Transcript 기계공학개론 제5장 (1,2)

기계공학개론
Introduction to Mechanical Engineering
5장 기계공학 문제의 해결도구 및 해결절차
Introduction to Mechanical Engineering
5장 기계공학 문제의 해결도구 및 해결절차
Tools and Procedure to Solve Mechanical Engineering Problems
5.1 서론
5.2 시스템 및 시스템의 구성요소
5.3 기계 시스템에 관한 역학
5.4 열유체 시스템에 관한 역학
5.5 제조공정 및 생산기술
5.6 계측 및 제어 기술
5.7 기계공학 관련 컴퓨터 프로그램 및 상용 소프트웨어
5.8 기계공학 문제의 해결절차
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5.1 서론
서론
 통합적 관점에서의 시스템
– 상사(similarity) 시스템 개념 적용
→ 다-에너지역 시스템(기계, 열유체 및 전기 시스템 등이 혼합된 시스템)의
에너지 및 힘과 운동 특성을 매우 쉽고 체계적으로 파악할 수 있음
– 기계, 유체, 열, 전기 시스템 등 시스템의 종류가 다르더라도 각 시스템이
상사 시스템이면 어느 시스템에서나 시스템의 특성을 나타내는 시스템 방정식이
수학적으로 전적으로 같음
 기계공학 문제의 해결도구(과학적 지식과 기술)
– 정역학, 고체역학, 동역학, 기계진동 : 기계 시스템의 힘과 운동에 관한 문제해결
– 열역학, 유체역학, 열전달 : 열유체 시스템의 에너지에 관한 문제해결
– 제조공정 및 생산 기술, 계측 및 제어 기술 : 기계공학에서 필요한 기반 기술
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5.1 서론
 기계공학 문제해결을 위한 컴퓨터 프로그램 및 상용 소프트웨어
– 컴퓨터 프로그램 : C-언어, FORTRAN, MATLAB, MATHEMATICA 등
– 상용 소프트웨어 : AutoCAD, Pro/ENGINNER, CATIA, ANSYS, NASTRAN,
ADINA, FLUENT 등
 기계공학 문제의 해결절차
– 설계목적 설정
– 모델링
– 해석
– 개념설계 및 상세설계
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5.2 시스템 및 시스템의 구성요소
시스템 및 시스템의 구성요소
 시스템의 정의
– 어떤 주어진 목적을 달성하기 위하여 상호작용을 하는 여러 개의 요소 (에너지
발생요소, 에너지 저장요소, 에너지 발산요소, 에너지 변환요소 등) 또는 부품들이
모여 하나의 복합체를 이루고 있는 실체
 시스템 입력
– 시스템 주위 환경으로부터 시스템에 영향을 미치는 물리량
 시스템 출력
– 입력에 의하여 시스템 내의 에너지의 상태가 변하고 시스템의 외부로 일을 하거나
에너지 또는 정보를 전달하는 시스템 내부의 물리량
 정적 시스템과 동적 시스템
– 정적 시스템 : 에너지 저장요소를 포함하지 않은 시스템, 출력이 가해진 입력에
따라 결정되며 시간에 따라 변하지 않음
– 동적 시스템 : 에너지 저장요소를 포함하고 있는 시스템, 과거의 입력이 현재의
출력에 영향을 주게 되어 입력이 일정하거나 제거되어도 출력이
시간에 따라 변함
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5.2 시스템 및 시스템의 구성요소
 대표적인 공학 시스템
– 병진 및 회전 기계 시스템, 압축성 및 비압축성 유체 시스템, 열 시스템,
전기 시스템, 자기 시스템
 시스템의 에너지 및 힘과 운동 특성 파악
–
정역학, 동역학, 고체역학, 유체역학, 열역학, 열전달, 전기회로이론 등에 관한
기본적인 공학 지식 필요
– 시스템 간의 유사성을 이용하면 시스템 특성 파악을 좀 더 쉽게 그리고 조직적으로
수행할 수 있음
– 특히, 에너지 변환요소를 포함하고 있는 다-에너지역 시스템의 경우에는 시스템 간의
유사성을 이용하면 시스템 특성을 통합적으로 체계적으로 평가할 수 있음
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5.2 시스템 및 시스템의 구성요소
 시스템의 구성요소 및 접합구조
– 각 요소가 가지고 있는 에너지 특성에 따라 에너지 발생, 저장, 발산, 그리고 변환
요소로 구분되며 이 요소들은 서로 접합되어 상호작용을 함
그림 5.1 시스템의 에너지 흐름선도
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5.2 시스템 및 시스템의 구성요소
 파워(에너지) 보존법칙
– 시스템의 에너지 상태를 파악하는데 가장 기본이 되는 식
