연료 탱크 세척수용 이퀄퍼센트 타입 온도제어 밸브의 디스크 최적 설계

황가현 부산대학교 대학원 2019 국내석사

연료 탱크 세척수용 이퀄퍼센트 타입 온도제어 밸브의 디스크 최적 설계 황 가 현 부산대학교 대학원 기계융합기술전공 요약 선박 엔진용 연료 탱크는 엔진 보호 및 연비 향상을 위해 주기적인 세척이 필요하며, 이때 세척수의 온도는 적절하게 유지되어야 한다. 온도 제어 시스템에서 핵심적인 역할을 수행하는 온도제어 밸브는 열교환기로 보내는 스팀의 양을 제어한다. 현장에서 사용 중인 수정된 이퀄퍼센트 타입의 디스크는 헌팅현상이 발생하지 않으나, 디스크 형상의 최적화가 이루어지지 않아 밸브의 최대유량이 퀵오프닝 타입에 비해 매우 낮다. 이에 본 연구에서는 이퀄퍼센트 디스크의 설계식을 확립하고, 헌팅현상 방지 및 유량 극대화를 위해서 수정된 이퀄퍼센트 타입의 최적 디스크 형상을 설계하였다. 또한, 현장에서 사용되는 모델과 설계된 모델의 유량을 비교하고, 구조 안전성 및 기밀 성능을 판단하여 제안된 밸브의 우수성을 검증하였다.

초장축 수평 다단 유압 실린더의 처짐 방지를 위한 최적 설계

제, 호남 부산대학교 대학원 2021 국내석사

다단실린더는 유체에너지를 기계적 에너지로 변환하는 장치인 유압실린더의 한 종류로서 실린더내부에 또 다른 실린더가 내장 되어 있고 압력 유체가 유입되면 차례로 실린더가 나와 큰 스트로크를 얻을 수 있는 구조로 이송 장비로 사용되고 있다. 기존의 다단 실린더는 대부분 3단으로, 최대 스트로크가 5,000 mm 내외이나 더 높은 스트로크에서는 사용시 실린더 축 방향으로 자중에 의한 처짐과 좌굴이 과다하게 발생하여 안전사고가 발생하는 문제점이 있다. 이에 본 연구에서는, 10,000 mm급 초장축 다단 실린더의 개발을 위하여 실린더의 이론적 처짐량 계산을 통한 유한요소해석기법을 확립하였고, 이물질 방지 박스(Boom)장착으로 인한 처짐 증가에 대해 다단 실린더를 지지하는 고정부 방향과 Boom 형상 수정, 실린더 고정부의 끼워 맞춤 공차를 통해 실린더의 처짐으로 인한 왕복 작동으로 처짐 방지에 대한 연구를 진행하였다. 또한, 실린더의 내부 기밀성 검증을 통해 기밀 검증을 하였다.

수치해석을 이용한 지로터 오일펌프의 이론유량계산 프로그램 개발

이민철 부산대학교 대학원 2018 국내석사

지로터 오일펌프는 마모를 방지하고 마찰열을 줄이기 위해 기어 및 베어링과 같은 회전요소에 윤활유를 공급한다. 토출유량이 높을수록 지로터 펌프의 소형화로 인해 펌프효율을 높일 수 있기 때문에 정확한 배제용적 도출을 통한 이론유량계산이 중요하다. 이에 본 논문에서는 상용 수치 해석 프로그램인 Matlab을 사용하여 이론유량계산을 위해 지로터의 접촉점 및 내부 및 외부로터의 치형을 생성하고 접촉점 사이의 챔버면적을 계산하여 자동으로 이론 유량을 계산하는 방법이 제안하였다. 또한, 제안한 방법을 적용하여 이론유량계산프로그램을 개발하였으며 본 연구에서 개발한 방법의 우수성을 검증하기 위해 계산된 유량과 기존의 회전날개길이법을 이용하여 계산한 유량 및 성능 실험의 유량과 비교하였다.

