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국민대 자동차융합실험 Heat Engine Cycle을 이용한 기초실험 A+ 보고서

서론열기관은 고온의 열원으로부터 추출한 열에너지를 이용하여 일을 하는 장치로서, 흡수한 열에너지의 일부분을 역학적 에너지로 전환하고, 남은 열에너지를 저온의 열원으로 방출하는 과정을 순환하여 반복한다. 열기관을 통해 내연기관 사이클의 작동 원리를 간접적으로 보며 알아본다.실험 조건 및 결과실험 조건공기 챔버의 직경 Dcan = 2.0 cm공기챔버의 높이 h = 8.2cm실린더의 반지름 rcyl = 1.625cm실린더의 초기 높이 r0 = 3.30cm대기압 = 101.3 kPa실험 결과#8온도(K)피스톤의 높이(m)A284.10.033B284.10.027C368.20.073D368.20.079#9온도(K)피스톤의 높이(m)A284.90.033B284.90.025C3580.065D3580.072#10온도(K)피스톤의 높이(m)A285.70.033B285.70.027C348.80.062D348.80.069결론 및 고찰열기관 사이클의 원리를 찾아 요약하고 카르노의 정리가 어떻게 적용되는지를 서술하여라.어느 일정량의 작동물질이 한 상태에서 출발하여 몇 개의 일정한 상태변화를 거쳐서 다시 처음의 상태로 되돌아올 때 이것을 사이클 이라고 한다.열기관 사이클은 카르노의 열역학 제1법칙을 기반으로, 고열원에서 저열원 사이의 온도차이를 이용하여 등온,단열 팽창 및 등온,단열 압축과정을 반복하여 피스톤 내 기체에너지를 기계적 일로 변화시킴으로써 열기관을 작동시키게 된다. 이는 즉,이러한 PV선도에서 시계방향으로 사이클을 행하였을 때 1사이클마다 외부에 대한 일(W)을 하기 때문에 작동 유체가 1사이클을 하는 동안 열량(Q1) 을 받아서 Q2를 방출하며, Q1- Q2인 열에너지를 기계적 에너지(W)로 전환하는 과정을 말한다.가장 이상적인 열기관은 카르노 기관이며, 카르노 기관의 열효율은 *100(%)이다. 여기서 온도는 절대온도단위(K)를 사용한다. TH가 클수록 혹은 TC가 낮을수록, 즉 차이가 클수록 기관의 열효율은 좋아진다.카르노 사이클의 모든 과정은 가역과정이며, 정방향 및 역방향 진행이 모두 가능하다.열기관 사이클의 A→B, B→C, C→D, D→A 각 과정의 유형을 구분하여 보자.A→B: 등온 압축과정이 과정에선 200g 의 추에 의해 실린더 내부에 압력이 가해진다. 하지만 온도가 변하지 않고 이루어지는 과정이기에 온도에 비례하는 내부에너지의 변화 또한 0이되고, 다음과 같은 식으로 정리할 수 있다.,B→C: 등압 팽창과정가열 되어있는 뜨거운 물에 실린더를 이동시켜 실린더 내부 기체의 온도를 증가시킨다. 이때 열에너지를 받은 기체는 온도가 증가하면 부피가 증가한다는 샤를의 법칙에 의해 팽창하게 된다. 이 과정은 일정한 압력상태에서 진행됨으로 등압 팽창과정이라 한다. 기체가 받는 열량은 다음과 같이 구할 수 있다.Cp = 정압비열 이며, 이 실험의 경우 Cp=7R/2로 대체하고 기체상수 R=0.287J/(mol*K) 를 사용한다C→D 등온 팽창과정A→B 과정에서 달아 놓은 200g 추를 제거한다. 이때 실린더 내부의 압력이 감소하면서 부피가 증가하게 된다. 이 또한 A→B과정과 동일하게 온도에 비례하는 내부에너지의 변화가 0이 됨으로 등온 팽창과정이 된다.D→A 등압 압축과정실린더를 다시 차가운 물로 이동시킨다. 이 과정에서 기체가 머금고 있던 열 에너지가 물로 빠져나가면서 (-)일을 하게 되고, 실린더 내부의 부피가 압축된다. 이 과정 또한 일정한 압력에서 진행되기에 등압 압축과정이라 한다.서로 다른 두 온도 사이에서 작동하는 열기관의 이론적 최대 열효율을 계산하여라.열기관의 이론적 최대 열효율은 다음과 같은 식으로 도출할 수 있다.Tc(K)Th(K)Th-Tc(K)e(%)Run #8284.1368.284.122.84Run #9284.935873.120.42Run #10285.7348.863.118.09위의 결과값에 따르면, 이론적 최대 열효율은 물의 온도차가 클수록 더 높게 나왔음을 알 수 있다.열기관의 실제 열 효율을 계산하여라.P-V 다이어그램의 닫힌곡선 내부의 면적을 이용하여, 기체가 해준 일을 계산하여라.Capstone 소프트웨어를 이용하여 계산한 P-V 다이어그램의 내부 면적은 다음과 같다.Tc(K)Th(K)Area(kPa·cm3)Run #8284.1368.272564.2Run #9284.935842412.3Run #10285.7348.830899.9다음을 순서대로 계산하여라. (run #8 기준)VAA지점에서의 실린더의 부피에 공기 챔버의 부피를 더한 값이 A지점에서의 최종 부피가 된다.VCVDQB→C사이클의 두번째 과정인 등압-팽창 과정이다. 이때 기체가 받는 열량 Q는 앞서 작성한 식 를이용하여 구할 수 있다. 공기는 대부분 이원화 분자로 이루어져 있기에 Cp(정압비열) 값은 7R/2를 사용하고, PV=nRT 공식을 이용하여 R=PV/T 를 사용한다.QC→D이 과정 또한 온도가 일정한 등온 과정이기에 내부에너지의 변화량이 0이고, Q=W 라는 식이 성립된다.QHQHQH는 QB→C와 QC→D를 더한 값으로 구할 수 있다.QH = QB→C + QC→D= 5J + 0.5418J= 5.5418J이론적 최대 열효율과 실제 열효율을 비교해보자.우선, run#8 실험에서 얻을 수 있는 최대 열효율, 이상적 카르노 기관이였을 경우식에 의거, 약 22.84% 가 된다. 하지만 이번 실험에서 구한 실제 열 효율은이다. 실제 실험에서는 이상적 열효율의 5.69%정도 밖에 얻어내지 못했다.이러한 오차의 원인으로는,등온과정에서 추를 끼고 빼는 동안 손 떨림 및 시간지연으로 인한 측정의 부정확성최대한 정확하게 추를 끼고 빼려고 했지만 사람의 손으로 하는 실험인만큼 이에 따른 오차도 발생했다. 추를 끼고 빼는 과정에서 순간적인 압력이 가해진 경우도 있었고, 이로 인해 시간이 지연됨에 따라 피스톤의 움직임을 정확하게 측정하지 못하였다.2. 물을 보관하는 수조가 단열이 되지 않음으로 인한 각 과정에서 발생하는 온도차이온도가 변하지 않는 등온과정이 실제론 불가능하며 이는 결국 내부에너지의 변화량이 0 이 아님을 뜻한다. 따라서 등온과정에서 발생하는 내부에너지는 외부로 방출되고 이로 인해 열손실이 발생한다. 특히 고온의 물을 사용한 실험의 경우 실험실 온도와 차이가 커서 빠른 시간에 물의 온도가 급감하였다. 이로 인한 온도 계측의 부정확성 또한 오차의 원인이 된다.끝으로 실험 자체는 단순했지만 보고서 작성 과정에서 다시한번 생각해야하는 점이 많았던 실험이었다.감사합니다.참고문헌:국민대학교 자동차 융합실험I – 교재 Hyperlink "https://en.wikipedia.org/wiki/Heat_engine" https://en.wikipedia.org/wiki/Heat_engine공업열역학 – 문운당

