유체역학 실험 Report학과: 기계자동차공학부교수명:이름(학번):제출일: 20241028목 차I. 관마찰과 부차적 손실 및 유량측정 실험1. 관마찰과 부차적 손실 및 유량측정 실험 목적32. 관마찰과 부차적 손실 및 유량측정 실험 이론43. 관마찰과 부차적 손실 및 유량측정 실험 장치 및 방법54. 관마찰과 부차적 손실 및 유량측정 실험 결과 85. 관마찰과 부차적 손실 및 유량측정 실험 토의24II. 항력 측정 실험1. 항력 측정 실험 목적262. 항력 측정 실험 이론263. 항력 측정 실험 장치 및 방법285. 항력 측정 실험 결과 306. 항력 측정 실험 토의36I-(1) 관마찰과 부차적 손실 및 유량측정 실험 목적유체가 파이프 속을 흐르면 유체의 점성에 의한 마찰로 인하여 기계적 에너지의 일부가 열에너지로 바뀌며 이것을 마찰에 의한 손실이 발생했다고 표현한다. 이에 더해서 유체가 파이프를 이어주거나 유량을 조절하는 부속 장치를 통과할 때 추가적으로 손실이 발생하며 이를 부차적 손실이라고 부른다. 본 실험에서는 직선 원형관을 흐르는 물의 압력강하를 측정하여 마찰손실을 알아내고 이로부터 관마찰계수를 계산하여 레이놀즈수에 따른 관마찰계수의 변화를 이해하고 몇 가지 부속장치에서의 부차적 손실계수를 측정해보는데 목적이 있다.I-(2) 관마찰과 부차적 손실 및 유량측정 실험 이론(1) 관마찰에 의한 손실유체가 파이프 속을 흐를 때 상류측 지점 1과 하류측 지점 2 사이의 에너지 방정식은 다음과 같이 표현 할 수 있다.{p _{1}} over {gamma } + {V _{1}^{2}} over {2g} +z _{1} = {p _{2}} over {gamma } + {V _{2}^{2}} over {2g} +z _{2} +h _{L} (9.1)여기에서gamma 는 파이프 속을 흐르는 유체의 비중량, p는 압력(정압), V는 평균속력, z는 높이이고h _{L}는 손실수두로 일반적으로 관마찰에 의한 손실과 부차적 손실들의 합이다.파이프가 수평이고 직경이 일정하며 부차적~ ?의 과정을 반복한다.(A) 부차적 손실계수 측정실험? 관 입출구에 호스를 연결하고 보조 호스를 탭과 실험장치 중앙부에 있는 6 관 액주계 밸브에 연결한다.(탭, 액주계 좌측부터)? 입출구 유량조절 밸브(이하 수동)를 완전히 전개한 후에 펌프를 작동시키고 액주계 상단에 위치한 검은색 밸브를 개방하여 액주계 내부 기포를 완벽하 게 제거한다. 기포가 완전히 제거된 후 검은색 밸브와 유량조절 밸브를 차 단하고 펌프를 정지한다.③ 액주게 상단에 위치한 흰색 밸브를 개방하여 액주계의 1/3지점까지 영점을 조절하고 흰색 밸브를 차단한다? 펌프를 작동시키고 유량조절 밸브를 전개한 후 실험장치 우측 상단에 위치 한 유량계 내부 부표가 안정되어 일정한 높이를 유지하면 부표의 상단 모 서리를 중점으로 유량을 측정한다.? 탭과 연결된 액주계의 높이도 측정하여 기록한다.? 유량과 액주계의 높이 측정이 완료되면, 펌프를 정지시킨 후 출구 부분에 연결된 파란색 밸브를 개방하여 물과 기포를 제거하고, 밸브를 차단한다.⑦ 나머지 파이프에 대해서도 ? ~ ?의 과정을 반복한다.I-(4) 관마찰과 부차적 손실 및 유량측정 실험 결과(A) 파이프의 관마찰계수 측정실험압력차를rho TIMES g TIMES (h _{1} -h _{2} ) 식을 통해 계산을 해준다.파이프 관마찰 실험파이프 번호h _{1}(mm)h _{2}(mm)압력차(Pa)유량(L/H)?6*************6*************65520441400?8*************754152550400?*************06*************575530441500?56**************************0575495001) 각각의 파이프에 대하여 각 유량에서 레이놀즈수를 계산하고 측정한 압력차로부터 관마찰계수를 계산하여 Moody선도 위에 표시하라.파이프 2번 관마찰계수파이프 번호A(m ^{2})유량(m ^{3}/s)V(m/s)관마찰계수?0.00020.0003331.6653.17TIMES 10 ^{-2}{-2}4.48TIMES 10 ^{-2}3TIMES 10 ^{-2}6.12TIMES 10 ^{-2}3.58TIMES 10 ^{-2}(B) 부차적 손실계수 측정실험1) 각 장치에서 유량에 따르는 측정된 압력차로부터 부차적 손 실계수를 계산하라.부차적 손실계수 측정실험파이프 번호h _{1}(mm)h _{2}(mm)압력차(Pa)유량(L/H)?-a545555-98.11200555565-98.*************00?-b6*************6055059*************94.3500⑦-a*************605620-147.151000625630-49.05500⑦-b65*************3*************15580343.35500부차적 손실계수 측정실험파이프 번호h _{1}(mm)h _{2}(mm)압력차(Pa)유량(L/H)knee?-a285255294.*************.230025024098.1200Elbow?-b240220196.2400240225147.*************.1200Bend?-c1851**************************파이프 ?-a번파이프 번호입구A(m ^{2})출구A(m ^{2})유량(m ^{3}/s)입구V(m/s)?-a0.0002260.0006420.0003331.4730.0002260.0006420.0002781.230.0002260.0006420.0001390.615K _{L} `=` {2(p _{1} -p _{2} )} over {rho V ^{`2}} + {V _{1}^{2} -V _{2}^{2}} over {V ^{2}} 식을 이용해K _{L}을 구한다파이프 ?