Design of Thickness of the Composite and Liner for Structure Safety of Type 4 Pressure Vessel

진, 비후이 부산대학교 대학원 2020 국내석사

Due to the problem of fossil fuel exhaustion and environmental pollution, the use of hydrogen fuel is increasing gradually, so there has been a trend of development and commercialization of hydrogen fuel cell vehicles. In order to increase the fuel efficiency of a hydrogen fuel cell vehicle, a lightweight and high-pressure design of a hydrogen storage container is required. Therefore, it is necessary to optimize the shape of the pressure vessel and the thickness of the composite material. In this paper, the head part satisfying the structural safety is designed by using the iso- tensiod curve, and the aluminum alloy boss part is optimized by using ANSYS Design Exploration tool to reduce its stress. In addition, based on the designed liner shape, ACP (ANSYS Composite Pre-process & Post-process) software was used to establish the composite finite element model with varying winding angles and thicknesses depending on the shape of the head, and optimized composite material thickness to satisfy the structural safety of type 4 pressure vessel.

소음저감을 위한 2개의 확장된 카디오이드가 조합된 로브형상을 갖는 지로터 오일펌프 설계

이상협 부산대학교 대학원 2019 국내석사

지로터 오일펌프 (Gerotor oil pump)는 구조가 간단하고, 같은 크기의 다른 펌프에 비하여 1회전 당 토출량이 많기 때문에 소형화에 유리하며, 자동차의 엔진 윤활유 공급원 및 자동 변속기의 유압원으로 널리 사용되고 있다. 지로터 오일펌프의 경우, 자동차 산업의 가장 중요한 문제인 연비향상 및 소음저감을 위해 지로터 오일펌프의 치형 및 포트 형상 설계가 요구되고 있다. 이에 본 연구에서는 새롭게 고안한 2개의 확장된 카디오이드를 조합한 로브형상을 갖는 치형 창출 방정식을 정립하고, 자동화 프로그램을 통하여 최적 치형을 선정하였다. 또한, 제안 치형에 적합한 포트의 설계 방법을 제시하고, 제안된 오일펌프 (2개의 확장된 카디오이드가 조합된 최적 치형+전용포트)의 유동해석을 수행하여 유량, 유량맥동 및 음압레벨 도출하였다. 제안된 오일펌프 시제품의 성능시험을 수행하여 본 연구의 최적 치형 및 포트 설계 방법의 타당성 및 소음저감 효과를 검증하였다.

터보차저 제어를 위한 스윙게이트 밸브 설계에 관한 연구

김다정 부산대학교 대학원 2018 국내석사

스윙게이트 밸브는 디젤엔진 선박의 터보차저로 유입되는 배기가스를 제어하는 역할을 수행한다. 기존의 밸브는 디스크와 몸체 사이의 간극이 없어 불완전 연소 시 생성되는 불순물로 인해 디스크가 고착되어 원활한 개폐가 어렵고 디스크에 처짐이 발생하여 밸브 개폐 시에 몸체에 스크래치가 발생한다. 이에 본 연구에서는 디스크 고착 방지를 위하여, 밸브가 닫혀 있을 때 배기가스가 터보차저를 구동 시키지 않는 간극을 결정하였다. 밸브의 전체 두께는 설치공간의 제약으로 인해 고정되어 있으므로 결정된 간극에 따라 플랜지와 몸체의 두께를 설계하였고, 이를 통해 밸브의 경량화를 이루었다. 또한, 디스크의 형상 및 두께 설계를 통해 디스크 처짐으로 인한 스크래치를 저감시켰으며, 상기의 과정을 거쳐 설계된 스윙게이트 밸브에 대하여 진동하중에 따른 구조안전성을 검증하였다.