공학/기술| 2019.04.17| 9페이지| 3,000원| 조회(498)

국민대, Heat Engine, 자동차융합실험, 히트엔진

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국민대 자동차융합실험 전자전기 회로이론 및 센서 설계 실험 A+ 보고서

1. 테브난 ? 노턴정리1) 실험결과 테브난 등가회로 구상장면I _{N} 값 출력 장면(1) 표1. 부하저항에 따르는 전압과 전류측정치이론치오차율(%)R _{L}V _{L}I _{L}V _{L}I _{L}V _{L}I _{L}1k OMEGA 11.3411.4711.4011.400.55%0.59%2k OMEGA 12.566.3512.586.290.16%0.95%3k OMEGA 13.044.3813.034.340.08%0.85%4k OMEGA 13.293.3413.273.320.18%0.71%V _{TH}R _{TH}I _{N}이론치측정치오차율(%)이론치측정치오차율(%)이론치측정치오차율(%)14.0314.030240.32390.5458.3958.330.1(2) 전류와 전압의 그래프 저항vs전압,전류 그래프2. 휘트스톤 브릿지 기본 회로 실험1) 실험 결과조정 전 BD 전압(R _{2} =120 OMEGA )조정 후 BD점 사이 전위차가0일 때 저항(OMEGA )측정이론오차율(%)측정이론오차율(%)0.991.1312.446.846.80(1),(4) 측정전압이 0V로 측정되지 않는 원인을 추론하여 본다, 조정한 가변저항의 값을 이용하여 점B와 점D에 인가되는 전압을 구해보고 전 값과 비교해 본다.가변저항을 46.8OMEGA 으로 조정한 후 점B와 D에 인가되는 전압은 다음과 같이 구할 수 있다.V _{BD} =V _{DC} -V _{BC} ``,````V _{DC} = {R _{3}} over {R _{3} +R _{4}} *V _{S} ``,`V _{BC} =` {R _{2}} over {R _{1} +R _{2}} *V _{S}##V _{DC} = {220} over {220+470} *5`=`1.5942`V##V _{BC} = {46.8} over {100+46.8} *5=`1.5940V##THEREFORE `V _{BD} =`1.5942-`1.5940`=`0.0002`V이론적으로 가변저항이 45.1OMEGA 일 때 BD점 사이에 인가되는 전압V _{BD} 는 0이 되어야 하지만 실험으로는 정확하게 전위차가 0이 되는 저항은 찾지 못했다. 정확한 0V가 측정되지 않는 이유는 다음과 같다.①R _{1} ,R _{3} ,R _{4} _{} 의 저항 값이 정확하게 일치하지 않는다.가변저항뿐만 아니라R _{1} ,R _{3} ,R _{4} _{}가 가지고 있는 저항 값도 표시된 값과 정확하게 일치하지 않는다. 따라서 식{R _{1}} over {R _{2}} = {R _{4}} over {R _{3}} 은 실제 실험환경에서 완벽하게 성립하지 않는다.② 가변 저항값을 이론값(45.1OMEGA )으로 조절하는데서 오는 오차가변저항을 다이얼을 사용하여 조절하기 때문에 실험자가 원하는 정확한 값을 맞추기 어렵다.(2) 가변저항 조정 전 점 B와 점 D에서 인가되는 전압의 측정값과 이론값을 비교해 본다.가변저항 조정 전 저항(R _{2} =120 OMEGA )을 사용하여 측정한 BD사이의 전압은 0.99V 이며, 이론값은 다음과 같이 1.1331V 이므로 오차율이 12.4%이다.V _{BD} =V _{DC} -V _{BC} ``,````V _{DC} = {R _{3}} over {R _{3} +R _{4}} *V _{S} ``,`V _{BC} =` {R _{2}} over {R _{1} +R _{2}} *V _{S}##V _{DC} = {220} over {220+470} *5`=`1.5942`V##V _{BC} = {120} over {100+120} *5=`2.7273V##THEREFORE `V _{BD} =`1.5942-`1.5940`=``1.1331V이러한 오차의 원인으로는① 가변저항의 크기를 정확하게120 OMEGA 으로 맞추지 않음.실험시간이 촉박했기 때문에 저항 값을 정확하게120 OMEGA 으로 맞추지 못했고, 약115 OMEGA 에서 전압을 측정하였다. 따라서 오차율이 다른 실험보다 높게 나왔음을 알 수 있다.② 멀티미터의 내부저항과 각 소자들의 연결부 저항 값위 (1) 문항의 오차 원인과 비슷한 원인으로 소자들의 저항 값이 표시된 값이랑 일치하지 않는 점과, 멀티미터가 가지고 있는 내부저항 때문에 실험값과 이론값의 차이가 발생했다.(3) 측정전압을 0V로 만들어 주는 저항 값을 찾아본다.휘트스톤 브릿지에서 측정전압이 0V이 되려면 회로에 사용된 저항들의 비가 같아야 한다. 따라서 식{R _{1}} over {R _{2}} = {R _{4}} over {R _{3}} 이 성립될 때, 측정 전압은 0V가 된다.R _{1} ,R _{3} ,R _{4} _{} 는 고정된 저항 값을 가지고 있고,R _{2}가 가변저항이기 때문에 위의 식을 활용,R _{2}의 값이 다음과 같으면 측정전압은 0V가 된다.{R _{1}} over {R _{2}} = {R _{4}} over {R _{3}} ,````````R _{2} = {R _{1} *R _{3}} over {R _{4}}##R _{2} = {100*220} over {470} ``=`46.8 OMEGA(5) 휘트스톤 브릿지를 사용하는 제품을 찾아보고 휘트스톤 브릿지 회로의 역할을 설명한다.제품휘트스톤 브릿지의 역할1. 스트레인 게이지1. 아주 작은 스트레인의 크기를 측정하기 위해 사용.2. R1 /R2 = R4 /R3 식을 기반으로 브리지의 모든 암에 저항의 변화가 있으면 그 결과로 출력 전압은 0이 아닌 값이 나오게 됨을 활용하여 스트레인 게이지 저항에 가해진 모든 변화 출력.2. 전자 저울1. 전자저울 내부에 하중측정장치(Load Cell)에 휘트스톤 브릿지 사용2. 로드셀은 힘을 가하면 내부에 연결되어 있는 스트레인 게이지들에 걸리는 전압이 달라져서 전압에 변화가 생기고 그 변화를 하중으로 변환해주는 장치.3. 저울 내부의 스트레인 게이지가 휘트스톤 브릿지의 원리를 이용.3. 토크 센서1. 위와 마찬가지로 미소한 토크 변화를 측정하는데 하중측정장치가 사용되고, 이는 스트레인 게이지를 이용하기 때문에 휘트스톤 브릿지가 내부적으로 적용된다.(3) 로드셀을 이용한 센서 실험1. 로드셀의 정의힘을 검출하는 센서. 힘을 가하면 전기신호로 변환, 하중을 전기신호로 변환하기 때문에 하중 변환기라고도 함2. 로드셀의 원리로드셀에 힘을 가하면 로드셀이 변형하며 동시에 그림 1에 부착되어있는 스트레인게이지 또한 변형한다. 스트레인 게이지가 변형함에 따라 저항값도 변화한다. 로드셀의 전원단자에 전압을 가하면 출력단자에서 스트레인게이지의 저항값의 변화에 비례하는 전압이 출력된다. 이와 같은 원리로 로드셀은 힘을 전기신호로 변환한다.3. 적합한 로드셀을 선택하기 위한 방법(1) 로드셀의 부하조건을 정한다. ( 인장, 압축, 휨 )(2) 정격용량을 아래와 같이 선정한다.로드셀`용량 GEQ (`(충격계수*`하하중+초기하중)`*`하중편심계수`*`하중`불균형`계수)`/`로드셀`개수##충격계수`:`(1.1`-``1.5)``보통`1.2#하중편심계수:`(1.1`-`1.3)`보통`1.2#하중불균형계수`(`1점,`3점의`경우:`1,`4점의`경우`:`1.2)#부하하중:`측정물의`최대`하중#초기하중:`기기`자체`무게#로드셀`수:`사용하는`로드셀의`개수#`(3 필요한 분해능이 표시되는가(4) 로드셀 강도에 따른 선정4. 하중을 가하는 방향에 따른 로드셀의 분류

