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문제 정의
- 고탄성의 에너지 저장형 탄소복합소재 인공발의 체계적인 설계를 위하여 복합소재 적층 모델을 활용한 유한요소 해석모델을 개발하였다. 이를 이용하여 외산 상용 킬재와 유사한 특성을 가지는 킬재의 적층구성을 설계하였으며, 오토클레이브 장비로 킬재를 성형하여 시제품을 제작하였다.
- 본 연구에서는 인공발용 복합소재 킬재의 체계적인 설계기반을 마련하기 위하여 킬재의 하중응답특성을 평가할 수 있는 적층형 복합소재 유한요소 해석모델을 개발하고자 하였다. 이를 이용하여 외산 상용 킬재의 하중응답특성과 유사한 킬재를 설계하고 시제품을 제작하여 시뮬레이션 결과와 비교, 검증하였다.
- 10, 13장 정도의 얇은 두께와 40, 50장 정도의 두꺼운 두께의 두 가지 시편을 제작하였다. 인공발 모델에 사용되는 적층 장 수는 최대 70여 장의 매우 두꺼운 적층이므로 시편 역시 40~50장 두께의 시편을 가지고 물성을 측정함으로써 전단강성의 정확도를 높이고자 하였다. 40~50장의 두께는 하중 전달 시킬재에서 가장 변형이 크게 일어나는 부위의 장수이므로 이를 기준으로 하여 시편을 제작하였다.
- 일반적으로 이방성 소재의 물성을 획득하기 위한 시험에서는 인장, 압축, bi-axial 등의 여러 가지 시험을 복합적으로 수행하지만 본 연구에서는 섬유의 방향과 두께의 변화에 따른 6가지 시편에 대한 굽힘 시험만을 통하여 물성을 획득하고자 하였다. 인공발 킬재의 보행 시 변형 양상은 주로 굽힘 변형이므로 물성획득 시험조건을 3점 굽힘 시험으로 하였으며 획득된 물성을 이용한 시뮬레이션 결과가 시험결과와 잘 맞을 경우 킬재 모델 역시 오차가 최소화될 수 있을 것으로 기대하였다.
가설 설정
- 본 연구에서는 복합소재의 탄성 영역에서의 하중특성을 보고자 하였기 때문에 층 분리 또는 층내 균열 등 구조변화에 따른 강성의 변화는 고려하지 않았다. 이에 따라 시뮬레이션에서는 고전적 층이론에 기반한 선형모델을 사용하였고 시뮬레이션 결과도 선형적으로 나타난다.
제안 방법
- Woven의 경우 0°와 90°가 동일한 조건이므로 90°는 제외된다. 10, 13장 정도의 얇은 두께와 40, 50장 정도의 두꺼운 두께의 두 가지 시편을 제작하였다. 인공발 모델에 사용되는 적층 장 수는 최대 70여 장의 매우 두꺼운 적층이므로 시편 역시 40~50장 두께의 시편을 가지고 물성을 측정함으로써 전단강성의 정확도를 높이고자 하였다.
- 인공발 모델에 사용되는 적층 장 수는 최대 70여 장의 매우 두꺼운 적층이므로 시편 역시 40~50장 두께의 시편을 가지고 물성을 측정함으로써 전단강성의 정확도를 높이고자 하였다. 40~50장의 두께는 하중 전달 시킬재에서 가장 변형이 크게 일어나는 부위의 장수이므로 이를 기준으로 하여 시편을 제작하였다.
- 어댑터는 따로 모델링하지 않고 어댑터와 체결되는 상판 부위에 변위 구속조건을 정의하는 방법으로 구현하였다. 구속조건은 수직방향 변위 자유도를 제외한 다섯가지 자유도를 구속하였다. 상-하판 킬재는 결합되는 발끝 부분에 tie 요소를 이용하여 체결하였으며 상-하판 킬재 간 및 하판-바닥면 간에 접촉 조건을 부여하여 수직방향으로 하강함에 따라 접촉하중이 발생되도록 하였다.
- 하지만 이 계수 값들은 기준 강성행렬계수의 좌표계 변환 및 두께의 반영에 따라 변화된 것 일 뿐이며 동일한 기본 강성행렬 계수로부터 비롯된다. 따라서 본 연구에서는 강성행렬의 자유도의 개수보다 많은 시편 조건들(두께 및 섬유방향이 다른 6가지 조건)에 대한 하중-변형량 시험을 수행하고 동일한 조건의 시뮬레이션을 수행하여 모든 시험조건에 대하여 실험과 근사한 결과를 보여주는 물성을 최종 물성으로 선정하였다.