Digital Twin of Dual Servo Machine Tool Based on Game Engine

최인식 강원대학교 대학원 2023 국내석사

본 연구에서는 게임엔진을 기반으로 듀얼서보 공작기계에 디지털 트윈 기술을 적용했다. 4차 산업혁명 시대가 다가오면서 산업의 디지털화가 촉진되었고 디지털화를 위한 기술들이 발전함에 따라서 디지털 트윈의 관심이 높아졌다. 디지털 트윈이란, 현실 속 사물을 가상 속에 똑같이 복제하여 현실과 가상의 상호작용을 돕는 기술로 모니터링 시스템, 예측 시스템, 원격 제어 시스템 등 다양한 방면의 시스템을 제작할 수 있다. 디지털 트윈을 적용한 시스템을 만들면 시간적, 비용적 절감 효과를 볼 수 있다. 국외에서는 이미 디지털 트윈을 국가 기술의 핵심으로 생각하고 기술의 발전을 도모 중이고, 국내에서도 대기업을 중심으로 그 크기를 점차 키워나가고 있다. 디지털 트윈의 기술 발전 단계는 총 5단계로 볼 수 있는데, 현재의 기술력으로는 3단계까지 진행되었다. 하지만 3단계까지의 기술 발전에도 현실감과 실감성이 저조하고, 가상세계에서 현실 세계를 제어하는 단계까지는 미치지 못했다. 따라서 본 연구에서는 현실과 가상의 객체를 동기화하여 실감형 시뮬레이션 및 원격제어를 통해 디지털 트윈의 양방향성을 확보한다. 디지털 트윈을 적용하기 위해서 초기에 디지털 트윈이 발현한 시점부터 현재까지 많은 연구가 진행되고 있는 생산 및 제조에 초점을 두어 빠질 수 없는 요소인 공작기계를 대상으로 했다. 공작기계의 종류는 여러 가지이지만 공간 활용도가 높아 대형 공작기계에 많이 사용되는 갠트리형 공작기계를 다루었다. 디지털 트윈 시스템의 가상세계를 제작하기 위해서 뛰어난 그래픽으로 현실감과 실감성을 높여줄 수 있는 게임엔진인 언리얼 엔진 4를 사용했다. 디지털 트윈 시스템의 데이터 통신을 위해서 아두이노를 기반으로 게이트 웨이를 제작했다. 현실 세계 속 데이터를 가상세계 속으로 가져오기 위해서 리니어 스케일을 사용했고, 가상 세계 속 데이터를 현실 세계 속으로 보내기 위해서 벡호프 사의 I/O 장치를 사용했다. 본 연구에서는 게임엔진을 기반으로 하여 제작한 현실 세계와 가상세계 디지털 트윈을 통해 다양한 이점과 가능성을 확인했다. 현실의 사물을 가상으로 복제하여 다양한 시뮬레이션을 통해 현실에서 발생할 수 있는 결함을 줄이고 장비의 고장, 사고 등을 예측하여 시간적, 비용적 절감 효과를 볼 수 있을 것으로 예상한다. 또한, 가상세계에서 현실 세계를 원격제어함으로써 위험한 현장에 인간이 직접 가지 않고도 현실 세계의 객체를 제어할 수 있고, 다양한 환경에 적용한다면 더 많은 방면에서 사용 가능할 것이다. 하지만 디지털 트윈 기술 발전을 위해서는 높은 수준의 투자가 필요하고 인프라 구축을 위해서 많은 기업과 산업이 동참해야 하는 필요성이 있어 현실적으로 어려움이 존재한다. 또한, 소프트웨어를 기반으로 하므로 데이터 보안에서도 문제가 있다. 이러한 문제들을 해결하고 보완한다면 디지털 트윈을 다방면에 적용하여 새로운 기술 및 산업에 발돋움할 수 있다. This study applied digital twin technology to a dual servo machine tool based on a game engine. As the era of the 4th industrial revolution approaches, the digitalization of industries has been promoted, and interest in digital twins has increased as technologies for digitalization have developed. A digital twin is a technology that replicates objects in the real world in a virtual environment and helps the interaction between the real and the virtual and can produce various systems such as monitoring systems, prediction systems, and remote control systems. Building a system that applies a digital twin can reduce time and costs. Overseas countries are already considering the digital twin as the core of national technology. They are seeking technological development, and domestically, it is gradually growing in size, centered on large corporations. The technological development stages of the digital twin can be seen in a total of 5 stages, and with the current technology, it has progressed to 3 stages. However, even with the technological development up to the third level, the sense of reality and reality was low, and it did not reach the stage of controlling the real world in the virtual world. Therefore, in this study, the interactive nature of the digital twin is secured through immersive simulation and remote control by synchronizing the real and virtual objects. In order to apply the digital twin, we focused on production and manufacturing, where much research has been conducted from when the digital twin first appeared to the present and targeted machine tools, which are indispensable elements. There are many machine tools, but we dealt with gantry-type machine tools that are often used in extensive machine tools because of their high space utilization. In order to create the virtual world of the digital twin system, Unreal Engine 4, a game engine that can enhance realism and sensibility with excellent graphics, was used. For data communication of the digital twin system, a gateway was created based on Arduino. A linear scale was used to bring data from the real world into the virtual world, and Beckhoff's I/O devices were used to send data from the virtual world to the real world. This study confirmed various benefits and possibilities through the digital twin of the real world and the virtual world created based on the game engine. It is expected that time, and cost savings can be achieved by virtually replicating real objects and reducing defects that may occur in reality through various simulations and predicting equipment failures and accidents. In addition, remotely controlling the real world in the virtual world makes it possible to control objects in the real world without a human being directly going to a dangerous site. If applied to various environments, it will be available in more ways. However, there are real difficulties as a high level of investment is required for developing digital twin technology and for many companies and industries to participate in infrastructure construction. In addition, since it is based on software, there is a problem with data security. If these problems are solved and supplemented, digital twins can be applied in various fields to advance into new technologies and industries.

