[논문]상어 표피 형상의 3차원 탄성접촉해석

김태완

doi:10.9725/kstle-2012.28.6.297

상어 표피 형상의 3차원 탄성접촉해석
3D Elastic Contact Analysis of Sharkskin Surface Pattern 원문보기

윤활학회지 = Journal of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers, v.28 no.6, 2012년, pp.297 - 302

김태완 (부경대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

We conducted 3D elastic contact analysis of a sharkskin surface pattern for the characteristic assessment of biomimetic shark skin structure pattern for engineering applications. Rough sharkskin surfaces of similar size with real shark skin scales are generated numerically. Under the assumption of the contact of a plate on the generated sharkskin surface, contact performances such as contact pressure, real contact area, and surface separation are evaluated.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 이러한 상어표피 형상의 효과가 거시적인 접촉 기계요소에도 활용될 수 있을 것이라는 가정에서 출발하여 그동안 많은 연구가 있어왔던 항력 감소 특성 이외의 리블렛 구조의 상어 표피 형상에 대한 접촉 특성을 파악하고자 하였다. 즉, 상어 표피 형상의 접촉 특성 평가를 통한 접촉기계요소의 공학적 응용 가능성을 밝히기 위해 상어 표피 형상을 수치적으로 모델링하여 3D 표면 형상을 구현한 후 접촉 해석을 수행하 였다.
본 연구에서는 상어 표피 형상의 접촉기계요소의 공학적 응용 가능성을 평가하기 위해 실제 상어 표피를 측정하여 상어 표피 형상을 표면 거칠기를 고려하여 수치적으로 생성시켰으며 3차원 접촉 해석을 수행하여 그 특성을 살펴보았다. 상어 표피의 비늘을 구성하는 각 리브 위에 존재하는 미세 돌기의 거칠기는 약 Ra = 0.

가설 설정

따라서 본 연구에서는 수치적으로 생성된 상어 표피의 탄성계수를 65 GPa, 프아송비를 0.3으로 가정하고 해석하였으며, 부가 하중 Pn/E는 10-7 에서 3×10-3까지의 범위에서 접촉해석을 수행하였다.
이상의 상어 비늘에 대한 형상 분석을 통해 얻은 데이터를 근거로 접촉해석을 위한 상어 표면을 수치적으로 생성하였다. 상어 비늘 위에 존재하는 하나의 리브를 반타원체로 가정하였으며 각각의 장반경, 단반경 및 높이를 앞 절에서 측정된 값을 기준으로 생성하였다. Fig.

제안 방법

리브 위에 존재하는 미세 돌기의 거칠기는 약 Ra = 0.1 µm에서 0.2 µm정도의 범위에 있는 것을 확인할 수 있었고 이 데이터를 근거로 상어표면의 수치적 생성 시 미세 돌기의 크기를 정하였다.
따라서 리브 구조위에 미세돌기들을 중첩시켜 미세 돌기의 영향을 살펴볼 필요가 있다. 미세돌기들의 수치적 표면 생성은 자기상관함수(autocorrelation function)과 확률밀도함수(probability density function)의 조합으로 3차원 거친 표면의 형태로 생성하였다[13]. Fig.
즉, 상어 표피 형상의 접촉 특성 평가를 통한 접촉기계요소의 공학적 응용 가능성을 밝히기 위해 상어 표피 형상을 수치적으로 모델링하여 3D 표면 형상을 구현한 후 접촉 해석을 수행하 였다. 상어 표피 형상의 리블렛 구조 및 돌기 분포에 따른 접촉압력, 실접촉면적, 표면 간극(surface separation) 등의 접촉 성능을 평가하였다.
2-1. 상어 표피의 형상

