초록

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음료수 캔은 우리 주위에서 쉽게 찾아볼 수 있는 밀봉재이다. 캔 음료는 우리 주위에서 아주 쉽게 접할 수 있음에도 불구하고 개봉에 있어서 어려움이 많은 편이다. 성인은 쉽게 개봉할 수 있지만 어린아이나 노약자의 경우 쉽게 개봉하지 못하는 모습을 확인할 수 있다. 음료수 캔 리드부분을 살펴보면 같은 음료일지라도 디자인이 조금씩 다르고, 캔커피의 경우 커피의 종류별로 입구부분이 좁은 것부터 넓은 것까지 다양한 모습을 가지고 있다. 본 연구에서는 에디슨 구조동역학 프로그램을 이용하여 음료수 캔 리드부분의 디자인에 따른 개봉 힘을 비교한다. 응력 특이성이 있는 부분에 대한 합리적인 전단응력 도출 방법을 고려하여 같은 힘을 가했을 경우의 전단응력을 도출하였다. 분석 결과 제품별 개봉하는 데 필요한 힘의 차이를 확인할 수 있었고, 외력보다 내압으로 인한 전단응력의 차이가 더 주요하다는 것을 확인하였다. 도출된 결과는 음료수 캔 리드부 디자인을 효율적으로 개선하는 바탕이 될 수 있다.

음료수 캔은 우리 주위에서 쉽게 찾아볼 수 있는 밀봉재이다. 캔 음료는 우리 주위에서 아주 쉽게 접할 수 있음에도 불구하고 개봉에 있어서 어려움이 많은 편이다. 성인은 쉽게 개봉할 수 있지만 어린아이나 노약자의 경우 쉽게 개봉하지 못하는 모습을 확인할 수 있다. 음료수 캔 리드부분을 살펴보면 같은 음료일지라도 디자인이 조금씩 다르고, 캔커피의 경우 커피의 종류별로 입구부분이 좁은 것부터 넓은 것까지 다양한 모습을 가지고 있다. 본 연구에서는 에디슨 구조동역학 프로그램을 이용하여 음료수 캔 리드부분의 디자인에 따른 개봉 힘을 비교한다. 응력 특이성이 있는 부분에 대한 합리적인 전단응력 도출 방법을 고려하여 같은 힘을 가했을 경우의 전단응력을 도출하였다. 분석 결과 제품별 개봉하는 데 필요한 힘의 차이를 확인할 수 있었고, 외력보다 내압으로 인한 전단응력의 차이가 더 주요하다는 것을 확인하였다. 도출된 결과는 음료수 캔 리드부 디자인을 효율적으로 개선하는 바탕이 될 수 있다.

AI 본문요약

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• 연구 주제
• 연구 방법
• 연구 결과

문제 정의

• 본 연구에서는 유한요소해석을 통하여 음료수 캔 개봉 시 윗부분에 걸리는 응력을 해석하였다. 내압과 힘을 복합적으로 해석한 결과 C 제품이 A제품보다 개봉하는 데에 힘이 더 필요한 것을 알 수 있었다.

가설 설정

• 16mm로 동일하였다. 깊은 홈의 경우 AFM으로 측정이 불가능하여 0.18mm로 가정하였다. 또한 실제 음료수 캔 윗부분의 경우 곡률이 있지만 본 연구에서는 곡률이 없이 평평한 면으로 가정하고 구하였다.
• 또한 실제 음료수 캔 윗부분의 경우 곡률이 있지만 본 연구에서는 곡률이 없이 평평한 면으로 가정하고 구하였다. 또한 면에서 튀어나온 부분도 두께는 0.2mm 로 일정하기 때문에 평면으로 가정한 후 해석하였다.
• 18mm로 가정하였다. 또한 실제 음료수 캔 윗부분의 경우 곡률이 있지만 본 연구에서는 곡률이 없이 평평한 면으로 가정하고 구하였다. 또한 면에서 튀어나온 부분도 두께는 0.

제안 방법

• 본 연구에서는 첫 번째로 요소망 세분화 해 석을 통해 신뢰성 있는 요소망 수준과 요소를 선택한다. 두 번째로, 합리적인 응력 도출 방법과, 전단 이론을 기초로 한 분석 방법을 제안하고 이를 통해 리드부에서 가장 힘이 강하게 걸리는 부분의 응력을 도출한다. 세 번째로, 연성재료의 항복이론 중 트레스카 전단 이론을 사용하여 음료수 캔의 종류별로 항복이 일어나게 되는 힘을 구하여 비교한다.
• 그림 6과 같이, 응력 도출 위치인 부분은 유한 요소 모델링 과정에서의 가정에 의해 응력 특이성이 발생하는 부분으로, 이 부분의 응력은 신뢰할 수 없는 값이다. 따라서 절점 힘의 두께 방향 평균을 도출하고 이를 단면 면적으로 나눈, 평균 응력을 사용한다.
• 본 연구에서는 첫 번째로 요소망 세분화 해 석을 통해 신뢰성 있는 요소망 수준과 요소를 선택한다. 두 번째로, 합리적인 응력 도출 방법과, 전단 이론을 기초로 한 분석 방법을 제안하고 이를 통해 리드부에서 가장 힘이 강하게 걸리는 부분의 응력을 도출한다.
• 두 번째로, 합리적인 응력 도출 방법과, 전단 이론을 기초로 한 분석 방법을 제안하고 이를 통해 리드부에서 가장 힘이 강하게 걸리는 부분의 응력을 도출한다. 세 번째로, 연성재료의 항복이론 중 트레스카 전단 이론을 사용하여 음료수 캔의 종류별로 항복이 일어나게 되는 힘을 구하여 비교한다. 이를 통하여 가장 효율적인 음료수 캔의 디자인을 알아볼 수 있고, 음료수 캔 디자인에 있어서 더 나은 방향으로의 제시를 할 수 있다.
• 본 연구에서 분석한 캔의 종류는 총 세 종류이며 최대한 동일한 조건을 주기 위하며 모 두 캔 커피를 대상으로 하였다. 음료수 캔의 치수는 기본적으로 버니어 캘리퍼스를 이용하여 측정하였으며, 홈과 같이 측정이 어려운 부분은 Atomic Force Microscope(AFM)을 이용하여 측정하였다.