- 9에는 실험 및 시뮬레이션의 하중-변위 선도를 나타내었다. 먼저 점선으로 표시된 복합소재 시편의 실험결과를 분석하였다. UD의 경우 섬유의 방향, 시편 두께와 상관없이 매우 선형적인 관계를 보이고 있으나, Woven의 경우 섬유의 방향이 0°인 경우에는 선형적이었으나 45° 인 경우에는 비선형적인 특성을 보이고 있다.
- 발과 지면의 각도변화범위를 10° 간격으로 5단계로 나누어 각 각도에 대한 하중 인가 시험 기준을 정의하였다.
- 획득된 강성특성 기준에 부합하는 인공발 킬재의 설계를 위하여 동일한 조건의 시험 방법에 따라 개발 모델을 대상으로 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 과정에서 형상 조건의 변화 없이 적층 설계의 조정만을 통하여 목표로 하는 하중응답특성을 가지는 인공발 킬재를 설계하였다.
- 이에 따라 시뮬레이션에서는 고전적 층이론에 기반한 선형모델을 사용하였고 시뮬레이션 결과도 선형적으로 나타난다. 시뮬레이션 물성을 찾는 과정에서 실험결과의 선형강성이 유지되는 저-중하중 구간의 강성을 따르도록 시뮬레이션 모델의 물성을 설정하였다. 결과적으로 Fig.
- 발등과 발끝부위는 실제모델보다 좁아서 오차가 발생할 수 있으나 실질적으로 하중에 대하여 가장 큰 역할을 하는 부분은 두께가 두꺼운 발목부위이므로 돌출 두께는 발목부위를 기준으로 하였다. 시뮬레이션은 정적 해석으로 수행되었다.
- 시편시험을 수행하고 시뮬레이션 물성을 조정하여 UD 및 Woven의 최종 물성을 획득하였다. Fig.
- 킬재의 강성특성을 평가하기 위한 하중시뮬레이션 모델은 상-하판 킬재와 하중전달에 필요한 바닥면으로 구성하였다. 어댑터는 따로 모델링하지 않고 어댑터와 체결되는 상판 부위에 변위 구속조건을 정의하는 방법으로 구현하였다. 구속조건은 수직방향 변위 자유도를 제외한 다섯가지 자유도를 구속하였다.
- 8). 외산 제품에 대하여 정의된 킬재와 지면과의 다섯 가지 각도 조건에 따른 하중 시험을 수행하여 강성특성 기준을 획득하였다.
- 고탄성의 에너지 저장형 탄소복합소재 인공발의 체계적인 설계를 위하여 복합소재 적층 모델을 활용한 유한요소 해석모델을 개발하였다. 이를 이용하여 외산 상용 킬재와 유사한 특성을 가지는 킬재의 적층구성을 설계하였으며, 오토클레이브 장비로 킬재를 성형하여 시제품을 제작하였다. 시제품에 대하여 하중 실험을 수행하여 시뮬레이션 결과와 비교하였으며 개발된 시뮬레이션 모델을 킬재 설계에 활용 가능하다고 판단할 수 있었다.
- 직진보행성능과 관련된 기계역학적 특성은 체중레벨의 하중에 대한 변형응답특성이다. 입각기 보행 시 인공발의 변형 응답특성은 입각기 구간 전체에 대하여 만족해야 하므로 동적 하중에 대한 동적 변형응답특성을 기준으로 하는 것이 바람직하지만 관련된 실험 및 데이터 획득의 조건이 까다로운 관계로 본 연구에서는 입각기 구간에서 발생되는 발과 지면의 상대 각도범위에 대하여 5가지 시점을 추출하고 이 조건에 따른 기계적인 하중시험을 수행하여 인공발 킬재의 정적 변형응답특성을 구하고 이에 기반한 강성특성을 평가하였다(Fig. 7). 입각기 기간 중 체중레벨의 10% 이상의 하중이 인가되는 조건에서 발의 지면에 대한 각도범위는 약 -20°~20°이다.