-a번파이프 번호출구V(m/s)K _{L}?-a0.5190.7850.4330.7460.2170.876파이프 ?-b번파이프 번호입구A(m ^{2})출구A(m ^{2})유량(m ^{3}/s)입구V(m/s)?-b0.0006420.0002260.0003330.5190.0006420.0002260.0002780.4330.0006420.손실계수를 구하였고 부차적 손실계수가 유량이 작아질수록 값이 커지는 경향이 거의 모든 결과에서 나타났다. 원래 부차적 손실이란 부품의 형상에 의해 결정이 되기 때문에 매우 큰 Re값에서는 부차적 손실계수가 유량과 관계없이 일정하여 상수로 취급하여 사용하지만, 우리가 실험한 경우는 매우 큰 Re 수라고는 보기 힘들다. 그렇기에 유량이 감소하면 Re 수가 감소하고 그에 따라 관 부품과의 마찰이 더 많아지며 유체의 점성력이 비교적 더 크게 작용하므로 부차적 손실계수가 늘어났다고 볼 수 있고 실험장비의 노후화로 추가적인 마찰이 발생하였을 수도 있다.이론적인K _{L} 값과 실험값을 비교를 해보면6, 7번 파이프는K _{L} =(1- {A _{1}} over {A _{2}} ) ^{2}을 통해K _{L} 값을 구할 수 있고 또 ?-A, B, C의 이론적인 값은 각각 1.0~1.5, 0.7~1.2, 0.2~0.6이며 6, 7번 파이프는 모두 입구 출구 직경이 같기 때문에 값을 구해보면K _{L}(입구)=0.418,K _{L}(출구)=3.35 가 나오게 된다.그런데 6, 7번 파이프 실험 결과 결괏값은K _{L} `=` {2(p _{1} -p _{2} )} over {rho V ^{`2}} + {V _{1}^{2} -V _{2}^{2}} over {V ^{2}} 이 식을 통해K _{L}을 구하는 것이며 분모에 있는 V 값은 아무 값을 넣어도 관계없지만 큰 값을 넣는 것이 보편적이라고 하였다. 하지만 6, 7번 파이프의 (b) 부분에 속도가 빠른 V를 넣어K _{L} 값을 구하면 6번 파이프는 0.435, 0.42, 2.09 이렇게 나오게 되고 7번 파이프는 0.616, 0.55, 0.94라는 결과가 나와서 아무리 실험이라지만 오차가 너무나도 큰 결과가 나오게 되어서 느린 V를 넣어도 상관없다고 하였기에 넣어 보았더니 앞에 표에 작성한 값처럼 나오게 되었고 실험 오차로 허용할 수 있는 값들이 나왔다.V _{1} 과`V _{2} 값이 차이가 크게 날 경우 결괏값의 차이가 이렇 항력계수는 레이놀즈수와 표면의 상대조도 그리고 마하수의 함수로 알려져 있으나, 마하수가 비교적 작은 경우에는 (보통 0.3 이하) 마하수의 영향을 무시한다. 한편, 제한된 단면적을 가지는 풍동에서 직경이 큰 원통과 같은 모형의 실험을 할 경우에는 모형 때문에 실질적인 유동단면적이 감소하게 되므로 이 영향을 고려하여야 한다. 이를 보정하기 위해서 보통 풍동 내에서의 유속에 보정계수를 곱한 값을 상류 유입속도로 간주하는 방법이 사용되고 있다. 보정된 속도는 다음의 식을 사용하여 구한다.{U} over {{hat{U}}} =1+ {1} over {4} {hat{C}} _{D} {d} over {h} `+`0.082( {d} over {h} ) ^{2} (9.11) 여기에서{hat{U}} : 보정되지 않은 상류 유입속도U : 보정된 상류 유입속도{hat{C _{D}}} : 보정되지 않은 상류 유입속도를 사용하여 계산된 항력계수d : 모형의 직경h : 풍동 단면의 높이(1) 원통(Circular Cylinder) 주위의 유동점성이 무시되는 이상유체의 경우에는 원통 전후의 압력이 대칭이 되므로 항력이 발생되지 않으나, 실제 유체의 경우에는 경계층의 박리(separation)이 일어나게 되어 후류가 형성되고 원통의 뒤쪽 압력이 상대적으로 낮아져서 큰 항력이 발생하게 된다. 그러나 원통의 압력은 위와 아래가 대칭이므로 양력이 발생하지 않는다.(2) 익형(airfoil) 주위의 유동익형은 일반적으로 얇으므로 익형 표면에 작용하는 압력에 의한 힘은 익현(chord)과 날개길이(span)으로 이루어진 평판에 작용한다고 근사적으로 생각할 수 있다. 따라서 익형 주위의 압력을 측정하면 쉽게 근사적인 항력과 양력을 구할 수 있다. 익형의 양력계수의 정의에는 특성면적으로 평면면적 A = 익현길이(chord length)TIMES 날개길이(span length)를 사용하고 항력계수의 정의에서는 전면면적 A = 익현길이(chord length)TIMES 날개두께(width)를 사용한다. 하라
열 공학 실험 Report학과: 기계자동차공학부교수명:이름(학번):제출일: 2024.09.30목 차I. 열전도계수 측정 실험1. 열전도계수 측정 실험 목적42. 열전도계수 측정 실험 이론83. 열전도게수 측정 실험 결과104. 토의 및 문제점11II. 단일 원통 및 관군 주위의 직교유동 대류열전달 실험1. 단일 원통 및 관군 주위의 직교유동 대류열전달 실험 목적122. 단일 원통 및 관군 주위의 직교유동 대류열전달 실험 결과233. 요약 및 토의24III. 이중관식 열교환기의 열전달 실험1. 이중관식 열교환기의 열전달 실험 목적262. 이중관식 열교환기의 열전달 실험 결과273. 요약 및 토의32II-(1) 열전도도 실험 목적정상상태에서 고체시편에 대한 열전도 계수를 측정하여 열전도에 관한 기본적인 사항을 이해하고, 동시에 열유동률의 측정에 대한 기본적인 방법을 익힌다.I-(2) 열전도도 실험 이론하나의 물질에서나 두 물질 사이에서 온도차가 존재하면 반드시 열전달이 일어난다. 고체나 유체의 정지하고 있는 매질 내에 온도구배가 존재할 때, 그 매질을 통하여 발생되는 열전달을 전도(Conduction)이라 하고 표면과 이와 다른 온도를 가지고 운동하고 있는 유체사이에서 발생되는 열전달을 대류(Convection)이라 한다.