창 계수의 차이에 의한 층간 잔류응력 집중을 완화 시켜 접합 강도와 열 충격 특성 및 열피로 특성 등의 향상을 가져왔다. 그러나 120$0^{\circ}C$ 이상의 고온에서 사용되어지는 경우, 표면에서 가까이 위치한 금속부의 산화에 의해서 2층 구조보다 저하된 열피로 특성을 보였다. 이러한 점들은 FGM이 가지고 있는 근본적인 문제이므로 응용처의 환경에 대한 고려가 필요하다. 내열 재료뿐만 아니라, 구조용 재료에서도 기계적 물성의 향상을 위해 FGM이 시도되고 있는 등, 현재까지 응용분야의 확대 가능성은 무한하다. 경사 기능 재료를 실제 적용하는데 있어서 문제점으로 지적되고 있는 점들은 1)경사 기능 재료의 신뢰성, 2)경사 기능 재료의 설계, 3)경사 기능 재료의 제조 공정 등의 세 가지 문제점으로 요약할 수 있다. FGM에서의 물성의 변화는 미세구조의 변화 등으로 단순히 rule of mixture로 해석되지 않는다. 이를 위하여 최근 전산 모사를 통해 조성 경사도 및 재료 선정 등에 대한 연구가 이루어지고 있는 추세이며, 새로운 제조 방법 개발 및 개량이 꾸준히 진행되고 있어 향후 FGM의 적용에 대한 전망은 밝다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제25권4호
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• pp.305-330
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• 2023

쉴드TBM 터널은 NATM 터널과 달리 라이닝이 세그먼트로 분절되어 있다. 따라서 라이닝에 동일 하중이 발생되어도 NATM 터널 라이닝과 쉴드TBM 터널 라이닝의 응력 분포가 다르게 발생된다. 쉴드TBM 터널에서 라이닝에 발생되는 응력을 분석하는 대표적 방법은 연결부를 고려하지 않는 강성일체법과 링간 이음 및 세그먼트 연결을 고려하는 2링 빔스프링 모델이 있다. 본 연구는 라이닝 분절 Segmentaion을 고려한 Break-joint Mode 해석 방법이지만 세그먼트 라이닝 연결부의 구조적 역할을 고려하지 않고 마찰력 성분인 수직강성과 전단강성 만 도입된 쉘 인터페이스 요소를 이용한 모델링을 적용하여 진동하중 발생 시 라이닝의 응력 및 변위에 대한 응답결과를 분석했다. 토압 등 정적 하중에 대해 천 정부에서 가장 큰 응력이 발생되는 강성일체법과 달리 본 연구의 해석방법에 의해 발생된 세그먼트 라이닝 응력 분포는 세그먼트 연결부가 집중된 천정부 Key 세그먼트에서 가장 작은 응력이 발생하였고 연결부를 경계로 응력의 분포가 뚜렷이 구분되었다. 그리고 정적 해석 결과는 강성일체법에 발생된 라이닝 응력이 본 연구 방법에 의해 발생된 세그먼트 라이닝의 응력에 비해 최대 7배의 큰 응력이 발생되었다. 이러한 결과는 세그먼트 연결부를 고려한 기존의 2링 빔-스프링 모델의 응력분포 양상과 일치하는 결과다. 그러나 열차 진동하중에 대한 응력값은 Break-joint Mode로 해석한 본 연구방법의 응력이 강성일체법에 비해 더 큰 응력을 발생되었다. 이는 짧은 부재들의 조합으로 이루어진 세그먼트 Ring이 원주방향으로 일체로 되어 부재의 길이가 상대적으로 더 긴 강성일체법 결과에 비해 더 작은 응력이 발생되는 정역학적 개념과 상이한 결과다. 진동하중에 대해 Break-joint Mode에서 세그먼트 라이닝에 응력이 더 크게 발생된 원인은 부재의 고유주기, 감쇠비 등 동역학적 요인의 차이보다는 열차 진동하중에 대해 라이닝에 발생되는 변위의 차이에 기인하는 것으로 판단되지만 이에 대한 증명은 추후의 과제로 남겨두었다. 본 연구 방법의 Break-joint Mode를 이용하면 정지상태의 열차 하중에 의해 발생되는 라이닝의 응력과 변위값을 비교하여 쉴드TBM 터널의 충격계수(DIF)를 비교적 간단하게 추정할 수 있다. 본 연구는 쉴드TBM 터널의 Segmentaion을 고려한 3차원 모델링으로 추후 지진파 등 다양한 하중조건의 검토를 통해 기존 해석방법 결과와 비교하여 모델링의 추가적 신뢰성을 확보할 필요가 있다.

• 한국전산구조공학회논문집
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• 제22권5호
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• pp.463-474
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• 2009

기존에 설치되어 있는 구조물의 양면대칭 패치보강은 항상 면내거동만을 유발하나 시공상 어려움이 있다. 반면에 일면 패치보강의 경우 인장력의 증가에 따라 중립축의 위치가 대칭이 아니므로 휨에 대한 강성도가 증가하게 되며, 결과적으로 적층판의 휨을 심화시키게 된다. 이 연구에서는 일면 패치보강된 적층판의 두께방향은 물론이고 원공주위의 응력집중계수를 산정하기 위해 p-수렴 완전층별모델을 제안하였다. 가정된 변위장의 정의를 위해, 임의의 층에서 변위-변형률 관계와 3차원 구성방정식은 2차원 및 3차원 계층적 형상함수의 조합이 사용된다. 원형경계의 기하형상을 나타내기 위해 초유한사상기법이 사용되며, 다른 외삽법을 사용하지 않고 각 층마다 절점에서의 응력값을 직접적으로 얻기위해 가우스-로바토 수치 적분이 수행되었다. 제안된 모델의 정확도와 단순성은 기존의 3차원 유한요소해석과 실험에 의해 구해진 결과들과의 비교를 통해 검증되었다. 또한 정사각형, 원형, 고리형 형상의 다양한 패치보강에 따른 휨효과를 조사하였다.

• 한국구조물진단유지관리공학회 논문집
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• 제24권5호
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• pp.1-8
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• 2020

이 연구에서는 철근콘크리트 부재의 전단파괴가 휨-전단 메커니즘에 지배된다는 가정을 바탕으로 인장측과 압축측에 대한 2개의 전단요구곡선들과 이에 대응되는 잠재전단강도곡선들을 각각 도출하였으며, 이를 기반으로 전단강도 산정모델을 제안하였다. 제안모델에서는 철근과 콘크리트의 부착거동을 고려하여 휨균열폭과 철근의 국부응력증가분을 산정하였다. 또한, 휨균열로부터 발전되는 지배전단균열의 생성과 균열진전거동을 이론적으로 모사하기 위하여 균열집중계수를 도입하였으며, 이를 통해 단면높이가 큰 철근콘크리트 부재에서 관측되는 크기효과를 반영하였다. 또한, 기존의 해석모델과는 다르게 전단철근과 콘크리트의 전단기여분 사이의 상호작용을 고려할 수 있는 새로운 형태의 수식을 개발하였다. 제안모델의 검증을 위하여 방대한 전단실험체들을 기존문헌으로부터 수집하였으며, 이를 통해 해석모델을 검증한 결과는 제안모델이 실험체들의 재료, 크기 및 철근의 부착특성에 관계없이 실험결과를 정확하게 평가할 수 있음을 보여주었다.