상어 표피의 리블렛 구조를 수치적으로 형성시키기 위해 우선 SEM과 3차원 surface profiler를 이용해 표면 형상을 측정하였다. Fig.
본 연구는 이러한 상어표피 형상의 효과가 거시적인 접촉 기계요소에도 활용될 수 있을 것이라는 가정에서 출발하여 그동안 많은 연구가 있어왔던 항력 감소 특성 이외의 리블렛 구조의 상어 표피 형상에 대한 접촉 특성을 파악하고자 하였다. 즉, 상어 표피 형상의 접촉 특성 평가를 통한 접촉기계요소의 공학적 응용 가능성을 밝히기 위해 상어 표피 형상을 수치적으로 모델링하여 3D 표면 형상을 구현한 후 접촉 해석을 수행하 였다. 상어 표피 형상의 리블렛 구조 및 돌기 분포에 따른 접촉압력, 실접촉면적, 표면 간극(surface separation) 등의 접촉 성능을 평가하였다.

이론/모형

6과 같이 하나의 상당 표면(equivalent surface)과 강체면의 접촉으로 모델링할 수 있다. 본 연구에서는 기본적으로 영향함수(influence function)를 이용한 방법으로 3차원 접촉해석을 수행하였다. 접촉문제를 풀기 위해서는 다음의 구속조건에 의한 반복 연산이 필요하다.

성능/효과

실접촉면적율은 겉보기 접촉면적에 대한 실제 접촉하는 면적의 비로 계산되었으며 Fig. 8(b)에서 보는 바와 같이 낮은 하중에서는 실접촉면적율의 변화가 적으나 높은 하중영역에서는 하중이 증가할수록 실접촉면면적율이 급격히 증가함을 알 수 있고 표면이 거칠수록 실접촉면적율이 감소함을 확인할 수 있다. Fig.
상어 표피의 비늘을 구성하는 각 리브 위에 존재하는 미세 돌기의 거칠기는 약 Ra = 0.1 µm에서 0.2 µm정도의 범위에 있는 것을 확인할 수 있었는데, Ra = 0.2 µm의 거칠기를 가진 상어 표피 형상의 접촉 해석 결과, Pn/E=5 × 10-4 이하의 하중조건에서는 매끄러운 경우와 접촉 성능의 차이가 크지 않음을 확인할 수 있었다.
하중이 증가함에 따라 최대접 촉압력은 초기에는 선형적으로 증가하다가 하중이 높을수록 그 증가율이 감소함을 확인할 수 있고 Ra = 1 µm인 표면의 최대접촉압력은 Ra = 0.2 µm인 표면에 비해 상당히 높음을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	상어가 바닷속에서 시속 80킬로미터 까지의 속도를 낼 수 있는 이유는 무엇인가?	상어는 바다 속에서 시속 80킬로미터의 속도까지 낼수 있다. 상어는 자신의 비늘을 세워 피부표면을 가로 지르는 아주 작은 우물들을 만들 수 있으며, 그것이 골프공에 있는 딤플처럼 저항을 줄인다. 이 미세한 비늘은 길이가 200 µm 정도이며 치아와 같은 강한 법랑질로 만들어져 있다.
	상어 비늘에 형성된 리브구조는 어떠한 기능을 제공하는가?	이 미세한 비늘은 길이가 200 µm 정도이며 치아와 같은 강한 법랑질로 만들어져 있다. 상어 표면에 형성된 이(tooth) 형상의 비늘구조 및 비늘 내에 물의 흐름 방향과 평행하게 정렬된 리브구조는 항력을 줄이고 표면 오염 방지 및 자가 세정 능력(anti-fouling/self cleaning)을 제공하게 된다. “Sharkskin effect”라 명명된 이러한 상어 표피에 대한 연구는 많은 과학자들의 관심의 대상이 되고 있다.
	상어 표피의 리브구조가 항력을 줄이고 표면 오염 방지 및 자가 세정 능력을 제공하는 효과를 무엇이라 하는가?	상어 표면에 형성된 이(tooth) 형상의 비늘구조 및 비늘 내에 물의 흐름 방향과 평행하게 정렬된 리브구조는 항력을 줄이고 표면 오염 방지 및 자가 세정 능력(anti-fouling/self cleaning)을 제공하게 된다. “Sharkskin effect”라 명명된 이러한 상어 표피에 대한 연구는 많은 과학자들의 관심의 대상이 되고 있다.

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