[그림 2]는 분자활동에 의한 에너지의 확산과 전도 열전달의 관계를 나타낸 것이다. 열전달 과정은 적당한 비율방정식을 나타낼 수 있으며 이 방정식은 단위시간당 전달된 에너지의 양을 계산하는데 사용될 수 있다. 열전도에 대한 비율 방정식은 Fourier법칙(Fourier’s Low)으로 알려져 있다. 온도분포 T(x)을 가지는 1차원 평면벽에 대한 비율방정식은 다음과 같이 표현된다.열유속(Heat Flux)q _{x}^{````` '' }은 전달방향에 수직인 단위면적당 x방향으로의 열전달률이며, 이 방향으로의 온도구배 dT/dx에 비례한다.비례상수 k는 열전도율(Thermal Conductivity)라 하며 이 값이 음(-)의 부호 일 때 열이 고S 1.53 TIMES 10 ^{-4} TIMES 24.08} over {0.04} =35.09 라는 결과를 얻을 수 있다.그 다음q _{x} =k _{0} (1+ alpha {T _{3} +T _{4}} over {2} ) TIMES A _{x} TIMES {T _{3} -T _{4}} over {L _{x}} =400(1+0.0004 {T _{3} +T _{4}} over {2} ) TIMES 1.53 TIMES 10 ^{-4}TIMES {24.08} over {0.04}의 결과 값이 위의 식의 결과를 통해 35.09임을 알 수 있고 이 식을 정리 하게 되면T _{3} +T _{4} = 137.5℃ 로 정리를 할 수 있고 위의 식T _{3} -T _{4}=24.08 과 연립을 하게 되면T _{3} =80.75℃,T _{4} =`56.75℃ 임을 알 수 있다.14PI 온도 구배 곡선온도℃I-(3) 토의 및 문제점우선 이 실험의 목적은 Fourier 열전도 법칙q=-k {dT} over {dx}를 바탕으로 직경이 서로 다른 같은 종류의 시편을 시편의 임의의 중간 온도가 주어지지 않았을 때q`=`k _{av} BULLET A BULLET {TRIANGLE t} over {L} ` 이 식과q _{x} =k _{0} (1+ alpha {T _{3} +T _{4}} over {2} ) TIMES A _{x} TIMES {T _{3} -T _{4}} over {L _{x}} 이 식을이용하여 q 값이 서로 같다는 것을 이용하여 온도값을 구하는 것이라고 볼 수 있다. 우선 이 식을 사용하기 위해서 k 값을 정확하게 알아야 했었고 그러기 위해서는 온도를 알아야 한다. 직경 25인 시편은 63.3도의 온도가 주어졌지만 직경 14인 시편은 온도가 주어져있지 않아 정확한 k 값이 무엇인지 알기 힘들었지만 구리는 온도가 변하여도 k 값이 크게 변하지 않는 특징이 있어서 임의의 값으로 정하여서 계산을 진행하였고, 오차 원인에 대해 생각을 해보면 직경이 25인 시편을 측정하는 준비를 기 열전달율, W22.227.127.1가열기 열유속, W/m ^{2}8950.610934.110934.1평균 열전달계수, h140.2172.7170.7최대 공기유속U _{max}16.423.228.4최대 Re 수,Re _{max}16788.323756.129107.3평균Nusselt수,NU u _{d}77.394.3106.0관군2열가열기 열전달율, W27.129.829.8가열기 열유속, W/m ^{2}10934.112000.212000.2평균 열전달계수, h171.8186.8187.7최대 공기유속U _{max}16.423.228.4최대 Re 수,Re _{max}16793.923754.129117.0평균Nusselt수,NU u _{d}75.492.9104.9관군3열가열기 열전달율, W35.441.641.6가열기 열유속, W/m ^{2}14281.316760.716760.7평균 열전달계수, h227.6262.9263.3최대 공기유속U _{max}16.423.228.4최대 Re 수,Re _{max}16788.323762.029102.4평균Nusselt수,NU u _{d}86.2106.1119.9관군4열가열기 열전달율, W35.441.641.6가열기 열유속, W/m ^{2}14281.316760.716760.7평균 열전달계수, h221.9270.1266.7최대 공기유속U _{max}16.423.228.4최대 Re 수,Re _{max}16788.323762.029102.4평균Nusselt수,NU u _{d}96.9119.4134.8관군5열가열기 열전달율, W38.541.641.6가열기 열유속, W/m ^{2}15496.216760.716760.7평균 열전달계수, h244.0265.6267.5최대 공기유속U _{max}16.423.228.4최대 Re 수,Re _{max}16792.523771.929102.4평균Nusselt수,NU u _{d}99.1122.1137.8관군6열가열기 열전달율, W38.541.638.5가열기 열유속, W/m ^{2}15496.216760.71ULLET 0.7296 ^{0.36} BULLET ( {0.7296} over {0.7132} ) ^{1/4}정리를 하게 되면147.8108`=C BULLET 23771.923 ^{m}이 되고 두 식을 연립해서 C와 m을 구하면 C는 0.3494, m은 0.6002가 나오게 된다.우리가 이론적으로 구할 때 사용했던 (8.26) 식과 비교를 하게 되면 (8.26)식에서 C를 0.35, m을 0.60을 대입을 해서 결과 값을 구했는데 실험 결과 값을 이용해 (8.25)식에 대입을 하여 C와 m을 구하는 과정을 생각해보면 (8.26)식을 통해 구한 여러 데이터 값을 (8.25)식에 대입을 하여 C와 m을 구한 것이기 때문에 C와 m값은 일치 할 수밖에 없다는 사실을 도출해 낼 수 있다.II-(3) 토의 및 문제점실험결과를 차례대로 살펴보면 (1)에서는 단일관의 경우의 열전달 계수 h를 구하고 Re수를 차례대로 구한다음 h-Re 관계를 그래프로 나타내었는데 흡기 압력이 높아질수록 Re수와 h의 값이 증가하는데 그 이유에 대해 말해보자면Re 수를 구하는 식은Re=` {rho ` BULLET U _{INF } BULLET d} over {mu } 이다. 