• Wind and Structures
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• 제28권2호
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• pp.71-87
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• 2019

The yaw and interference effects of blades affect aerodynamic performance of large wind turbine system significantly, thus influencing wind-induced response and stability performance of the tower-blade system. In this study, the 5MW wind turbine which was developed by Nanjing University of Aeronautics and Astronautics (NUAA) was chosen as the research object. Large eddy simulation on flow field and aerodynamics of its wind turbine system with different yaw angles($0^{\circ}$, $5^{\circ}$, $10^{\circ}$, $20^{\circ}$, $30^{\circ}$ and $45^{\circ}$) under the most unfavorable blade position was carried out. Results were compared with codes and measurement results at home and abroad, which verified validity of large eddy simulation. On this basis, effects of yaw angle on average wind pressure, fluctuating wind pressure, lift coefficient, resistance coefficient,streaming and wake characteristics on different interference zone of tower of wind turbine were analyzed. Next, the blade-cabin-tower-foundation integrated coupling model of the large wind turbine was constructed based on finite element method. Dynamic characteristics, wind-induced response and stability performance of the wind turbine structural system under different yaw angle were analyzed systematically. Research results demonstrate that with the increase of yaw angle, the maximum negative pressure and extreme negative pressure of the significant interference zone of the tower present a V-shaped variation trend, whereas the layer resistance coefficient increases gradually. By contrast, the maximum negative pressure, extreme negative pressure and layer resistance coefficient of the non-interference zone remain basically same. Effects of streaming and wake weaken gradually. When the yaw angle increases to $45^{\circ}$, aerodynamic force of the tower is close with that when there's no blade yaw and interference. As the height of significant interference zone increases, layer resistance coefficient decreases firstly and then increases under different yaw angles. Maximum means and mean square error (MSE) of radial displacement under different yaw angles all occur at circumferential $0^{\circ}$ and $180^{\circ}$ of the tower. The maximum bending moment at tower bottom is at circumferential $20^{\circ}$. When the yaw angle is $0^{\circ}$, the maximum downwind displacement responses of different blades are higher than 2.7 m. With the increase of yaw angle, MSEs of radial displacement at tower top, downwind displacement of blades, internal force at blade roots all decrease gradually, while the critical wind speed decreases firstly and then increases and finally decreases. The comprehensive analysis shows that the worst aerodynamic performance and wind-induced response of the wind turbine system are achieved when the yaw angle is $0^{\circ}$, whereas the worst stability performance and ultimate bearing capacity are achieved when the yaw angle is $45^{\circ}$.

• 해양환경안전학회지
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• 제25권2호
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• pp.237-243
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• 2019

PE(PolyEthylene) 재료를 활용한 해상부유 구조물은 바다, 강 또는 호수의 인근이나 수역 내에 일정한 공간 부를 형성하는 부유식 구조물로, 현재는 그 용도가 소형선박 계류장뿐만 아니라 양식장, 수상 펜션, 해상부교 등에 다양하게 활용되고 있다. 이 제품군의 특징은 유연성이 뛰어나고 재활용할 수 있으며, 내약품성, 내후/내식성이 우수하다. 기존의 PE 제품군을 활용한 부유식 플랫폼은 한 개의 브래킷에 한 개의 부력관을 체결하는 단순한 구조를 구성하였고, 이로 인하여 사용자가 용도 변경 및 사용환경이 변경될 때는 적용하는데 제한이 있었다. 이에 본 연구에서는 한 개의 브래킷에 다양한 크기를 갖는 부력 관을 체결할 수 있는 구조를 개발하고, 제품의 구조 안전성을 유한요소법을 활용하여 검증하였다. 구조해석 결과, 브래킷 하단에 지름 500 mm 부력관 모델에서 충돌 하중에 대해 최대값을 나타내었으나, 허용기준을 만족하였다. 본 연구 결과를 기반으로 하여, 향후 다양한 형태의 부유체 플랫폼에 대한 구조 안전성 평가에 관한 연구가 가능하며, 관련 평가 기준에 대한 정립이 필요하다.