공학/기술| 2019.04.17| 9페이지| 3,000원| 조회(466)

회로실험, 국민대, 자동차융합실험

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국민대 자동차융합실험 스트레인게이지를 이용한 보의 변형률 실험 만점 보고서 평가D별로예요

목차I. 스트레인게이지를 이용한 보의 변형률 측정 실험1. 스트레인 게이지 조사 (원리, 종류, 적용사례 1가지)1) 원리2) 종류3) 적용 사례2. 실험 결과 테이블 작성 및 그래프 작성3. 고찰1) 오차원인 분석① 인적 오류② 계측 값의 한계와 센서의 한계③ 시편의 탄성계수의 고유 오차④ 외부 요인2) 느낀점II. 토크 센서를 이용한 비틀림 실험1. 자동차 구성 요소 중 비틀림이 작용하는 부품을 조사하고 조사한 부풍에 대해 설명하라.1) 크랭크 축(Crank Shaft)① 정의② 기능③ 비틀림 작용 원인3. 결과 작성1) 결과 표 작성 및 그래프 작성2) 하중이 15N 작용할 때의 비틀림감성 이론값과 계측 값 비교3. 고찰1) 오차원인 분석① 인적 오류② 실험장치/시편의 구조적 문제③ 계측 오류 및 외부 환경 측정 부재에 따른 오류2) 고찰 및 건의사항III. 참고문헌I. 스트레인게이지를 이용한 보의 변형률 측정 실험1. 스트레인 게이지 조사 (원리, 종류, 적용사례 1가지)1) 원리R1 /R2 = R4 /R3 식을 기반으로 브리지의 모든 암에 저항의 변화가 있으면 그 결과로 출력 전압은 0이 아닌 값이 나오게 됨을 활용하여 스트레인 게이지 저항에 가해진 모든 변화 출력.2) 종류형상종류1. 단축 게이지? 그리드가 하나이기 때문에 하나의 방향에 대한 측정만 가능.? 통상 주응력을 알고있을 때 사용2. 2축 게이지? 부응력을 알고있을 때 사용.? 포와송비를 구하고자 할 때 주로 사용3. 면압 게이지? 측정물에 걸리는 하중, 압력을 측정하고자 할 때 사용4. 3,4 축 로젯 게이지? 1개의 게이지 안에 3,4개의 방향의 그리드가 부착? 복잡한 형상을 가진 측정물의 주응력을 계측하기 위해 사용 스트레인 게이지의 종류3) 적용 사례적용 제품적용 방법1. 전자 저울? 전자저울 내부에 하중측정장치(Load Cell)에 스트레인 게이지 사용? 로드셀은 힘을 가하면 내부에 연결되어 있는 스트레인 게이지들에 걸리는 전압이 달라져서 전압에 변화가 생기고 그 변화를 하중으로 7%0.2920.6060.0002870.0002921.86%0.3810.7920.0003750.0003811.70%0.4200.8720.0004130.0004201.82%0.5001.0380.0004910.0005001.83% 스트레인 게이지 특성실험 결과epsilon vs{U _{out}} over {U _{i`n}}3. 고찰 실험장치1) 오차원인 분석실험에서 얻은 결과값과 이론값은 평균적으로 1.7% 남짓한 오차율을 보이고있는데 오차의 원인은 다양하다. 넓은 범주에서 생각 해 봤을 때 다음과 같이 정리할 수 있다.① 인적 오류스트레인 게이지 특성 실험은 실험 장치를 정반에 올리는 과정부터 스트레인 게이지 부착과정, 시편계측 과정, 핸드휠을 돌려 하중을 가하는 과정까지 인적 오류에 의한 오차를 무시할 수 없으며 오차원인의 많은 부분을 차지한다. 첫 번째로 다이얼게이지의 영점 조정 과정에서의 문제점이다. 다이얼게이지와 시편이 완벽하게 수평이 되어야 하지만 이번 실험에선 정반 위에 책상을 올려놓고 그 위에 실험 장치를 올렸기 때문에 다이얼게이지와 시편은 온전한 수평상태가 될 수 없다. 따라서 다이얼 게이지의 영점이 정확하지 않다. 또한 시편의 길이(s)를 재는 과정에서 정확한 계측이 이루어지지 않았다. 구간을 눈대중으로 어림잡아 설정하여 버니어캘리퍼스로 대략적인 길이를 측정했기 때문에 변형률의 이론값을 산출하는 과정에서 오차의 원인이 되었다.② 계측 값의 한계와 센서의 한계다이얼 게이지를 통해 계측한 w값과 스트레인 게이지 측정 증폭기의 계측값이 둘다 소수점 3자리로 반올림 되었기 때문에 미세하지만 계산과정을 거치며 정확한 결과값을 얻지 못했다.또한 스트레인 게이지를 볼록한 표면에 접착하게 되면 측정 그리드에 대한 스트레인이 구성요소의 표면에 대한 스트레인 보다 크기 때문에 게이지 고유의 오차가 발생한다. 이와 더불어 측정 대상과 브리지 회로의 거리가 멀수록 도선의 저항변동이 커지기 때문에 오차를 가증시키는 원인이 된다.③ 시편의 탄성계수의 고유 오차금속 시편의한 실험 장치는 금속에 가해지는 수직응력 값을 측정하기 때문에 전단응력에 의한 처짐현상은 고려하지 않았다. 실제 처짐현상은 여러 방향에서의 응력값이 합쳐져서 작용하기 때문에 이를 무시했을 경우 오차의 원인이 될 수 있다.2) 느낀점이번 실험을 통해 재료역학과 재료학에서 이론적으로 배운 탄성영역에서의 금속의 거동에 대해 실험을 통해 수치로 확인할 수 있었다. 보의 처짐 현상은 자동차를 설계하는데 있어 가장 기본적으로 고려하여 설계되어야하는 부분이고, 사실상 외부 응력을 받는 대부분의 프레임과 섀시를 포함한 금속 부재에 적용되기 때문에 설계자 입장에선 심도 있게 고려해야하는 부분이라고 생각한다. 이론적으로는 난해해 보일 수 있는 탄성곡선과 모멘트 곡률 관계식을 축방향 변형률로 유도하는 과정을 통해 이러한 이론이 실질적으론 어떻게 사용되는지 알 수 있게 됐다. 