이때 흡기 압력이 높아지면 밀도가 증가 하게 될뿐만 아니라 유체의 속도도 증가 할 것이기 때문에 Re수가 증가하게 될 것이다. 열전달 계수 h도 구하는 식을 보면h`=` {NU u BULLET k} over {D}인데 Nu 수는 Re와 Pr 수와 연관이 되어있다는 사실을 이론에서 알 수 있고 Re수는 증가한다고 앞에서 언급하였으므로 h도 값이 증가하는 것이 당연하다는 것을 알 수 있기에 정상적으로 실험을 하였다고 볼 수 있다.또 (8.21)식과 (8.22)식의 Nu값을 비교를 해보면 차이가 꽤나 난다는 사실을 알 수 있는데 (8.22)식은 Re수가4 BULLET 10 ^{3} SIM 4 BULLET 10 ^{4} 사이의 경우에서 적용을 할 수 있다고 하였고 실험 결과를 보면 Re수가 범위 사이이므로 (8.22) 식이 보다5.94546.652.1냉수 입구온도(T7)27.227.23235냉수 중간온도(Tmid)30.129.130.331.9냉수 출구온도(T0)33.331.427.127.1온수 체적유동율{dot{V}} _{h``} (l/min)2224온수 질량유동율{dot{m}} _{h``} (kg/s)0.03320.03320.03320.0664온수 평균 온도T _{mh}( CENTIGRADE )49.0649.751.7355.16T _{mh}에서 비열 Cp(kJ/kg BULLET K)4.1824.1824.1824.182T _{mh}에서 밀도rho (kg/m ^{3} )988988988987T _{mh}에서 열전도계수 K (W/mK)0.6430.6420.6410.638T _{mh}에서 점성muN BULLET S/m ^{2}0.544 TIMES 10 ^{-3}0.544 TIMES 10 ^{-3}0.533 TIMES 10 ^{-3}0.515 TIMES 10 ^{-3}T _{mh}에서 Pr 수3.793.793.513.48T _{mh}에서 Re 수97149714978519750T _{mh}에서 Nu 수22.85230.87532.49435.885냉수 체적유동율{dot{V}} _{l``} (l/min)2444냉수 질량유동율{dot{m}} _{l``} (kg/s)0.03320.06640.06640.0664냉수 평균 온도T _{ml}( CENTIGRADE )30.229.329.831.3T _{ml}에서 비열 Cp(kJ/kg BULLET K)4.184.184.184.18T _{ml}에서 밀도rho (kg/m ^{3} )995997996994T _{ml}에서 열전도계수 K (W/mK)0.6090.6050.6050.608T _{ml}에서 점성mu N BULLET S/m ^{2}0.797 TIMES 10 ^{-3}0.797 TIMES 10 ^{-3}0.797 TIMES 10 ^{-3}0.797 TIMES 10 ^{-3}T _{ml}에서 Pr 수5.475.515.515.48T _{ml}에서 Re 수2716.겠다.
재료역학 시험 Report학과: 기계자동차공학부교수명:분반 : 1분반이름(학번):제출일: 2024.11.18목 차I. 트러스 실험1. 트러스 실험 목적42. 트러스 실험 이론43. 트러스 실험장치 및 방법64. 트러스 실험 결과의 정리75. 트러스 실험 토의10II. 박벽원통 실험1. 박벽원통 실험 목적112. 박벽원통 실험 이론113. 박벽원통 실험장치 및 방법124. 박벽원통 실험 결과의 정리145. 박벽원통 실험 토의18목 차III. 부정정보 실험1. 부정정보 실험 목적192. 부정정보 실험 이론193. 부정정보 실험장치 및 방법214. 부정정보 실험 결과의 정리235. 부정정보 실험 토의30IV.전기저항 스트레인지게이지 시험1. 전기저항 스트레인게이지 실험 목적312. 전기저항 스트레인게이지 실험 이론313. 전기저항 스트레인게이지 실험장치 및 방법354. 전기저항 스트레인게이지 실험 결과의 정리395. 전기저항 스트레인게이지 실험 토의45I-(1) 트러스 실험 목적교량, 크레인 및 지붕 골조 등 일상에서 흔히 접하게 되는 트러스 구조물(지붕트러스)에 대하여 알아보고, 그 구조를 이루는 각 부재들이 하중에 의해서 발생하는 변형률을 측정한다. 측정된 변형률로부터 각 부재가 받는 하중을 계산하고 이론값과 비교한다.I-(2) 트러스 실험 이론- 지붕 트러스 (Roof Truss)그림과 같은 지붕트러스의 각 부재에 걸리는 힘은 정역학에서 배운 조인트법을 사용하여 구할 수 있다. 본 실험에서는 지붕트러스에서W _{1},W _{2} 하중이 작용하는 경우 각 부재의 힘을 측정하고 이론값과 비교한다.W _{1}W _{2} 가 작용할 때 각 부재에 작용하는 힘을 정리하면 아래 표 6.3과 같다. 또한 각 부재의 재질은 각(탄성계수 E=209 GPa)이고 직경은 5.98mm(A=28.09mm ^{2})이다. 따라서 각 부재의 변형률(epsilon )을 측정하면 부재에 작용하는 하중 F는F= sigma A=E epsilon A 식으로 간단히 계산할 수 있다.부재W _{1}탄성 계수를 양끝이 열린 상태에서 구하고, 양끝이 막힌 조건에서 평면응력상태의 변형도 및 응력을 구하여 이론치와 비교한다. 또한 평면응력 상태에서 측정 각도에 따른 변형율 변화를 Mohr원을 통해 고찰한다.II-(2) 박벽원통 실험 이론(1) 양끝이 열린 경우원주방향(hoop stress)과 축방향 응력은sigma _{theta } = {pd} over {2t} ,`` sigma _{z} `=`0` (6.1)여기서 p, d, t는 각각 내압, 원통의 지름, 두께이다.