• 한국산학기술학회논문지
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• 제20권5호
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• pp.502-509
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• 2019

도로교의 신축이음장치 성능시험에 있어 최근에는 많은 연구가 진행되어 있지만, 항공기 활주로 연결 교량에 있어서 국내에 적용사례가 전무하고 성능시험에 대한 기초자료가 없는 상황이다. 본 연구는 활주로 연결 교량이 건설되어있는 인천공항 2단계 확장공사현장에 국내 최초로 적용된 강재형 모노셀 신축이음장치의 성능평가를 위해 전산해석과 KS F 4425기준에 근거하여 수축 신장 및 반복하중시험을 실시하였다. 시제품 제작 전 설계 문서에 기초하여 Midas 해석프로그램으로 전산 분석하였고 시제품을 제작하여 2001년 KS F 4425기준에 근거하여 완제품 성능시험을 시행하였다. 국내 교량의 하중재하시험에 대한 기술 기준은 대부분 차량에 대한 것이고 항공기에 대한 선례가 없어 인천공항공사에 출입하는 항공기 중에서 축하중이 최대치인 F급 $468.4kN/m^2$를 보수적으로 적용하여 200만회 반복재하시험을 진행하였다. 완제품 결과 제품에는 육안검사로 이상 유 무가 관찰되지 않아 충분한 사용성 및 내구성을 확보하였다고 판단된다. 수축 신장의 경우 2,500회 반복 시험 후 KS F 4425 기준에 따른 육안검사로 이상 유 무가 관찰되지 않아 충분한 신축성을 확보하였다고 판단된다. 본 연구의 결과는 선례가 없는 항공기에 대한 신축이음장치의 성능시험에 있어 유용한 현장 시험 자료 및 전산 해석 결과가 참고자료 활용에 가치가 있을 것으로 기대된다.

• 대한토목학회논문집
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• 제39권2호
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• pp.335-344
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• 2019

기존건물의 수직증축시, 추가되는 증축하중을 지지하기 위해서 기초를 보강하는 것은 필수적이다. 일반적으로 기초의 지지력을 증대시키고 침하를 감소시키기 위하여 마이크로파일공법이 널리 활용되고 있다. 본 연구에서는 기존의 마이크로파일에 전단키가 추가된 새로운 형식의 파형마이크로파일을 활용하여 연구를 수행하였다. 유한요소해석법(FEM)을 통해 기초보강시 파형마이크로파일의 하중침하거동과 하중분담율을 평가하였으며, 3가지 길이 다른 일반적인 마이크로파일들의 지지거동과 비교를 통해 보강효과를 확인하였다. 해석 결과, 파형마이크로파일의 지지력과 축강성이 일반 마이크로파일보다 크게 나타났으며, 이는 파형 마이크로파일의 전단키에 의한 효과인 것으로 판단된다. 또한, 수직증축 리모델링 시, 기존하중 대비 20 %의 증축하중이 재하될 때, 파형마이크로파일의 하중분담율이 동일한 길이의 일반 마이크로파일에 비해 약 40 % 증가하였으며, 보강효과는 길이 1~1.5배의 일반적인 마이크로파일보다 우수한 것으로 나타냈다.

• 한국산업정보학회논문지
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• 제24권2호
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• pp.33-40
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• 2019

많은 풍력회사들은 큰 용량, 작은 크기 및 가벼운 무게의 풍력 발전기를 개발하기 위해 노력해 왔다. 고온초전도 풍력발전기는 기존의 풍력 발전기에 비해 부피와 중량을 줄일 수 있기 때문에 풍력 발전시스템에 더 적합하다. 그러나 고온초전도 발전기는 큰 진공 용기 및 계자 코일의 유지 보수가 어려운 문제를 가지고 있다. 이러한 문제는 고온초전도 계자 코일의 모듈화를 통해 해소될 수 있다. 그런데 고온초전도 모듈 코일에는 직류 전류를 전달하기 위한 전류 리드가 필요하며, 이는 큰 열전달 부하를 발생시킨다. 따라서 전류 리드는 전도 및 Joule 열 부하를 줄이기 위해 최적으로 설계되어야 한다. 본 논문에서는 750 kW급 고온초전도 발전기에 대한 모듈 코일의 구조 설계 및 열 해석을 다루었다. 모듈 코일의 전도 및 복사열 해석은 3D 유한요소법 프로그램을 사용하여 분석하였으며, 그 결과 총 열부하는 극저온 냉각장치의 냉각 용량보다 작았다. 본 논문에서 제시한 설계 및 해석결과는 풍력 발전시스템의 초전도 발전기 개발에 효과적으로 활용할 수 있을 것이다.