또한 이 전에 회로설계 실험을 통해 배운 휘트스톤 브릿지를 응용한 스트레인 게이지가 금속의 미소 변형량을 측정하는데도 사용할 수 있음을 알게 되었고 기존 여러 수업을 통해 배운 이론을 실질적으로 실험에 적용하면서 기존보다 더욱 구체적으로 머릿속에 남길 수 있었다.II. 토크 센서를 이용한 비틀림 실험1. 자동차 구성 요소 중 비틀림이 작용하는 부품을 조사하고 조사한 부풍에 대해 설명하라.1) 크랭크 축(Crank Shaft) 크랭크 축① 정의: 크랭크와 연결되어 피스톤의 왕복운동을 회전운동으로 변환시켜주는 장치.② 기능: 커넥팅 로드로부터 전달받은 힘을 회전토크로 변환시켜 플라이휠을 통해 클러치에 전달한다. 폭발행정 이외의 행정에는 역으로 피스톤에 운동을 전달하며, 회전토크의 일부를 이용하여 워터펌프, 발전기 등을 구동시키는 역할을 한다.③ 비틀림 작용 원인: 지속적인 회전력에 가속력과 원심력이 작용하게 되고, 비틀림 진동과 휨이 일어난다.2. 결과 작성1) 결과 표 작성 및 그래프 작성하중토크(Nmm)팔 길이=110mmpoint`1phi _{1} (Deg)point`2phi _{2} ( DEG )변형량(ra````````````````````중공봉의`경우###J= {pi (r _{0} ^{4} -r _{1} ^{4} )} over {2} ```````````````#``(`r _{0} = {d _{0}} over {2} ,`r _{1} = {d _{1}} over {2} )mm`#`(d _{0} =6mm,``d _{1} =3.6mm)##`````=`110.74`mm ^{4}##G=`40,000`N/mm ^{2}##EMPTYSET rad= {M``*L} over {G``*`J}#````````````#`````````````````````=` {(110*15)*(200)`N/mm ^{2}} over {(40000)*(110.74)`N/mm ^{2}}#`````````````````````#`````````````````````=`0.0745(이론`값)##비틀림강성``K _{t} `=` {M} over {EMPTYSET }##이론값`=` {1650`Nmm} over {0.0745} `=`22148Nmm##측정값`= {1650Nmm} over {0.05236} ```=``31513`Nmm##오차율`=`( {22148-31513} over {22148} )`*100`=`42.3%````````````````````````````````````````````중실봉의`경우##J= {pi d ^{4}} over {32} `````````````````(`d=5.9)mm##`````=`118.9619`mm ^{4}##G=`40,000`N/mm ^{2}##EMPTYSET rad= {M``*L} over {G``*`J}#````````````#`````````````````````=` {(110*15)*(200)`N/mm ^{2}} over {(40000)*(118.9619)`N/mm ^{2}}#`````````````````````#`````````````````````=`0.0693`(이론`값)##비틀림`강성`K _{t} `=` {M} over {EMPTYSET }##이론값`험과정에서 발생한 인적 오류와 실험 장치의 구조적 문제, 계측과정에서의 오류를 생각해볼 수 있다.① 인적 오류아날로그식 실험장비의 특성상 사람의 손이 가는 곳에 많은 오차원인이 있었다. 하중을 가하는 과정에서 손으로 무게 추를 걸기 때문에 순간적으로 의도된 중량보다 많은 힘이 가해질 수 있다. 따라서 국소부위에 소성변형이 발생할 수 있으며 이에 따른 오차가 발생한다.장치를 조여 시편을 고정시키기 때문에 시편에 이미 비틀림이 일부 발생했을 수 있다. 시편을 너무 세게 조이게 되면 고정부에 영구변형이 발생하고, 너무 느슨하게 조이게 되면 토크가 가해짐에 따라 시편이 같이 움직이게 되어 의도한 하중이 완벽히 전달되지 않는다. 또한 사람마다 시편을 고정시키는 힘이 다르고 같은 사람이 고정을 시키더라도 그 차이를 무시할 수 없다. 따라서 초기 시편의 비틀림각이 실제와 차이가 있을 수 있다.② 실험장치/시편의 구조적 문제스트레인 게이지를 이용하지 않고 아날로그 방식의 각도기를 사용하여 비틀림각을 측정하였기 때문에 측정값이 정확했다고 볼 수 없다. 또한 각도기와 측정기의 부착 위치가 의도한대로 실험 장치와 평행하게 부착되지 않았기 때문에 오차의 원인이 되었다. 이 외에도 무게추를 도르래 방식의 실로 연결된 장치에 매달았는데 실의 인장력과 실험장치 사이의 마찰력 때문에 의도한 하중이 시편에 정확하게 전달되지 않았다. 이 뿐만 아니라 실과 무게추를 거는 고리의 무게가 계산되지 않았기 때문에 의도한 하중이 전해졌다고 할 수 없다.이 밖에도 실험에 쓰인 시편이 정확하게 일자가 아니라 소량 휘어져 있을 가능성도 배제할 수 없다. 시편 자체가 소성변형이 되어있는 상태라면 변형량을 측정할 때 많은 오차의 원인이 된다. 또한 시편의 소재에 따라 전단계수가 변하게 되는데 이번 실험에서는 대략적인 값을 사용하여 계산을 했기 때문에 이론값 또한 정확하지 않았음을 알 수 있다.실험장치의 구조상 하중이 가해지는 부분과 변형각의 측정부분에서 일정부분 오프셋이 있었기 때문에 하중 인가지점과 측정부분다.