반경방향 응력sigma _{r}은 원통 내면에서는 ?p, 외면에서는 0이다. 그리고, 원통의 지름이 두께에 비하여 아주 크면 두께는 얇으므로 ({d} over {t} >> 1),sigma _{r}은sigma _{theta }에 비하여 충분히 작아져 무시할 만하다. 스트레인은 Hook의 법칙에 따라서epsilon _{theta } = {1} over {E} ( sigma _{theta } - nu sigma _{z} )= {1} over {2} {pd} over {Et},epsilon _{z} = {1} over {E} ( sigma _{z} - nu sigma _{theta } )=- {nu } over {2} {pd} over {Et} (6.2)여기서 E는 탄성계수이고,nu 는 Poisson 비이다. 식(6.2)epsilon _{z}과epsilon _{theta }로 나누면nu 는 다음과 같이 표기된다.nu =- {epsilon _{z}} over {epsilon _{theta }} (6.3)(2) 양끝이 막힌 경우원주방향과 축방향 응력은 식 (6.4)와 같이 표현되며,sigma _{theta } = {pd} over {2t} ,`` sigma _{z} `=` {pd} over {4t} (6.4) 스트레인은 식 (6.5)와 같다.epsilon _{theta } = {1} over {E} ( sigma _{theta } - nu sigma _{z} )=( {1} over {2} - {nu } ove변형률을 이용하여 Mohr원을 한 곳에 그려서 비교를 해보았는데 모든 내압의 경우에 대해 실험값이 이론값보다 크다는 사실을 알 수 있었다. 그 이유에 대해 생각해보면 우선 이론값을 통해 구한 값은 재료가 선형적이고 탄성적이라고 가정을 하지만 실제 실험을 할 때 재료는 비선형적이거나 소성변형이 일어날 수가 있다고 볼 수 있기 때문이다. 또한 내압이 높아지면 재료가 더 쉽게 변형되기가 쉽기에 내압이 높아짐에 따라 값이 커진다는 사실도 알 수 있다.실험 결괏값이 실험 장치의 노후화에 의해 실제 값과 달라질 수도 있지만 주변 환경 등에 의해 실제 값과는 다를 수가 있으므로 반복 실험을 통해 실험 결과의 정확도를 높이면 더 높은 신뢰도를 가지는 실험 결과를 도출할 수 있을 것이다.III-(1) 부정정보 실험 목적부정정보로 사용되는 양단고정, 일단고정-일단단순지지 및 연속보의 지지점에서의 반력과 하중 작용점에서의 처짐을 구하고 이론값과 비교한다.III-(2) 부정정보 실험 이론(1) 양단고정보아래 그림은 양단고정보의 왼쪽 고정단으로부터 A 거리에 하중 W가 작용하는 경우를 나타낸다.양단지지점에서의 반력과 반력모멘트는 그림에 표시되어 있고 하중 작용점에서의 처짐delta 는delta `= {WA ^{3} B ^{3}} over {3EIL ^{3}} ```(6.6) 이다.(2) 일단고정-일단단순지지보아래 그림은 일단고정-일단단순지지보의 고정단으로부터 A 거리에 하중 W가 작용하는 경우를 나타낸다.양단의 지지점에서의 반력과 반력모멘트는 그림에 표시되어 있고 반력 표시식 중 M은 고정단의 반력모멘트, 즉M _{A} = {WAB(3L+B)} over {2L ^{2}}이다.하중 작용점에서의 처짐delta 는delta = {WA ^{3} B ^{2} (3L+B)} over {12EIL ^{3}} ```(6.7)이다.III-(3) 부정정보 실험 방법(1) 실험장치- 하중지시계(ⓐ) : 지지점의 반력을 디스플레이함.- 로드셀지지대(ⓑ) : 고정단과 나이프에지(knife edge) 지지대.76280.13720.2514.39040.50960.2883.84161.05840.2823.17521.72480.2452.452.450.1881.72483.17520.1231.05843.84160.0630.50964.39040.0180.13724.7628일단고정-일단단순지지보의 이론 값MARARB0.16764.828950.071050.28224.62560.27440.34994.304650.595350.37633.88081.01920.36753.368751.531250.32932.78322.11680.26752.138852.761150.18821.45043.44960.09700.732554.16745III-(5) 부정정보 실험 토의양단고정보와 일단고정-일단단순지지보 두 가지의 경우에 대해 실험하였고 그래프를 앞에서 나타내보았더니 실험값과 이론값이 실험 오차라고 볼 수 있을 정도의 값 오차가 나타났으므로 실험을 성공적으로 했다고 볼 수 있다. 하지만 이러한 값 오차가 발생하는 이유가 무엇인지 생각해본다면 일단 이론적인 식으로 구한 값은 계산과정에서 탄성계수와 재료의 특성이 항상 일정하다고 가정을 하고 계산을 하지만 실제 실험에서는 재료가 반복적으로 실험이 되었기에 보이지 않는 불균일성과 변형 등이 발생하였을 수도 있고 그에 따른 값 오차가 발생하였을 수도 있으며 외부 환경에 따라 값이 달라질 수도 있다. 그리고 처짐 이론값을 구하는데 가장 큰 오차를 발생하게 한 것이 있는데 그것은 바로 보의 탄성계수이다. 보의 탄성계수가 정확하게 얼마인지 알 수 없어서 보편적으로 사용되는 알루미늄 보의 탄성계수 75GPa를 넣어서 값의 오차가 발생했을 가능성도 매우 크다.R _{B} 값을 살펴보면 A가 0.04m인 경우 이론값을 통해 구한 경우 두 경우 모두 특정 값을 가지지만 실험을 통해 구한 값은 모두 0이라는 것을 확인할 수 있는데 이 값이 의미하는 것은 고정단에 반력이 존재하지 않는다는 것이다. 측정 장비가 민감하지 않아 값이 존재하여도 안 나왔을 수도 있지만 그래도 보 풀(full) 브리지라고 한다. 