대상 데이터

• 본 연구에서 분석한 캔의 종류는 총 세 종류이며 최대한 동일한 조건을 주기 위하며 모 두 캔 커피를 대상으로 하였다. 음료수 캔의 치수는 기본적으로 버니어 캘리퍼스를 이용하여 측정하였으며, 홈과 같이 측정이 어려운 부분은 Atomic Force Microscope(AFM)을 이용하여 측정하였다.

이론/모형

• 연성재료의 항복의 경우 크게 Von Mises 항복이론과 Tresca 전단이론이 있다. 두 이론의 결과 값의 차이는 크지 않고, 이 해석에서 주된 응력이 전단응력이기 때문에 본 연구에서는 Tresca 전단이론을 채택하였다. Tresca 전단이론 이란 최대전단응력이 전단항복응력을 초과할 때 항복이 일어난다는 이론이고, 다음과 같이 나타낼 수 있다 [5].
• 하지만 SHL41 요소는 얇은 평판에 적용되는 요소로, 이 부분에 적합하지 않은 반면에 SLD081S 요소는 일반 연속체 요소처럼 사용할 수 있는 요소이다. 따라서 본 연구에서는 SLD081S 요소와 모델 3정도의 요소망 수준을 사용한다.

성능/효과

• C제품이 개봉하는 데 가장 힘이 많이 들고, A제품이 가장 힘이 적게 드는 것으로 나타났다. 또한, 사람이 가하는 힘에 의한 응력 분포는 각 캔 모델에서 큰 차이가 없고, 작용하는 내압 분포의 차이가 더 주요한 것으로 나타났다.
• 가장 성긴 요소망에서는 각 요소의 결과 차이가 크게 나타나지만 세분화된 요소망으로 갈수록 차이가 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 또한 모델 3 요소망에서는 SLD081S 요소와 SHL41 요소의 결과 차이가 거의 없게 나타난다.
• 본 연구에서는 유한요소해석을 통하여 음료수 캔 개봉 시 윗부분에 걸리는 응력을 해석하였다. 내압과 힘을 복합적으로 해석한 결과 C 제품이 A제품보다 개봉하는 데에 힘이 더 필요한 것을 알 수 있었다. 또한 외부에서 가하는 힘보다도 내압으로 인한 전단응력의 차이가 큰 것을 알 수 있었다.
• 내압과 힘을 복합적으로 해석한 결과 C 제품이 A제품보다 개봉하는 데에 힘이 더 필요한 것을 알 수 있었다. 또한 외부에서 가하는 힘보다도 내압으로 인한 전단응력의 차이가 큰 것을 알 수 있었다. 본 연구에서는 깊은 홈 깊이와 곡률을 비롯한 여러 가지 가정을 넣어 실제 음료수를 딸 때의 힘과 어느 정도 차이는 있을 수 있다.
• C제품이 개봉하는 데 가장 힘이 많이 들고, A제품이 가장 힘이 적게 드는 것으로 나타났다. 또한, 사람이 가하는 힘에 의한 응력 분포는 각 캔 모델에서 큰 차이가 없고, 작용하는 내압 분포의 차이가 더 주요한 것으로 나타났다.

후속연구

• 하지만 형상에 따른 경향성을 찾아 볼 수 있었고, 이러한 가정들을 보완한다면 더 나은 결과를 얻을 수 있을 것으로 기대한다. 도출된 결과는 향후 내압에 더 잘 견디고 적은 힘으로 딸 수 있도록 하는 디자인 개선의 바탕이 될 수 있다.
• 이 결과는 모델링 단순화, 유한 요소 모델링 과정에서의 오차 등이 포함되어 있으므로, 더 상세한 모델을 구성하여 해석하면 더 신뢰성 있는 결과를 도출할 수 있을 것으로 기대된다.
• 본 연구에서는 깊은 홈 깊이와 곡률을 비롯한 여러 가지 가정을 넣어 실제 음료수를 딸 때의 힘과 어느 정도 차이는 있을 수 있다. 하지만 형상에 따른 경향성을 찾아 볼 수 있었고, 이러한 가정들을 보완한다면 더 나은 결과를 얻을 수 있을 것으로 기대한다. 도출된 결과는 향후 내압에 더 잘 견디고 적은 힘으로 딸 수 있도록 하는 디자인 개선의 바탕이 될 수 있다.

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이 논문을 인용한 문헌

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