공학/기술| 2019.04.17| 10페이지| 3,000원| 조회(578)

국민대, 보의처짐, 자동차융합실험

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국민대 자동차융합실험 재료의 인장실험 A+ 평가A좋아요

1. 서론인장 시험은 재료의 기계적 물성을 평가하는 가장 기본적인 시험법이다. 이번 실험에서는 인장 시험을 통해 인장시험에 대한 목적과 방법을 이해하고, 재료 특성에 따른 인장시험 결과를 비교, 분석하는 것을 목적으로 한다.2. 실험 조건I. 실험에서 사용한 시편규격: KS B 0801 13B단위(mm)표점거리(L0)61.45너비(w)12.46두께(t)0.93파단 후 표점거리(Lf)81.58초기 단면적(A _{0} = {P _{}} over {sigma _{}})1.181mm{} ^{2}소재: SGCCII. 실험 장치만능 재료 시험기(UTM-M)① 금속 및 기타 소재의 재료특성 평가 시험기② 최대 10ton 까지 선택 가능③ Chamber 및 Furnace를 적용한 환경 시험 가능 (-170℃ ~ 1,800℃)3. 실험 순서(1) 시험 장비 및 시편에 먼지나 이물질을 제거하여 시험 준비를 한다.(2) 준비된 시편을 장비에 설치한다.(3) 하중이나 속도 조건을 입력하여 시험을 시작한다.(4) 시험 중 인장의 변화를 관찰하여 사진으로 기록한다.(5) 응력 - 변형률 곡선을 확인 한다.4. 이론 및 용어정리① 응력 : 단위 면적당 힘응력 :sigma _x =lim {Delta F_x }over {DELTA A_x}전단 응력 :tau _x = lim {Delta F_x }over{Delta A_y}② 변형률 : 단위 길이당 연신변형률 :&epsilon= DeltaL over L = {partial u}over{partial x}#&epsilon = DeltaL overL ={partialv}over partialx전단 변형률 :gamma = partialv over partialx - partialu over partialy공칭응력 :sigma _eng= P over A_0공칭 변형률 :epsilon _eng= {l-l_0 }over l_0 =( l over l_0 ) -1진응력 :sigma_true = P over A진변형률 :epsilon _true = ln { 가했을 때, 탄성변형구간을 넘어 소성변형구간으로 넘어가 영구변형이 처음 발생하는 지점.⑦ 하부 항복점소성변형이 일어나 가공경화(결정체의 탄성이 높아져 다른 소성변형에 대한 저항력이 높아지는 현상)가 발생하여 생기는 지점.⑧ 인장강도인장시험의 경과중 시험편이 견딘 최대하중을 평행부의 원단면적으로 나눈 값⑨ 연신율시험편 파단후에 있어서 영구 연신율 즉 시편이 끊어질 때까지의 변형률, 혼동을 피하기 위해 파단 연신율이라고 한다.δ = {(L-L0) / L0} × 100 (%)⑩ 단면 수축률(reduction of area)φ : 시험편 파단후의 최소단면적과 그 원 단면적의 차를 원단면적에 대한 백분율로 나타낸 값.φ = {(A-A0) / A0 }×100 (%)5. 실험 결과 및 고찰I. 실험을 통한 시편 형상의 변화를 관찰한다. (90°)① : 시편을 장치에 물린 초기 모습이다. 시편의 상부와 하부에 표시되어있는 실선을 장치와 맞춰 고정시킨다.② : 장치가 시편에 인장력을 가함으로 인해 시편이 점점 늘어나고, 항복점을 지남으로서 네킹이 시작되고 시편 중앙부의 색이 옅어지는 모습을 육안으로 관찰 할 수 있다.③ : 실험 시작 약 240초 후 파단이 일어나기 시작한 모습이다. 이때 시편에 가해진 힘은 약 420kgf 이다.④ : 완전파단 이후 시편의 모습이다. 시편 중앙부에 굴곡이 생겼음을 확인 할 수 있다.II. Strees-Strain 그래프를 그린다. 그래프에서 탄성영역과 소성영역을 구분하고 각 영역과 관련된 식을 구한다.실험으로서 얻은 데이터를 그래프화 하여 탄성영역과 소성영역을 표시하였다. 실험의 시작구간(연신률 ~0.25)에서는 데이터가 부정확한 양상을 띄었는데, 이는 실험 시작시점에서 사람이 지그를 잡기 때문에 발생하는 부정확성에서 비롯된 오차로 보인다. 따라서 x축 시작값을 0.25로 조정하여 이 구간을 삭제하고 그래프를 그렸다.에서 항복점을 기준으로 기울기가 일정한 구간은 탄성영역으로 분류되며 이때 시편에 가해진 외력을 제거하면 변형의 상태가 본래의 후크의 법칙에 의해 이번실험 재료의 탄성계수 E는 약 474.66(GPa) 가 된다. 순수 철의 탄성계수가 211.4(GPa)임을 감안하면 비교적 높은 수치지만 실험 재료는 순수 철이 아닌 화합물이고, 시작부분의 오차로 인해 더 높은 수치가 나왔다.탄성영역 이후 소성영역을 그래프에 표현하면 아래의 과 같다. 상항복점을 지나면서 소성변형(영구변형)이 시작되고 이 때 부턴 하중이 제거된 후에도 재료에 변형이 남게 된다. 이후 하항복점을 지나며 가공경화(결정체의 탄성이 높아져 다른 소성변형에 대한 저항력이 높아지는 현상)가 발생한다. 연신율이 22.83%에 달하는 지점에서 재료가 받는 하중은 최대가 되고 이 지점을 극한인장강도라 한다. 극한인장강도를 지난 이후 재료에는 네킹 현상이 일어나고 시험편의 단면적이 감소하게되어 응력이 네크 부분에 집중되며 파괴가 일어난다.