적층제조된 STS 316L의 기계적 특성, 마찰마모 특성, 마찰부식 특성에 관한 초음파나노표면개질기술의 영향

노준석 선문대학교 일반대학원 2021 국내석사

금속 적층제조기술(Metal Additive Manufacturing)의 기술의 발전에 따라 여러 산업 분야에 적용 중이며 특히 정형외과, 치과 등 의료분야에서 세계적으로 생체의료부품의 생산을 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 본 연구의 목적은 적층제조된 STS 316L에 UNSM 표면처리를 적용하여 MoM 마찰마모 및 마찰부식에 대한 기초적인 특성을 확인하는 것을 목적으로 한다. 시편은 Selective Laser Melting (SLM) 공정을 사용하여 제작되었다. 제조된 시편에는 폴리싱, 초음파나노표면개질(UNSM), 가열 등 추가적인 표면처리를 수행한다. 표면처리 전후 시편의 표면 상태, 기계적 특성, 마찰마모 특성, 마찰부식 특성을 확인하기 위해 표면 측정 및 시험을 수행하고 비교분석한다. 결과적으로 UNSM 기술은 적층제조된 316L 시편의 기계적 특성 개선에는 유효한 결과를 보였으나 마찰마모 개선 효과는 부족하였다. 내마모성을 향상시키기 위해서는 표면 경도 증가와 파괴 인성(Fracture toughness)의 적절한 조합이 중요할 것으로 생각된다. 또한 부동태 피막 파괴 후 복원이 제한되고 접촉응력이 재료의 항복강도를 넘는 상황에서는 결정립 미세화와 미세 균열에 의해 오히려 부식 및 마찰부식을 가속시키는 현상에 대한 고려가 필요하다. 접촉응력 수준과 저전위 및 OCP 전위 조건에 따라 UNSM 표면처리 전후의 마찰마모 및 마찰부식의 메커니즘이 변화할 가능성이 있기 때문에 보다 실제품에 근사하고 재료의 항복강도를 고려한 접촉응력을 적용하여 추가적인 시험을 수행할 필요가 있다. 또한 UNSM 기술의 긍정적 및 부정적 영향을 모두 고려하여 공정조건을 최적화 및 기존 인공관절재료 (CoCr합급 등)의 대체가능성을 확인할 필요가 있다.