• 한국산업정보학회논문지
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• 제24권2호
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• pp.15-23
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• 2019

풍력발전 시스템용 고온 초전도 (HTS) 발전기는 높은 효율과 기존 발전기에 비해 작은 크기로 제작이 가능한 이점을 가지고 있다. 그러나 고온 초전도 발전기는 높은 전류 밀도와 자기장으로 인해 HTS 계자 코일에 작용하는 로렌츠 힘에 따른 문제가 발생할 수 있다. 본 논문에서는 계자 코일 구조에 따른 750 kW 급 초전도 풍력 발전기에 대한 모듈화 된 HTS 계자 코일의 특성 분석을 다룬다. 모듈화 된 HTS 필드 코일의 구조는 3D 유한 요소법을 사용하여 얻은 전자기 및 기계 분석 결과를 기반으로 설계하였고 모듈 코일의 전자기력도 분석하였다. 그 결과, HTS 코일의 수직 자기장과 최대 자기장은 각각 2.5 T와 3.9 T로 나타났다. 지지대의 최대 응력은 유리 섬유 강화 플라스틱 재료의 허용 응력보다 작았으며, 변위는 허용 범위 이내로 발생하였다. HTS 모듈 코일 구조의 설계 사양 및 결과는 대용량 초전도 풍력 발전기 개발에 효과적으로 활용될 수 있다.

• 한국산업정보학회논문지
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• 제24권2호
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• pp.57-63
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• 2019

점차적으로 늘어나는 전력 수요의 공급을 원활히 하기 위해서 발전 설비 뿐만 아니라 전력을 전송하기 위한 전력케이블의 증설도 반드시 필요하다. 하지만 대부분의 도심지에 전력을 공급하기 위한 전력케이블의 증설은 추가적인 케이블의 설치공사를 위한 공간을 필요로 하고 현재 국내 도심지에 케이블 설치를 위한 공간이 부족한 실정이다. 이에 동일한 사이즈로 더 많은 전력을 전송할 수 있는 초전도 전력 케이블은 부족한 케이블의 설치공간을 극복할 수 있는 대안으로 등장하였다. 하지만 대용량의 전력 전송의 이점을 가지고 있는 초전도 전력케이블은 교류 시스템에서의 일부 손실을 가지고 있다. 따라서 교류 전력 전송 시스템에서 초전도 전력 케이블을 도입하기 위해서는 교류손실의 설계 및 분석이 반드시 필요하다. 이에 본 논문에서는 다양한 초전도 전력케이블의 교류 손실 분석을 통하여 실제 초전도 전력 케이블의 제조 및 실계통 적용에 고려하고자 한다. 단일 초전도 선재에 대한 교류 손실의 이론적인 계산 방법은 존재하지만 많은 수로 구성된 초전도 전력 케이블의 교류손실 계산은 쉽지가 않다. 저자는 초전도의 E-J (Electric field-current density) 특성이 고려된 전자기적 유한요소해석법을 이용하여 다양한 종류의 초전도 전력케이블 교류 손실을 분석하고자 한다. 또한 본 초전도 전력케이블의 교류손실 특성 분석은 실계통에 적용될 초전도 전력케이블의 설계 및 개발에 중요한 요소로 작용될 것이다. [1-4].

• 지구물리와물리탐사
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• 제24권2호
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• pp.35-44
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• 2021

파이썬은 다른 정적 언어(예, C, C++, FORTRAN 등)에 비해 실행 속도가 느리기 때문에 대규모 반복이 필요한 지구동역학 코드를 작성하는데 적합하지 않은 것으로 인식되어 왔다. 그러나 파이썬의 계산 속도를 향상시키기 위해 Just-In-Time (JIT) 컴파일 등과 같은 많은 고속화 수단이 개발되었다. 우리는 파이썬을 기반으로 JIT 컴파일러에 최적화된 맨틀 유동 지구동역학 코드를 개발했다. 코드는 지구동역학 분야에서 널리 사용되는 PIC (Particle-In-Cell) 방법과 유한요소법을 결합하여 맨틀 대류를 수치 모사하며, 코드의 신뢰성을 정량적으로 평가하기 위해 잘 알려진 2차원 맨틀 대류 문제를 벤치마킹했다. 수치 모사 결과, 제곱근 평균 제곱 속도와 넛셀 수가 이전 연구와 거의 일치함을 확인했다. JIT 컴파일러를 적용한 코드는 적용하지 않았을 경우와 대비해 계산 속도가 PIC 방법에서 최대 258배, 전체 행렬 조립 과정에서 최대 30배 향상했다. 따라서, 이번 연구는 파이썬의 계산 성능이 JIT 등의 가속기를 이용하여 충분히 향상되며, 많은 지구 동역학 문제를 해결하는데 활용될 수 있음을 제시하였다.