- 2에 나타내었다. 제시된 적층 구성은 시뮬레이션 과정을 통하여 결정된 최종 구성으로 인공발 킬재의 구성에 대한 설명을 위하여 먼저 언급하였다. 상-하판 모두 표면층에는 Woven층을 45°로 배열하여 2장~3장씩 깔고, 상판의 경우 내부에 발끝은 12장으로 시작하여 발목부위에는 70장까지 점차적으로 증가하도록 UD 층들을 섬유의 방향이 발의 길이방향과 같도록(0°) 배열하였다.
- 킬재의 복합소재 적층구성을 변화시켜가면서 시뮬레이션을 수행하고 결과로 산출된 변위-하중 특성을 외산 상용 킬재(Sierra™)의 하중특성에 근사하는 적층 설계안을 도출하였다. 최종적으로 도출된 적층 설계안에 따라 킬재 성형을 위한 금형을 설계하고 제작하였으며, 오토클레이브 장비를 이용하여 킬재 원판를 성형하였다(Fig. 10). 킬재 원판은 측면 형상을 돌출시킨 판재형태이므로 최종적인 킬재의 형상을 위하여 워터젯 가공기로 재단을 하였다.
- 10). 킬재 원판은 측면 형상을 돌출시킨 판재형태이므로 최종적인 킬재의 형상을 위하여 워터젯 가공기로 재단을 하였다. 재단된 상-하판 킬재와 어댑터를 조립한 최종 시제품을 Fig.
- 킬재의 복합소재 적층구성을 변화시켜가면서 시뮬레이션을 수행하고 결과로 산출된 변위-하중 특성을 외산 상용 킬재(Sierra™)의 하중특성에 근사하는 적층 설계안을 도출하였다.
- 먼저 유한요소 모델에 필요한 킬재를 이루는 복합소재의 물성을 획득하였다. 킬재의 전체적인 물성은 적층재료의 혼합 및 적층구조에 따라 변화하므로, 원재료인 UD와 Woven 각각에 대한 물성을 획득하였으며 시뮬레이션 모델에서 이를 조합 하여 킬재의 물성이 구현될 수 있도록 하였다. 킬 재는 길이에 따라 두께가 변화하는데 이는 위치에 따라 적층 개수가 달라짐에 따른다.
- 상-하판 킬재는 결합되는 발끝 부분에 tie 요소를 이용하여 체결하였으며 상-하판 킬재 간 및 하판-바닥면 간에 접촉 조건을 부여하여 수직방향으로 하강함에 따라 접촉하중이 발생되도록 하였다. 킬재의 형상은 Fig. 1에 보는 것과는 달리 측면 형상을 발의 폭 방향으로 발목 부위의 두께만큼 돌출시켜서 모델링하였다(Fig. 4). 발등과 발끝부위는 실제모델보다 좁아서 오차가 발생할 수 있으나 실질적으로 하중에 대하여 가장 큰 역할을 하는 부분은 두께가 두꺼운 발목부위이므로 돌출 두께는 발목부위를 기준으로 하였다.
- 획득된 복합소재의 물성을 적용하여 입각기 영역의 다섯가지 지면 상대각도에 대한 킬재 하중특성 시뮬레이션 모델을 구성하였다. 킬재의 복합소재 적층구성을 변화시켜가면서 시뮬레이션을 수행하고 결과로 산출된 변위-하중 특성을 외산 상용 킬재(Sierra™)의 하중특성에 근사하는 적층 설계안을 도출하였다.
대상 데이터
- 인공발 킬재 제작에 사용된 프리프레그는 굽힘강성을 높이기 위한 단방향(unidirectional) 섬유와 변형량 증가에 따른 취성파괴를 막기 위한 직조(woven) 섬유의 두 가지 종류를 사용하였다. UD 프리프레그에는 SK케미컬사의 USN150A를 사용하였으며, Woven 프리프레그에는 WSN3K 를 사용하였다.
- 먼저 유한요소 모델에 필요한 킬재를 이루는 복합소재의 물성을 획득하였다. 킬재의 전체적인 물성은 적층재료의 혼합 및 적층구조에 따라 변화하므로, 원재료인 UD와 Woven 각각에 대한 물성을 획득하였으며 시뮬레이션 모델에서 이를 조합 하여 킬재의 물성이 구현될 수 있도록 하였다.