쿼터브리지의 경우 출력 전압V _{o}는 게이지 1의 스트레인이+ epsilon 이면 나머지 고정저항들의 저항변화는 없으므로 식(6.17)에 의해 다음과 같다.V _{o} = {V _{i} S _{g}} over {4} epsilon `(6.18) 하프 브리지 (b)의 경우epsilon _{1} = epsilon _{4} = epsilon , 즉 모두 인장이면 출력 전압은 다음과 같다.V _{o} = {V _{i} S _{g}} over {2} epsilon `(6.19) 하프브리지 (c)의 경우epsilon _{1} = epsilon ,` epsilon _{3} =- epsilon , 즉 1번 인장, 3번 압축이면 출력전압은 다음과 같다.V _{o} = {V _{i} S _{g}} over {2} epsilon `(6.20)풀브리지의 경우epsilon _{1} = epsilon _{4} = epsilon ,` epsilon _{2} = epsilon _{3} =- epsilon `, 즉 1번과 4번은 인장 2번과 3번은 압축이면 출력전압은 다음과 같다.V _{o} =V _{i} S _{g} epsilon `(6.21) 위 식들로부터 같은 스트레인일 때 풀 브리지는 쿼터브리지의 4배의 출력전압이 발생한다. 따라서 하중 측정을 위한 로드셀 등에는 풀브리지를 활용한다.IV-(3) 전기저항 스트레인게이지 실험 방법(1) 실험장치[그림 6.10]은 인장(ⓐ), 굽힘(ⓑ) 및 비틀림(ⓒ)에 의한 스트레인 측정 실험 장치를 나타낸다.[그림 6.11]은 스트레인게이지 회로 선택(ⓐ), 회로 0점 조정(ⓑ), 게이지 팩터 조절(ⓒ) 및 스트레인과 출력 전압 표시(ⓓ) 등의 기능을 가진 스트레인 디스플레이를 나타낸다. 브리지회로 입력전압(V _{i})는 5V 이다.(2) 굽힘 실험① 외팔보 단면의 치수를 측정한다.② 스트레인게이지 연결 케이블을 굽힘시스템([그림 6.10]ⓑ)의 출력 소켓에 연결한다.③ 연결 케이블의 빨간색 플러그(인장)와 더
자동제어 실험 Report학과: 기계자동차공학부교수명:이름(학번):제출일: 20241209목 차I. 통합(Intergration)1. 통합 실험 배경 이론32. 통합 실험 실습4II. 필터링(Filtering)1. 필터링 실험 배경 이론262. 필터링 실험 실습26III. 제1원리 모델링(First Principle Modeling)1. 제1원리 모델링 실험 배경 이론32. 제1원리 모델링 실험 실습4IV. 2차 시스템(Second-Order Systems)1. 2차 시스템 실험 배경 이론262. 2차 시스템 실험 실습26I-(1) 통합 실험 배경 이론I-(1)-1. QUARC 소프트웨어는 QUBE-Servo 2 시스템의 하드웨어와 상호작용하는데 Simulink 와 같이 사용된다. QUARC은 DC 모터를 구동하고 디스크의 각도 위치를 읽는데 사용된다.QUBE-Servo 2 하드웨어와 상호 작용하기 위해 QUARC와 함께 Simulink 모델을 작성하는 기본 단계는 다음과 같다.1) QUARC Targets library로부터 블록을 사용하여 설치된 데이터 수집 장치와 상호 작용하는 Simulink 모델을 만든다.2) 실시간 코드를 빌드(Build) 한다.3) 코드를 실행(Run) 한다.ATT QUARC 문서 및 데모를 엑세스하려면 Matlab에 doc(명령어) quarc를 입력한다.I-(1)-2. DC 모터직류 모터는 다양한 용도로 사용된다. QUBE-Servo 2 사용자 매뉴얼에서 언급된 것처럼 QUBE-Servo 2에는 PWM 증폭기에 연결된 브러쉬 DC 모터가 포함되어 있다. 자세한 내용은 QUBE-Servo 2 사용자 설명서를 참조하기 바란다.I-(1)-3. Encoders회전식 전위차계와 마찬가지로 엔코더를 사용하여 각도 위치를 측정할 수도 있다. 이 엔코더에는 많은 종류가 잇지만 가장 일반적인 것 중 하나는 [그림 1.1]에 표시된 회전 증분 광학 엔코더이다. 포텐셔미터와 달리 엔코더는 상대적이다. 엔코더가 측정하는 각도는 마지막 위치와 마지막으로 참조)을 선택한다. 모델이 컴파일 되는 동안 Matlab 명령 윈도우에 다양한 라인이 표시되어야 한다. 이것은 일반적으로 QUARC 컨트롤러(제어기)로서 참조(호출)하는 QUARC의 실행 파일(.exe)을 작성하게 된다.11) B-1.1 QUARC 컨트롤러를 실행한다. 이렇게 하려면, 먼저 [그림 1.10]에 표시된 Simulink 모델 도구 모음으로 이동하여 대상에 Connect to target 아이콘을 클릭한 다음 Run(실행) 아이콘을 클릭해야 한다. 또한, QUARC / Start ([그림 1.9] 참조)을 눌러 코드를 실행할 수도 있다. [그림 1.11]과 같이 QUBE-Servo 2 (또는 DAQ 카드)의 전원 LED가 빨간색에서 녹색으로 바뀐다.B-1.1 실험 절차가 올바르게 수행된 경우 QUARC 제어기를 실행할 때 오류가 없어야한다. Connect to target 및 Run 아이콘을 연속으로 클릭하고 실행하여, 상태 LED 스트립이 빨간색에서 녹색으로 바뀌었다면, 실험이 정상적으로 이루어진 것으로 확인할 수 있다.12) 오류없이 QUARC 컨트롤러를 성공저긍로 실행한 경우 도구 모음에서 중지 단추를 클릭하여 코드를 중지할 수 있다.