수분-에탄올 분사장치를 이용한 승용 디젤기관의 배출가스 저감에 관한 연구

김효중 호서대학교 일반대학원 2024 국내박사

환경 규제 강화와 대기 오염 문제의 심각성으로 인해 내연기관 차량의 배출가스 저감 기술이 절실히 요구되고 있다. 특히 디젤기관의 경우, 질소산화물(NOx) 과 입자상 물질(PM)이 주요 배출가스 오염원으로 작용하므로 이에 대한 효과적인 저감 방법이 필수적이다. 본 연구는 승용 디젤기관에서 에탄올 분사장치를 적용하여 배출가스 저감 가능성을 탐구하고, 다양한 에탄올 농도에서의 배출가스 성능을 분석하는 것을 목적으로 한다. 연구 대상은 B사의 승용디젤 직렬 6기통 엔진으로, 흡기 다기관에 에탄올 농도 30%, 50%, 70%, 100%를 분사하여 각 농도에서의 배기가스 변화를 측정하였 다. 에탄올 혼합에 따른 디젤 엔진의 출력 특성 및 배출가스 저감 효과를 정량적으로 분석하기 위하여, 차량동력계(Chassis dynamometer)가 구비된 시험장소에서 실험을 수행하였다. 엔진 출력(PS), 토크(kg·m)와 함께 주요 배출가스 성분인 CO, CO2, HC, NOx, PM 등을 동시에 측정할 수 있도록 실험하였다. 배출가스는 배기관에 장착된 실시간 분석기 및 여지식 필터를 통해 수집·분석 되었으며, 이를 통해 에탄올 농도 변화(EW0, EW30, EW50, EW70, EW100)가 연소 특성 및 환경오염물질 배출에 미치는 영향을 다각도로 평가할 수 있었다. 본 실험 결과, 디젤 엔진에 에탄올-수분 혼합 연료를 흡기다기관에 분사하여 출력과 배출가스 특성을 분석하였다. EW30(에탄올 30% + 물 70%) 조건에서 가 장 높은 출력과 토크를 기록하였으며, EW50 조건에서는 NOx 배출이 가장 낮게 나타났다. 특히 NOx는 에탄올 혼합비가 적절할 경우 디젤 대비 약 92.6% 저감 효과를 확인할 수 있었다. CO와 HC는 연소 불안정 시 일시적으로 증가하였으며, 고농도 에탄올이나 수분 단독 조건에서는 연소 불균형으로 인해 배출가스가 수치가 기준치를 초과하는 현상도 나타났다. 전반적으로 EW30과 EW50은 출력과 배출 저감을 동시에 달성한 최적 조건으로 평가되었으며, 에탄올 분사를 통해 디젤엔진의 NOx 저감 가능성을 확인할 수 있었다. 본 연구는 승용 디젤기관에 수분-에탄올 혼합 연료를 보조적으로 분사하는 시스템을 적용하여, 디젤 연료 대비 다양한 에탄올 농도 조건(EW0, EW30, EW50, EW70, EW100)에서의 배출가스 특성과 엔진 성능 변화를 실험적으로 분석하였 다. 흡기다기관에 독립된 분사장치를 통해 에탄올-수분 혼합 연료를 공급하고, 실제 주행조건을 차량동력계가 구비된 시험장소에서 시험을 수행하였다. 그 결과, 특정 혼합비(EW30, EW50)에서는 출력 및 토크 향상이 확인되었고, 동시에 NOx. CO2 등의 배출가스가 유의미하게 저감되는 효과가 나타났다. 특히 EW30 조건은 성능과 환경성 모두에서 균형이 우수한 최적 혼합비로 평가되었다. 이와 같은 수분-에탄올 보조분사 방식은 기존 디젤 연료를 기반으로 하면서도 후처리 장치 없이 배출가스를 줄일 수 있는 새로운 기술적 접근으로, 향후 강화 되는 디젤 엔진 배출가스 규제에 대응할 수 있는 실용적 기술 개발의 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. Due to the strengthening of emission regulations and the growing concerns over air pollution, the need for effective exhaust gas reduction technologies in internal combustion engine (ICE) vehicles is more urgent than ever. In particular, diesel engines are known to emit high levels of nitrogen oxides (NOₓ) and particulate matter (PM), both of which are major contributors to environmental pollution. This study aims to explore the possibility of reducing emissions from passenger diesel engines by applying an ethanol–water blend injection system and to analyze the emission performance at various ethanol concentration levels. The target engine is a six-cylinder inline passenger diesel engine manufactured by Company B. Ethanol–water blends with ethanol concentrations of 30%, 50%, 70%, and 100% were injected into the intake manifold, and the resulting exhaust gas characteristics were evaluated. The experiments were conducted using a chassis dynamometer equipped with real-time exhaust gas analyzers and filter-based PM collection systems. Simultaneous measurements of engine power (PS), torque (kg·m), and key exhaust gas components—CO, CO₂, HC, NOₓ, and PM—were taken under each test condition (EW0, EW30, EW50, EW70, EW100). The experimental results show that the ethanol–water blend injection significantly influenced both engine performance and emission characteristics. The EW30 condition (30% ethanol + 70% water) achieved the highest power and torque, while the EW50 condition exhibited the greatest NOₓ reduction. NOₓ emissions were significantly lower than those of conventional diesel combustion, especially under appropriately balanced ethanol–water mixtures. However, CO and HC emissions increased under certain conditions, particularly with high ethanol concentrations or water-only injection, due to combustion instability. Overall, EW30 and EW50 were identified as optimal conditions that achieved both improved performance and reduced emissions. This study experimentally demonstrated the potential of ethanol–water blend injection as an environmentally friendly solution for diesel engines. It offers a new approach to emission control strategies and can contribute to the development of next-generation clean diesel technologies in response to increasingly stringent emission regulations.depending on the temperature conditions that occur due to the characteristics of the catalyst. The efficiency of combustion is maximized by air supply with increased oxygen concentration by plasma filter action by installing a plasma system at the front of the intake. It was possible to minimize the exhaust gas generated during combustion and to reduce the soot. The emission gas characteristics of diesel fuel were analyzed by measuring in the KD147 mode using an emission gas analysis equipment and vehicle dynamometer equipment at the a domestic exhaust gas inspection test institution. As a result of applying the plasma, which is the core of this study, to the actual vehicle, the effect of reducing the emission harmful gas according to the operation of the plasma was confirmed. This study are expected to be used in basic research for the development of emission reduction technology for old diesel vehicles in the future.