- 본 연구에서는 인공발의 기계적인 성능이 주된 관심분야이기 때문에 외피는 배제하고 연구를 진행하였다. 본 연구에서 고안한 인공발 킬재는 Fig. 1에 보는 바와 같이 어댑터, 상-하판 킬재의 3가지 요소로 구성하였다. 상판은 발바닥 닿기 시점부터 발끝 떼기의 시점까지 체중에 의해 저장된 탄성 에너지를 방출하여 추진력을 제공하는 역할을 하며, 하판은 뒤꿈치 닿기 시점에서 발생하는 충격을 흡수하는 역할을 한다.
- 선정된 상용 인공발 킬재 제품은 외산 제품으로 Freedom社의 Sierra™(모델명)이다(Fig. 8).
- 시편은 길이 100mm, 폭 15mm 크기의 직사각형 형태로 인공발용 킬재에 사용될 UD (unidirection) 및 Woven의 두 종류에 대하여 길이 방향을 기준으로 섬유의 방향을 0°, 45°, 90°의 세가지 방향으로 시편을 제작하였다.
- 요소 종류로는 모든 요소에 대하여 S4R Shell을 사용하였다. 요소의 개수는 총 2321개이다.
- 상판과 하판은 발끝 지점에서 탄소섬유로 묶은 후 에폭시로 고형화하는 방식으로 결합시켰다. 인공발 킬재 제작에 사용된 프리프레그는 굽힘강성을 높이기 위한 단방향(unidirectional) 섬유와 변형량 증가에 따른 취성파괴를 막기 위한 직조(woven) 섬유의 두 가지 종류를 사용하였다. UD 프리프레그에는 SK케미컬사의 USN150A를 사용하였으며, Woven 프리프레그에는 WSN3K 를 사용하였다.
- 인공발 킬재의 설계를 위하여 보행에 적합한 인공발의 강성 특성에 대한 기준이 필요하였다. 인공발의 기계적인 강성 특성과 보행 성능 간의 관계성에 대한 체계화된 데이터가 없기 때문에, 상용화된 기존제품 중 본 연구에서 설계된 인공발 킬재의 형태와 유사한 모델을 기준 모델로 선정하였다. 선정된 상용 인공발 킬재 제품은 외산 제품으로 Freedom社의 Sierra™(모델명)이다(Fig.
- 킬재의 강성특성을 평가하기 위한 하중시뮬레이션 모델은 상-하판 킬재와 하중전달에 필요한 바닥면으로 구성하였다. 어댑터는 따로 모델링하지 않고 어댑터와 체결되는 상판 부위에 변위 구속조건을 정의하는 방법으로 구현하였다.
- 획득된 강성특성 기준에 부합하는 인공발 킬재의 설계를 위하여 동일한 조건의 시험 방법에 따라 개발 모델을 대상으로 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 과정에서 형상 조건의 변화 없이 적층 설계의 조정만을 통하여 목표로 하는 하중응답특성을 가지는 인공발 킬재를 설계하였다.
데이터처리
- 본 연구에서는 인공발용 복합소재 킬재의 체계적인 설계기반을 마련하기 위하여 킬재의 하중응답특성을 평가할 수 있는 적층형 복합소재 유한요소 해석모델을 개발하고자 하였다. 이를 이용하여 외산 상용 킬재의 하중응답특성과 유사한 킬재를 설계하고 시제품을 제작하여 시뮬레이션 결과와 비교, 검증하였다.
이론/모형
- UD의 경우, 판상에 두 개의 축을 구성하였을때 물성이 다른 방향이 한 축에 해당하며 나머지 축 방향 물성은 판상에 수직한 축과 동일한 물성을 가진다. 따라서 시뮬레이션 상에서 평면응력 조건에서 횡등방성 물성을 구현한 Lamina 모델을 사용하였다. 그러나 Woven의 경우에는 판상의 면 위에서 직조된 형태이므로 판상의 두 축에 대하여 같은 물성을 가지며 면에 수직한 축 방향의 물성이 다른 값을 가진다.
- 그러나 Woven의 경우에는 판상의 면 위에서 직조된 형태이므로 판상의 두 축에 대하여 같은 물성을 가지며 면에 수직한 축 방향의 물성이 다른 값을 가진다. 이 경우에는 Abaqus에서 제공되는 Lamina 모델로 구현이 불가능하므로 Orthotropic 모델을 사용하였다. Lamina의 구성방정식은 기본적으로 5개의 자유도를 가지지만 Orthotropic 모델은 9개의 자유도를 가진다.
- 킬 재는 길이에 따라 두께가 변화하는데 이는 위치에 따라 적층 개수가 달라짐에 따른다. 이러한 적층 영역의 구분은 Abaqus의 Partition 기법을 이용하였다. Fig.