(또는, QUARC/ Stop 으로 이동)I-(2)-2 엔코더 읽기엔코더를 읽기 위하여 다음 단계를 따른다.1) 이전 섹션의 QUBE-Servo 2 용으로 구성한 Simulink 모델을 사용하여 [그림1.12]와 같이 QUARC 라이브러리 브라우저의 QUARC Targets / Data Acquisiton / Generic / Timebases 카테고리에서 HIL Read Encoder 블록을 추가한다.2) HIL Read Encoder를 [그림 1.13]과 같이 Gain 과 Display 블록에 연결한다. Gain 과 Display 블록은 Simulink 라이브러리 창에서 Simulink / Sinks 로부터 Display block 과 Simulink / Math Operations에서 Gain(이득) blo Simulink / Sources 폴더에 있는 Constant 블록을 찾아서 Simulink 모델에 추가한다. [그림 1.15]와 같이 Constant 와 HIL Write Analog 블록을 연결한다.참고 : [그림 1.15]의 Simulink 모델에 [그림 1.16]과 같이 Stall Detection 블록의 일부인 Stall Monitor 블록을 포함하는 것이 좋다.이 블록은 DC모터에 인가된 전압과 속도가 멈추지 않도록 모니터링 한다.+- 5V 이상의 인가전압으로 20초 이상 움직이지 않으면, QUBE-Servo 2 가 과열되거나 모터가 손상될 수 있기 떄문에 시뮬레이션이 중지된다. [그림 1.17]은 스톨 감지 서브시스템을 나타낸다. 이와 같이 직접 구성하거나 기작성된 모델(Integration_1_2_3 slx)을 불러오기 한다.3) B-1.7 Step 2)의 QUARC 컨트롤러를 빌드하고 실행한다.B-1.7 위디스크가 회전하고 있다면, 실험이 정상적으로 수행되었음을 의미한다.4) A-1.8 Constant 블록을 0.5로 설정한다. 이것은 QUBE-Servo 2의 DC모터에 0.5V를 인가함을 의미한다. 양의 신호가 적용될 때 양의 측정값이 얻어지고 있는지 확인한다. 이 규칙은 특히 제어 시스템에서 양의 압력이 가해졌을 떄 측정이 양으로 상승한다고 가정할 때 중요하다. 마지막으로 양(또는 음)의 압력이 적용될 떄 디스크가 어떤 방향으로 회전(시계 방향 또는 반 시계 방향) 하는가?양의 입력이 적용 될 때 디스크가 시계방향이며, 음의 입력이 적용 될 때 반시계 방향이다.5) A-1.9 위 Step 4)의 Simulink 모델을 [그림 1.18]과 같이 직접 수정하거나 기 작성된 모델(Integration_1_2_4.slx)을 불러오기 한다. Constant 블록의 입력 전압을 0~0.3V로 변환시키면서 입력 전압에 따른 모터의 회전속도를 측정한다. 그리고 모터의 구동 전압과 회전속도와의 관계 그래프를 나타내고 고찰하시오. 모터는 어떤 입력 전압의 다이어그램을 올바르게 구축하고 QUARC 컨트롤러를 실행한 경우라면, [그림 2.5]와 비슷한 응답을 얻어야 한다.아래는 실험을 통해 얻은 그래프를 찍은 사진이다.5) A-2.3 엔코더 기반 측정에 왜 잡음이 있는지 설명하라.힌트: [그림 2.6]과 같이 새로운 Scope를 사용하여 엔코더 위치 측정 그래프를 획득한다. 그리고 위치 응답을 확대하여 그래프를 획득하고 관찰한다. 신호가 연속인가? 이러한 현상에 대하여 고찰한다.위의 사진에 나와있는 곳에 Scope를 연결하여 그래프를 확인하니 다음과 같았다. 신호가 잡음 비교적 깔끔하게 나온다는 사실을 볼 수 있고 미분(Derivative)를 하고 잡음이 크게 발생한다는 사실을 알 수 있는데 그 이유는 엔코더 신호의 불연속적인 신호를 가지고 있기도 하고 잡음을 일부 가지고 있는데 이러한 신호에 미분하게 되면 신호가 급격하게 변화하기 때문에 고주파 성분이 증폭되기 때문이다.6) 일부 고주파 요소를 제거하는 한 가지 방법은 미분 출력에 저역 통과 필터(LPF-LOW-Pass Filter)를 추가하는 것이다. Simulink / Continuous Simulink 라이브러리에서 Derivative 출력 뒤에 Transfer Fcn 블록을 추가하고 LPF를 Scope에 연결한다. [그림 2.7]과 같이 Transfer Fcn 블록을 50/(s+50)으로 설정한다. Transfer Fcn 블록을 더블 클릭하여 [그림 2.8]과 같이 설정한다.7) A-2.4 위 6)의 QUARC 컨트롤러를 빌드하고 실행한다. 필터링 된 엔코더 기반 속도 응답 및 모터 전압을 나타낸다. 개선되었는가? 필터가 있을 때와 없을 때 속도 응답을 비교하고 설명하여라. 한눈에 봐도 모든 구간에서의 잡음이 크게 줄어들어서 개선 되었음을 알 수 있다.그 이유는 Low-Pass Filter는 고주파 성분을 차단하고 저주파 성분만 통과시키기 때문에 오른쪽에 발생한 잡음은 주로 고주파의 성분을 가지고 있어서 이러한 성분들이 차단이 되어 통과되지 못하여 왼쪽과 음과 같이 구해지고,i _{m} (t)= {v _{m} (t)-k _{m} w _{m} (t)} over {R _{m}} ``(5.4)모터 축 방정식은 다음과 같이 표현된다.J _{eq} {dot{w}} (t)= tau _{m} (t)``(5.5)여기서,J _{eq}는 모터 샤프트에 작용하는 총 관성 모멘트이고,tau _{m}은 DC모터로부터 작용하는 토크이다. 인가된 전류에 따른 토크는 다음과 같다.tau _{m} =k _{m} i _{m} (t)`(5.6) 질량 m과 반경 r을 갖는 디스크의 피봇에 대한 관성 모멘트는 다음과 같다.J= {1} over {2} mr ^{2} ``(5.7)III-(2) 제1원리 모델링 실험 실습통합(Integration) 및 필터링(Filtering) 실험에서 이미 설계된 모델을 기반으로 1-3V, 0.4Hz 구형파(square wave)를 모터에 적용하고, [그림 5.2]와 같이 엔코더를 사용하여 서보 속도를 읽는 모델을 설계한다. 이 실험에서는 [그림 5.2]의 모델을 설계하기 위하여 이전 섹션 실험실습(2) [그림 2.1]의 ‘엔코더를 이용한 속도 측정’모델을 가져와 수정하거나 기 작성된 모델(First_Principles_Modeling_5_2_s0.slx) 불러오기 한다. QUBE-Servo 2 시스템 모델을 위한 블록이 포함되는 [그림 5.2]와 같이 QUBE-Servo 2 모델을 호출하는 서브시스템을 생성한다. 따라서 시스템 모델을 위해 위에 주어진 방정식을 사용하여 Simulink에서 간단하게 블록 다이어그램으로 조합한다. Gain 블록, Subtract 블록 및 Integrator 블록이 필요하다(가속에서 속도로 전환), 서브시스템 솔루션의 일부가 [그림 5.3]에 나와 있다.[그림 5.3]의 서브시스템을 완성하기 위하여 주어진 방정식으로부터 [그림 5.4]와 같이 직접 구성하거나 기 작성된 서브시스템 모델이 포함된 [그림 5.2]의 모델을 바로 이용한다.여기서, Simulink 모델의 구성은 블록에 수치적인 이다.