(5.1)
여기서
P
in
: 모든 에너지 소스(source)로부터 시스템에 가해진 파워(power)
dE : 에너지 저장요소에 저장된 에너지의 시간변화율
dt
Pd : 에너지 발산요소에서 소멸된 파워

또는
(5.2)
여기서
P : 작용력(effort) 변수 e와 흐름(flow) 변수 f 의 곱으로 정의
(5.3)
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5.2 시스템 및 시스템의 구성요소
표 5.1 대표적인 공학 시스템에 대한 작용력변수와 흐름변수
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5.2 시스템 및 시스템의 구성요소
 시스템의 물리변수
– 파워변수(작용력변수 e 와 흐름변수 f )와 에너지변수(일반화된 운동량 p 와
일반화된 변위 q)
 시스템의 파라미터
– 커패시턴스(위치에너지 저장요소) C, 이너턴스(운동에너지 저장요소) I,
저항(에너지 발산요소) R
그림 5.2 파워변수와 에너지변수 사이의 관계
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5.2 시스템 및 시스템의 구성요소
 접합구조
– 0-접합 : 접합된 각 요소의 작용력변수가 일정하고, 흐름변수의 합 = 0
(5.8)
– 1-접합 : 접합된 각 요소의 흐름변수가 일정하고, 작용력변수의 합 = 0
(5.9)
표 5.2 대표적인 공학 시스템에서 접합구조의 물리적 의미
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5.2 시스템 및 시스템의 구성요소
위치에너지 저장요
소
 작용력변수 e가 일반화된 변위 q의 함수로 표현됨
(5.10)
 위치에너지 저장요소의 예
– 스
프
링 :
– 토
션
바 :
– 어큐뮬레이터 :
– 커 패 시 터 :
 위치에너지 저장요소의 파워변수 관계식
또는
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(5.12)
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5.2 시스템 및 시스템의 구성요소
운동에너지 저장
요소
 흐름변수 f 가 일반화된 운동량 p의 함수로 표현됨
(5.13)
 운동에너지 저장요소의 예
– 질
량
:
– 회전관성
:
– 유체관성
:
– 인덕턴스
:
 운동에너지 저장요소의 파워변수 관계식
또는
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(5.15)
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5.2 시스템 및 시스템의 구성요소
에너지 발산요소
 작용력변수 e가 흐름변수 f 의 함수로 표현됨
(5.16)
 에너지 발산요소의 파워변수 관계식
(5.17)
 에너지 발산요소의 예
– 기계감쇠 :
– 유체마찰 :
– 전기저항 :
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5.2 시스템 및 시스템의 구성요소
에너지 변환요
소에너지 손실이 없다고 가정하면 에너지 변환요소의 입력파워 Pi 와
출력파워 Po 는 같다.
(5.18)
 에너지 변환방법에 따른 에너지 변환요소의 분류
– 트랜스포머(transformer)
(5.19)
여기서 Kt : 트랜스포머계수
– 자이레이터(gyrator)
(5.20)
여기서 Kg : 자이레이터계수
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5.2 시스템 및 시스템의 구성요소
표 5.3 대표적인 공학 시스템에 대한 에너지 변환요소
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5.2 시스템 및 시스템의 구성요소
상사(similarity) 시스템
 시스템의 에너지 및 힘과 운동 특성을 파악하는 과정에서 매우 유용
 기계, 유체, 열, 전기 시스템 등 시스템의 종류가 다르더라도 각 시스템이
상사 시스템이면 수학적으로 전적으로 같게 표현됨
 사용하는 물리변수 및 파라미터 등의 용어만 다름
– 기계 시스템 : 힘, 속도, 변위, 운동량, 스프링상수, 질량, 감쇠계수
– 전기 시스템 : 전압, 전류, 전하, 자속쇄교, 커패시턴스, 인덕턴스, 저항
 다-에너지역 시스템의 특성을 파악할 때는 시스템을 통합적인 관점에서
생각하는 것이 편리
 시스템 방정식 유도
– 시스템 각 요소 간의 접합조건 및 파워보존법칙 적용
– 시스템의 각 요소방정식 정리
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