강구조물 용접부의 피로강도 향상을 위한 휴대용 UNSM 장치 개발 및 평가

산성충호 선문대학교 일반대학원 2021 국내석사

본 연구의 목적은 휴대용 UNSM 기술의 실용화를 위해 출원중인 특허의 가압부재를 포함한 소형 경량화 장치를 개발하여 적용하고 평가하는 것이다. 가압부재는 정적하중을 최대한 일정하게 유지하는 기능을 하며 공압시스템을 응용하여 구현하였다. 장치 개발에 앞서 시제품을 통해 소형 경량화 가능성을 파악하고 공정변수 연구를 하였다. 개발된 장치는 한 명의 작업자가 어렵지 않게 사용할 수 있었다. 또한 작업자에게 전달되는 진동이 거의 없도록 진폭이 0인 부분을 고정하여 설계되어 장시간 사용하여도 무리가 없다. 표면에 압축잔류응력을 크게 유도하기 위해서는 높은 가압력이 요구되며 표면거칠기를 제어하기 위해서는 용접형상에 따른 볼팁의 형상이 더 중요하다. 휴대용 UNSM의 효과를 평가하기 위해 용접된 시편을 설계하여 초음파 피로시험을 진행하였다. 10^6 cycles에서 미처리시편의 피로강도가 휴대용 UNSM 처리 후 약 90MPa에서 160MPa로 향상되었다. 또한 휴대용 UNSM은 용접된 시편 표면에 압축잔류응력을 유도하여 피로균열발생(fatigue crack initiation, FCI) 지점을 표면에서 내부로 옮겼다. 평가 결과를 통해, 개발된 휴대용 UNSM 장치의 적용으로 실제 강구조물 용접부의 피로강도를 향상시킬 수 있을 것이라 기대한다. The purpose of this study is to develop and evaluate lightweight device with a pressure control system, which is in process to patent for practical use of portable UNSM. The pressure control system can provide a moderately static load, and it was implemented by applying the pneumatic system. Before developing of this device several lightweight possibilities were analyzed with prototypes and studied process variables. The developed device will be possible to using without difficulties by one operator. Only a negligible vibration is transmitted to the operator’s body, hence it is possible to operate the device for a long time. A high force is required to induce a high compressive residual stress at the surface layer. And to control surface roughness, the shape of the ball tip is more important depending on the weld geometry. To investigate the effectiveness of the portable UNSM, ultrasonic fatigue tests were performed on the welded specimens. The fatigue strength of the untreated specimen at 10^6 cycles was enhanced from about 90 MPa to 160 MPa after portable UNSM treatment. Moreover, portable UNSM induced a compressive residual stress, which changed the fatigue crack initiation (FCI) point from top surface to subsurface layer. Based on the evaluation result, it is expected that the application of the developed portable UNSM device enhances the fatigue strength of steel structures in various applications.