정밀 측정000000000정밀 측정 도구1. 버니어 캘리퍼스 : 길이, 두께 등을 측정하는 도구로서 측정은 어미자와 아들자을 이용해서 한다. 보통자 눈금은 1mm이지만버니어 캘리퍼스는 눈금이 0.05mm라서 더욱 정확하게 측정을 할 수 있다.버니어 캘리퍼스를 그림으로 간단하게 나타내면 왼쪽과 같이 나타낼 수 있고 빨간색 직선은 “jaw”라고 하는 것이고 이 거리의 최단 거리를 이용해서 파란색 원은 외경을 측정할 수 있고 보라색 원은 내경을 측정할 수 있고 핑크색 원은 높이, 깊이를 측정할 수 있고 초록색 원 또한 높이, 깊이를 측정할 수 있다. 1) 눈금 읽는 법아들자의 0점 눈금이 어미 자의 눈금에 어디에 위치해 있는지 찾아주고 어미자와 아들자의 눈금이 일치한 부분을 찾아서 두 값을 더해주면 된다.예를 들어 왼쪽 그림이라면 빨간 원안에서 아들 자의 0점 눈금이 22mm보다 살짝 뒤에 있고 파란 원안에서 아들자 3이 어미자와 일치하므로 이 측정물의 길이는 22.3mm라고 알 수 있는 것이다.2. 마이크로미터 : 길이를 측정하는 도구로 왼쪽 사진이 내경을 측정하는 마이크로미터이고 오른쪽 사진이 외경을 측정하는 마이크로미터이다. 1) 측정하는 방법스핀들 사이에 측정물을 끼우고 래칫 스톱을 돌려 측정물을 고정 한 다음 슬리브에 있는 눈금을 읽은 다음 심블의 눈금을 읽어서 더 해주면 측정물의 길이가 나오게 된다.2) 눈금 읽는 법슬리브는 눈금당 1mm이고 심블은 눈금 당 0.01mm를 인지하 고 읽어야 한다.예를 들어 왼쪽 그림이라면 슬리브가 12mm를 살짝 넘었고 심블은 35에 정확하게 일치하기 때문에 이 측정물은 12.35mm라는 것을 알 수 있다.3. 다이얼 게이지진원도 검사, 평탄도 검사 등 공작기계의 정확도를 측정할 때 사용되는 측정도구로 어떤 물체를 다이얼 게이지의 아래에 있는 부분을 누르게 되면 긴바늘과 작은 바늘이 같이 움직이게 되는데 긴바늘이 한 바퀴가 돌게 되면 작은 바늘이 1씩 올라가게 된다.4.블럭 게이지길이 측정에 사용되고 반짝이는 블록 게이지에는 반짝이는 두 면이 있는데 이 면을 다른 블록 게이지랑 결합을 할 수가 있는데 결합을 할 때에는 면적을 최소화해서 결합을 해야 한다.즉, 하나는 가로로 하나는 세로로 해서 + 모양으로 붙인 다음 두 개를 일자가 되게 돌린다거나, 일부분을 붙이고 밀어주는 식으로 만들어 주면 된다.5.화이트 게이지높이를 측정하거나 금을 긋는 도구이다. 왼쪽 사진에서 제일 왼쪽 아래를 측정하는 곳을 보면 오른쪽 그림처럼 생겼는데 만약 빨간 부분이 부서진다면 정확한 측정이 안되므로 파란 선대로 갈아서 정확한 측정 할 수 있게 된다.선반과 밀링선반: 2축 가공으로 공구가 움직이면서 가공을 하게 되고 공구대에 공구를 고정하고 공작물을 중심으로 고정을 잘해줘야 한다.모터의 RPM을 지정할 수 있고 모터가 회전하면서 공작물도 같이 회전하게 된다.선반과 밀링을 같이 사용할 수 있는 기계를 ‘턴밀’이라고 부른다.밀링: 3축 가공으로 공작물이 움직이면서 가공을 하게 된다.위아래, 좌우, 앞뒤 핸들 3개가 존재하고 여러 가지 목적에 따라서 구멍을 낼 땐 드릴, 나사를 박고 싶을 땐 탭 등을 이용할 수 있다. 밀링에 ATC(Auto Tool Change)기능이 있다면 MC라고 불린다.프로그램: 기계가 알아들을 수 있는 명령어를 모아놓은 것인데 구 성은 영문자+숫자로 구성되고 T, G, M, X, Y, P, Q, S, F 등이 있는데 T, X, Y, P, Q, S, F는 계속 바뀌어서 외울 필요가 없지만 G를 자세히 보면 G0=G00:급송이송 (가공하지 않을 때 빨리 움직임을 필요할때), G1=G01직선가공직선가공을할때,G98:mm/min, G99:mm/rev,(G54,G50):공작물좌표계설정,G96:주속 일정제어(on),G97: 주속일정제어(off), G50:최대회전수 제한등이 존재하고 외워야 한다.실험1) 테이퍼각도측정테이퍼의 각도를 측정하기 위해서 테이퍼의 위, 아래 그리고 위, 아래 사이의 높이를 구하고 위아래의 길이의 차를 높이로 나눈 것을 arctan에 대입을 하면 각도가 나오게 되는데 테이퍼의 위아래 높이 길이 측정을 그냥 하게 되면 둥글기 때문에 정확한 길이의 값을 구하기가 어렵기 때문에 원통 모양 철 두 개와 블록게이지 두 개를 준비하고 측정하려는 아래 옆에는 원통 모양 철을 눕혀서 붙인 다음 측정을 하고 위는 블록 게이지를 세운 다음에 원통 모양 철을 눕혀서 붙인 다음 길이를 측정하고 높이는 블록 게이지의 길이를 한다면 정확한 테이퍼 각도 측정이 가능하다.2)편심측정편심 측정은 다이얼 게이지로 하는데 다이얼 게이지로 일단 제일 깊어 보이는 곳에 찔러 주고 편심 측정물을 돌리다 보면 다이얼 게이지가 돌아가다가 갑자기 방향이 바뀌는 곳이 있는데 이곳을 0점으로 잡아준 다음 다시 한 방향으로 돌리게 되면 또 방향이 바뀌는 곳이 있는데 이 길이를 측정해준다. 한 바퀴에 1mm이고 눈금 100개가 있고 눈금 1개당 0.01mm로 계산한 다음 그 길이에다가 2를 나누면 편심이 나오게 된다.