극한인장강도` sigma _{U=} {P _{max}} over {A _{0}}#여기까지의 그래프는 재료의 단면적이 변하지 않는다는 가정하에 작성된 공칭응력-공칭변형률 선도지만, 실제로는 변형이 증가하면 단면적은 감소하게 된다. 변형률이 적으면 단면적의 감소를 무시할 수 있으나 그 이상에서는 변형중의 단면적을 고려해야하고, 이때는 하중 P를 A로 나눈 진응력과 공칭변형률의 미소증가의 합인 진변형률로 나타낸다. 이를 식으로 나타내면 다음과 같은 관계를 도출 할 수 있다.진응력`sigma _{T} ```= {P} over {A} `= sigma (`1``+`` epsilon ``)`진변형률`epsilon _{T} = int _{l _{0}} ^{l} {` {dl} over {l} ``=``ln {l} over {l _{0}} ``=``ln(`1+` epsilon `)}이를 그래프로 나타내면 와 같은 형상이 된다. 그래프화 할 때 주의할 점으로는① 데이터 파일에 있는 공칭 변형률(Strain) 값이 (%) 단위임으로 strain/100 의 값을 로그를 취하고, 이후 다시 *100을 하여야한다.② 진변형률의 값이있는데, 이는 식으로 쓰면 다음과 같다.sigma _{T} =K _{sigma } epsilon _{T} ^{n _{}}##(`n=가공경화지수,`K _{sigma } =`강도계수`)`또한,n= {ln _{sigma _{2}} -ln _{sigma _{1}}} over {ln _{epsilon _{2}} -ln _{epsilon _{1}}} 로 나타낼 수 있다.가공경화지수 n을 구하기 위해 진응력-변형률선도의 균일변형구간에서 임의의 두점 (7.26245, 353.3848), (7.338299, 354.0199)을 정한다.n=` {ln(354.0199)-ln(353.3848)} over {ln(7.338299)-ln(7.26245)}##``````=`0.176강도계수 K는 진변형률이 1일때의 진응력 값이므로 (1.00431,269.093) 점의 응력, 약 269MPa가 된다.III. 항복강도, 최대인장강도, 파단강도의 정의를 서술하고 실험을 통해 얻은 값을 구한 후 그래프에 표시한다.항복강도: 소성변형을 발생시키지 않고 재료에 가해질 수 있는 최대 응력의 정도. 항복강도는 재료가 특정한 영구 변형을 나타낼때의 응력이며 탄성한계의 실제적인 근사값이다. 즉 이번 실험에서의 항복강도는 하항복점 지점에서 가해지는 약 293MPa 의 응력이 된다. 하지만 이 지점에서의 실질적인 항복현상이 명백하지 않기에 이후 서술할 0.2% 오프셋을 통한 영구변형 점에서 탄성변형 부분에 평행하게 교차하는 지점을 항복점이라 한다.최대인장강도: 재료의 세기를 나타내는 힘으로, 재료가 절단되도록 끌어당겼을 때 견뎌내는 최대 하중을 재료의 초기 단면적으로 나눈 값을 말한다. 이번 실험에서의 최대 인장강도는 다음과 같다.` sigma _{U=} {P _{max}} over {A _{0}}##sigma _{U=} {439.2 _{}} over {1.182} `=`371.7`MPa파단강도: 재료의 파단시의 공칭응력, 최대강도가 항상 일치하지는 않는다. 그리고 파단강도를 측정할때 necking은 고려사값 0.3276에 해당하는 응력 359.7MPa이 파단시의 공칭 응력 값이다.VI. 연성 재료에서 오프셋 방법에 대해 조사하고 그 적용 결과를 서술한다.연성 재료의 항복점이 뚜렷이 나타나지 않는 경우에 소성변형율이 0.2%인 점(즉 총 변형률이 0.2%가 되는 점)에서, 응력-변형률 곡선의 직선 부분과 평행하게 직선을 그었을 때 응력-변형율 곡선과 만나는 점의 응력을 항복강도로 정의한다. 이를 0.2% 오프셋 항복강도라고 부르고, 이러한 방법을 오프셋 방법이라 부른다. 하지만 연강과 같이 상항복점과 하항복점이 나타나는 항복현상이 뚜렷한 경우 하항복점에 대한 응력 값을 항복강도로 한다. 이번 실험은 비교적 상항복점과 하항복점의 경계가 뚜렷하게 나타 나여 항복강도를 하항복점의 응력 값으로 대신하였다. 오프셋 방법을 활용하여 선형 구간과 같은 기울기(474.66)를 갖는 직선을 가로좌표 0.2% 구간에 지나게 할 때 생기는 응력-변형도 선도와의 교점으로 항복강도를 다시 구하면 과 같은 결과값(약 300.5MPa)이 나온다.V. 연성 재료의 Necking이 발생하는 시점을 표시하고 Necking이 발생하는 이유를 서술한다.연성재료의 네킹, 이 용어 자체는 물체가 하중에 의해 그 형상이 잘록해진다는 의미를 지니고 있다. 가느다란 금속 봉을 길이 방향으로 잡아당기면 당기는 힘이 커질수록 금속 봉의 가운데 부분이 가늘어 지는데 이 현상이 네킹현상의 대표적인 예이다. 즉, 극한인장강도 점에서 경화현상에 의한 재하능력의 증분Ad _{sigma } 가 하중을 받는 면적의 감소에 의한 재하능력의 감소분sigma dA보다 작아질 때 일어나는 현상이다. 에서 표시되어있는 371.8MPa의 응력이 가해지는 부분(최대인장강도)에서 네킹이 발생하기 시작한다.VI. 연성과 취성 재료의 특성을 비교하여 설명한다.연성(Ductile)취성(Brittle)① 대표적인 재료로는 강 이 있다.② 탄성한계를 넘는 힘에 의해서도 물체가 파괴되지 않고, 소성 변형을 한다.③ 일반적으로 경도가 큰 물질은 다.