- 본 연구에서는 복합소재의 탄성 영역에서의 하중특성을 보고자 하였기 때문에 층 분리 또는 층내 균열 등 구조변화에 따른 강성의 변화는 고려하지 않았다. 이에 따라 시뮬레이션에서는 고전적 층이론에 기반한 선형모델을 사용하였고 시뮬레이션 결과도 선형적으로 나타난다. 시뮬레이션 물성을 찾는 과정에서 실험결과의 선형강성이 유지되는 저-중하중 구간의 강성을 따르도록 시뮬레이션 모델의 물성을 설정하였다.
- 인공발 킬재의 복합소재 적층 모델의 구현 및 기계적 특성을 평가하기 위한 유한요소 해석 솔루션으로 Abaqus™를 사용하였다.
성능/효과
- 시뮬레이션 물성을 찾는 과정에서 실험결과의 선형강성이 유지되는 저-중하중 구간의 강성을 따르도록 시뮬레이션 모델의 물성을 설정하였다. 결과적으로 Fig. 9를 보면 최종적으로 결정된 물성에 따른 시뮬레이션 결과와 실험 결과가 모든 시험조건에 대하여 유사하게 나타나고 있는 것을 확인할 수 있다.
- 시편과 인공발의 성형조건의 차이, 인공발의 두께 변화에 따른 계단식 적층 구조의 영향, 제작된 킬재의 폭방향 두께 조건이 시뮬레이션 모델과 다른 점 등 다양한 오차 발생 요소가 존재함에 따라 정확히 일치한 결과를 얻지는 못했다. 그러나 이러한 결과의 차이는 충분히 예상 가능한 수준이었으며 적층설계의 강성특성을 예측하는 도구로써 시뮬레이션 모델의 활용은 충분히 가능하다고 판단하였다. 두 결과의 차이가 비교적 큰 구간은 Toe(20°, 10°) 및 Foot Flat(0°)의 결과에서 2000N 이상의 고하중 영역이다.
- 따라서 Woven 45°를 킬재의 상-하부 표피면에 적용하면 킬재의 파단강도를 높이는 역할을 할 수 있을 것으로 판단하였다.
- 그리고 목적하는 강성 레벨에 근사하는 적층구성이 설계가 된다면 20%범위의 강성레벨 차이는 기존 설계로부터 단 몇 장의 적층 개수를 조정하여 해결할 수 있다. 따라서 개발된 시뮬레이션 모델로 정확한 적층 설계안은 구할 수는 없으나 보행에 적합한 수준의 강성을 예측하는 데는 충분히 활용 가능할 것으로 판단하였다.
- 제작된 인공발 킬재를 하퇴 절단환자가 착용하고 보행분석을 수행한 결과, 기준모델(Sierra™)을 착용한 결과와 비교하여 유사한 보행특성을 가지는 것을 확인하였다. 보행분석을 통하여 산출되는 보행특성 파라미터들(보행속도, 관절궤적, 관절토크 등)뿐만 아니라 환자의 주관적인 착용성능 평가에 있어서도 만족함을 확인하였다.
- 2배이며 성인의 체중 레벨에 기준하여 약 100kg 이하의 하중이 작용한다. 본 연구의 인공발 킬재 개발관점은 보행에 적합한 강성특성을 찾는 것이므로 1000N 이하의 하중 레벨을 고려할 때 시뮬레이션 결과와 실험 결과가 근사하게 나타났다고 판단하였다. 1000N 이하의 영역에서도 실험과 시뮬레이션 결과의 차이가 최대 15% 가량 발생하고 있어서 시뮬레이션 모델의 정확성 측면에서는 문제가 될 수도 있다.
- 섬유의 직조에 의한 결합력과 섬유의 45° 방향에 따른 구조적 특성으로 인하여 굽힘 변위가 증가하여도 섬유가 끊어지지 않아서 완전파단이 이루어지지 않는 것으로 판단되었다.
- 이를 이용하여 외산 상용 킬재와 유사한 특성을 가지는 킬재의 적층구성을 설계하였으며, 오토클레이브 장비로 킬재를 성형하여 시제품을 제작하였다. 시제품에 대하여 하중 실험을 수행하여 시뮬레이션 결과와 비교하였으며 개발된 시뮬레이션 모델을 킬재 설계에 활용 가능하다고 판단할 수 있었다.