• 마이크로전자및패키징학회지
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• 제27권4호
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• pp.107-111
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• 2020

최근 고령화 사회가 진행이 되면서 건강과 진단에 대한 많은 관심이 증대되고 있다. 정확한 진단이 가능한 guided surgery를 위한 다양한 바이오 이미징 시스템 분야가 중요하게 대두되면서 정확한 측정과 실시간 확인 등이 가능한 형광 이미징 시스템이 중요한 분야로 대두되었다. 현재 사용되고 있는 부분은 NIR-I이 주를 이루고 있으나 분해능의 향상 및 깊고 정확하게 형광을 확인하기 위해서 NIR-II 부분의 연구를 많이 진행 중에 있다. 본 논문에서는 NIR-I과 NIR-II의 차이점과 광학적인 특성, 그리고 형광영상 시스템의 SBR(signal to background ration)에 대해서 NIR-II의 미(Mie) 산란을 유한요소(FEM)법을 이용하여 확인을 하였으며 최종적으로 Skin phantom을 제작 및 Fluorescence를 측정을 함으로써 SBR이 NIR-I보다 NIR-II 영역에서 16.2배 더 높은 것을 확인하였다. 형광 이미징 시스템의 SBR 증대는 NIR-I영역대 보다 NIR-II영역이 효과를 이룰 것으로 확인이 되며 이를 통해 guided surgery나 bio-sensor, 또한 형광을 이용한 전자부품의 결함을 확인할 수 있는 디바이스 등의 다양한 응용분야에 활용할 수 있을 것으로 예상한다.

• 한국지반공학회논문집
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• 제37권5호
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• pp.5-17
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• 2021

본 연구에서는 링전단시험 결과를 이용하여 말뚝-사질지반 사이의 전단거동을 정량화하였다. 링전단시험은 가장 일반적인 말뚝재료 - 콘크리트와 강 - 와 대표적인 사질토인 주문진표준사를 대상으로 수행하였으며, 두 재료 사이의 전단거동을 항복 이전과 잔류전단거동을 중심으로 확인하고 분석하였다. 시험결과를 통하여 다양한 상재압과 상대밀도의 영향 또한 분석하여, 그에 따른 전단거동을 각 재료 별 대표적인 마찰각으로 정량화하였다. 더 나아가, 추가적인 대변형 수치해석을 통하여 시험결과를 검증하였다. 링전단시험 및 수치해석을 수행한 결과, 사질토의 전단 중 발생하는 팽창과 수축특성에 의하여 전단거동을 크게 두 가지로 구분할 수 있었다. 1) 상대밀도가 높은 시료일수록 두 재료 간 전단응력곡선은 첨두전단응력이 관찰된 후 잔류전단응력이 발현되는 개형을 나타내었고, 반면에 2) 상대밀도가 낮은 시료일수록 두 재료 간 전단응력곡선은 첨두전단응력의 발현 없이 바로 잔류전단응력이 발현되는 이중곡선 형태를 보였다. 상재압은 소변형 범위에서는 전단거동 형태와 마찰각에 영향을 주지만, 상대밀도와 마찬가지로 대변형 하에서는 유의미한 영향을 주지 않는 것으로 확인되었다. 본 연구는 리메싱을 통한 대변형 수치해석 기법을 정립하여 링전단시험과 같은 대변형 전단거동을 모사하고 예측할 수 있도록 하였을 뿐 만 아니라, 링전단시험을 통하여 도출되고 대변형 수치해석으로 검증된 말뚝 재료와 사질토 사이의 마찰각은 실제 기초 말뚝의 수치해석과 설계에 적용할 수 있도록 하였다.