공학/기술| 2018.08.31| 11페이지| 3,000원| 조회(416)

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국민대 자동차융합실험 피토정압관의 압력측정을 통한 베르누이 원리 실험 A+

목차I. 실험값의 계산 및 정리1. 결과 데이터① Case #1② Case #22. 결과 그래프① Case별 속도 그래프② Case별{u} over {u _{t}},{B _{t}} over {B} vs 측정위치 그래프II. 오차 원인 분석 및 고찰1. 오차 원인 분석① 유체의 점성을 무시하고 비압축성 유동으로 간주함으로서 발생한 오차② 피토 튜브가 평행하게 설치되지 않음으로 발생한 오차③ 기타 인적 오류 및 외부 환경 측정 부재에 따른 오차2. 고찰 및 건의사항III. 베르누이 방정식의 원리 및 실생활 적용 사례1. 베르누이의 원리2. 실생활 적용 사례① 항공기 날개 및 자동차 스포일러(Spoiler)② 베르누이 원리를 응용한 수력발전IV. 참고문헌I. 실험값의 계산 및 정리1. 결과 데이터① Case #130DEG mmH _{2} O속도(m/s){u} over {u _{t}}{B _{t}} over {B}오차율(%)x(mm)폭(cm)전압(P)정압(p)405.8106767.0960.9390.74152.56%505.3106727.5541.0000.81940.19%604.8106717.6641.0150.89623.67%704.4106717.6641.0150.9776.09%804.3106717.6641.0151.0001.46%904.3106727.5541.0001.0000.00%1004.3106727.5541.0001.0000.00%1104.3106747.3280.9701.0002.99%1204.5106767.0960.9390.9562.75%1304.7106786.8550.9070.9157.70%1404.9106796.7320.8910.88711.85%1505.0106806.6060.8740.86015.68%1605.2106816.4770.8570.82721.00%1705.3106826.3470.8400.81122.42%1805.4106836.2130.8220.79623.66% Case #1 실험 데이터② Case #245DEG mmH _{2} O속도(m/s){u}.81422813.8320.9870.89620.60%704.41422613.9530.9960.9774.16%804.31422414.0731.0041.0000.43%904.31422514.0131.0001.0000.00%1004.31422813.8320.9871.0001.29%1104.31423413.4630.9611.0003.92%1204.51423813.2110.9430.9563.11%1304.71424412.8250.9150.9158.55%1404.91425012.4260.8870.88711.36%1505.01425412.1530.8670.86014.84%1605.21425811.8730.8470.82719.77%1705.31426211.5870.8270.81120.79%1805.41426411.4410.8160.79622.91% Case #2 실험 데이터2. 결과 그래프① Case별 속도 그래프 Case #1 길이vs속도 그래프 Case #2 길이vs속도 그래프② Case별{u} over {u _{t}},{B _{t}} over {B} vs 측정위치 그래프 Case #1 속도vs비율 그래프 Case #2 속도vs비율 그래프II.. 오차 원인 분석 및 고찰1. 오차 원인 분석두 실험 모두 측정 부위가 목 부분에 가까울수록 오차율이 낮고 목에서 멀어질수록 오차율이 높아지는 현상을 보였다. 즉 피토관의 폭이 넓어질수록 오차율이 커졌다. 오차의 원인은 다양하다. 실험과정의 여러 인적 오류부터 유체의 점성을 고려하지 않음으로 인해 발생하는 오차, 외부 온도를 측정하지 않고 진행하여 정확한 기체밀도의 측정을 하지 못한 점 등 다양한 원인을 다음과 같이 정리할 수 있다.① 유체의 점성을 무시하고 비압축성 유동으로 간주함으로서 발생한 오차베르누이 방정식은 비압축성 유동과 비점성 유동에 대해서만 유효하다. 기체는 유동속도가 통상 마하 0.3 이하로 매우 낮아 유선에 따른 기체의 밀도 변화가 무시할 만큼 작은 경우에만 비압축성으로 간주할 수 있다. 이 실험에서 기체의 공기입자는 고체와 접촉하는 면에서 공기의 점성 때문에 고체 표면에 달라붙는다. 하지만 이번 실험에선 유체의 점성을 무시하였기 때문에 피토관과 유체의 마찰력 또한 무시했다고 할 수 있다. 따라서 실제 실험에서는 피토관에 의해 생기는 유체의 마찰과 이에 따른 운동에너지의 손실이 반영됨으로 오차의 원인이 되었다.이외에도 이론적으로 유속이 0이 되어야 하는 중심부분에서의 압력 강하현상으로 인해 실제 유속을 계산 하는 과정에서 오차가 발생했다.② 피토 튜브가 평행하게 설치되지 않음으로 발생한 오차피토관의 정압공과 전압공이 유선으로 연결되어 있음을 바탕으로 실험을 진행하였지만 사람의 손으로 피토 튜브를 조작하는 과정에서 튜브가 유동방향과 평행을 이루지 못하였다. 따라서 정압을 정밀하게 측정하지 못했다. 실험 데이터를 보면 x가 40mm에 가까운 부분의 오차율이 유독 높았는데(약 50%), 실험장치 아래의 축에 의해 고정되지 못한 피토튜브의 부분이 증가함으로서 손의 떨림으로부터 오는 진동을 더 많이 받아 각도가 틀어졌기 때문이다. 