- 시험과 시뮬레이션의 하중특성이 전반적으로 유사하게 나타났으나 고하중 영역에서 오차가 커지는 것으로 나타났다. 시편과 인공발의 성형조건의 차이, 인공발의 두께 변화에 따른 계단식 적층 구조의 영향, 제작된 킬재의 폭방향 두께 조건이 시뮬레이션 모델과 다른 점 등 다양한 오차 발생 요소가 존재함에 따라 정확히 일치한 결과를 얻지는 못했다.
- 인공발에 요구되는 성능은 보행성능, 내구성, 파괴강도 등을 들 수 있다. 여기서 인공발 본연의 기능인 보행성능은 가장 중요한 성능이며, 본 연구의 개발관점은 보행성능 중에서 근본적인 성능인 직진보행성능의 구현이다. 직진보행성능과 관련된 기계역학적 특성은 체중레벨의 하중에 대한 변형응답특성이다.
- 제작된 인공발 킬재를 하퇴 절단환자가 착용하고 보행분석을 수행한 결과, 기준모델(Sierra™)을 착용한 결과와 비교하여 유사한 보행특성을 가지는 것을 확인하였다.
후속연구
- 시뮬레이션 모델은 이러한 등급 모델의 설계 시 활용이 가능할 것이다. 또한 새로운 구조 및 형태의 복합소재 킬재의 개발 시에 시뮬레이션 모델을 사용하면 개발기간 및 비용을 단축시킬 수 있을 것이다.
- 본 연구에서는 보행에 적합한 하중 특성의 기준이 없어서 외산 인공발의 하중특성에 맞추었으나 인공발 보행 성능의 최적화를 위해서는 보행역학 특성과 인공발의 기계적인 특성을 연관 지을 수 있는 기준을 마련해야 한다. 이를 위하여 향후 족관절 및 발에 관한 구체적인 보행분석실험을 수행하고 보행 성능을 인공발의 기계적 특성으로 표현할 수 있는 파라미터를 추출하는 작업을 수행하여 과학적이며 체계화된 인공발 설계 방법이 제시되어야 할 것이다.
- 본 연구의 관점은 시상면에서의 굽힘 특성이며 이는 보행에 있어서 가장 기본이면서 중요한 성능 지표이다. 불규칙 지형 보행이나 스포츠 활동 시에는 그 밖의 변형특성도 발생가능하며 향후 첨단 인공발의 개발을 위해서는 이를 고려한 체계적인 설계도 수행되어야 할 것이다.
- 인공발 킬재의 경우 사용자의 체중 및 보행능력에 따라서 동일한 발크기에 대하여 강성에 차이가 나는 등급 모델이 구성되어야 한다. 시뮬레이션 모델은 이러한 등급 모델의 설계 시 활용이 가능할 것이다. 또한 새로운 구조 및 형태의 복합소재 킬재의 개발 시에 시뮬레이션 모델을 사용하면 개발기간 및 비용을 단축시킬 수 있을 것이다.
- 본 연구에서는 보행에 적합한 하중 특성의 기준이 없어서 외산 인공발의 하중특성에 맞추었으나 인공발 보행 성능의 최적화를 위해서는 보행역학 특성과 인공발의 기계적인 특성을 연관 지을 수 있는 기준을 마련해야 한다. 이를 위하여 향후 족관절 및 발에 관한 구체적인 보행분석실험을 수행하고 보행 성능을 인공발의 기계적 특성으로 표현할 수 있는 파라미터를 추출하는 작업을 수행하여 과학적이며 체계화된 인공발 설계 방법이 제시되어야 할 것이다.
- 일반적으로 이방성 소재의 물성을 획득하기 위한 시험에서는 인장, 압축, bi-axial 등의 여러 가지 시험을 복합적으로 수행하지만 본 연구에서는 섬유의 방향과 두께의 변화에 따른 6가지 시편에 대한 굽힘 시험만을 통하여 물성을 획득하고자 하였다. 인공발 킬재의 보행 시 변형 양상은 주로 굽힘 변형이므로 물성획득 시험조건을 3점 굽힘 시험으로 하였으며 획득된 물성을 이용한 시뮬레이션 결과가 시험결과와 잘 맞을 경우 킬재 모델 역시 오차가 최소화될 수 있을 것으로 기대하였다. 각각의 시편은 Table 1에 나타낸 구성으로 이루어져 있다.
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