피토 튜브를 손으로 조작하는 장면③ 기타 인적 오류 및 외부 환경 측정 부재에 따른 오차자로 눈금을 읽는 것과 같은 단순한 계측 오류와 더불어 외부 환경을 사전에 측정하지 않은 점도 오차의 원인이 되었다. 실험실 환경의 측정 부재로 인해 공기밀도를 정밀하게 계산하지 못했다. 따라서 실험실 온도보다 낮은 0DEG C 표준 대기압 상태의 공기 밀도인 1.293kg/mm ^{3} 을 사용하였다. 또한 마노미터에 발생한 기포를 차단하지 못함으로 인해 정압 및 전압 계측의 정확성이 떨어진 것도 오차의 원인이 되었다. 마노미터로 정압, 전압을 측정하는 장면 줄자로 폭을 측정하는 장면2. 고찰 및 건의사항최대한 정확한 계측을 하려고 했지만 계측 과정에서의 부정확성에 의한 오차가 다소 아쉬운 실험이다. 피토 튜브를 움직이는 과정은 고정 축에 의존할 수밖에 없었기 때문에 오차에 대비를 하기 어려웠다. 아직 유체역학을 수강하지 않았지만 이번 실험을 통해 기본적인구속하여 각을 최소화 하는 방법이 있다. 끝으로 아직 유체역학을 이론적으로 배우기 전에 실험을 먼저 하게 되어 여러 어려움이 있었다. 하지만 베르누이 방정식을 유도하고 실생활에 적용되는 분야를 찾아보며 유체역학의 기초를 알아갔음에 만족했던 실험이었다.III. 베르누이 방정식의 원리 및 실생활 적용 사례1. 베르누이의 원리베르누이 방정식은 유체역학에서 자주 사용되지만 잘못 적용되는 경우도 많다. 따라서 전제조건에 대한 이해가 중요하다.베르누이 방정식은 다음과 같은 조건을 갖춘 경우에만 유효하다.1.유체는 비압축성이어야 한다. 압력이 변해도 밀도가 변하지 않아야 한다.2.유선(Streamline)이 경계층을 통과해서는 안 된다. 단, 비회전성 유동일 경우에는 상관없다.3.점성력이 존재하지 않아야 한다.4.시간에 대한 변화가 없어야 한다(정상 상태) 압력과 중력에 의해 유체 입자에 발생하는 힘에 대한 자유물체도위의 조건을 만족하는 베르누이 방정식은 한 개의 유체 입자에 뉴턴의 제 2운동 법칙을 적용하여 유도할 수 있다. 아래의 그림과 같이 미소 원통형 유체 입자는 그 길이가 ds이고 횡 단면적이 dA이다. 여기서 유체 입자에 작용하는 힘은 압력과 중력에 기인한 것이며, 유체 입자의 유동 방향인 s방향으로 작용하는 힘의 합은 다음과 같다.P`dA-(P+ {Partial P} over {Partial s} ds)dA- rho gdsdAcos theta = rho dsdAa _{s}....(1)여기서a _{s}는 s방향으로 유체 입자가 갖는 가속도이며, 다음과 같이 주어진다.a _{s} =V {Partial V} over {Partial s} + {Partial V} over {Partial t}....(2)또한 정상상태라는 가정하에서Partial V/ Partial t=0이며, 기하학적으로 다음과 같이 나타낼 수 있다.cos theta = {Partial h} over {Partial s}....(3)식 (1)을 ds dA로 나누고,a _{s}와cos theta 식을 }....(4)위 식에서 밀도가 일정하다고 가정하고V Partial V/ Partial s`= Partial (V ^{2} /2) Partial s임을 상기한다면 (4)식은 다음과 같이 쓸 수 있다.{Partial } over {Partial s} ( {V ^{2}} over {2} + {P} over {rho } +gh)`=`0....(5)이 식은 주어진 유선 상에서 부합하게 된다.{V ^{2}} over {2} + {P} over {rho } +gh=const....(6)위 식에서 적분상수는 다른 유선상에서 다른 값을 갖는다. 동일 유선 상의 두 점 사이에서 위 식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.{V ^{2 _{1}}} over {2} + {P _{1}} over {rho } +gh _{1} = {V ^{2} _{2}} over {2} + {P _{2}} over {rho } +gh _{2}....(7)2. 실생활 적용 사례① 항공기 날개 및 자동차 스포일러(Spoiler) 항공기 날개의 단면 형상베르누이 원리인 정압과 동압은 항상 같음을 이용한다. 항공기 날개에 기체가 부딫히며 날개부분의 압력을 낮춰 양력을 발생시킨다. 이와 반대로 차량의 스포일러는 주행 중 뒷바퀴의 접지력을 높이기 위해 의도적으로 양력을 발생시켜야 하므로 비행기 날개와 반대되는 단면형상을 가지고 있다. 자동차 스포일러의 단면 형상② 베르누이 원리를 응용한 수력발전 베르누이 원리를 응용한 수력발전그림과 같이 거꾸로 된 ∪자 관 의 한쪽 끝(A)을 저수지에 담그고 다른 관(B)을 가속기에 (T)자 모 양으로 접속시킨 다음, 가속기에 물을 빠르게 흘러 보내면 저수지 에 담긴 (A)관과 가속기에 연결된 (B)관의 양끝은 유속이 다르므로 「베르누이의 정리」에 따라 압력 차가 생겨 물이 흐르게 된다. 이 압력차는 가속기의 유속에 비례한 다. 이때 ∪자관의 높이는 관의 지름에 관계없이 진공상태에서 대 기압(1kg/㎠)에 의하여 최고 10m 까지 높일 수 있다. 그런데 실제로 수력으로 발전하려면 관의

공학/기술| 2018.08.31| 9페이지| 3,000원| 조회(1,041)

국민대, 자동차융합실험, 피토정압관의 압력측정, 베르누이 원리 실험

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