초록 ▼

본 연구에서는 생물체 및 생물학적 현상과 관련된 지식이 공학적 문제 해결에 보다 용이하게 활용 될 수 있는 디자인 방법론을 개발하고, 생체모방 디자인 방법론을 활용하여 구체적인 사례를 제시하고자 하였다. 통상적으로 사용되는 key-words에 기반을 둔 생물학적 데이터베이스에 의존하지 않고도 공학자의 생체모방을 원활하게 하는, 즉 현존하는 생물학지식영역(biological knowledge domain)에서 공학지식영역(engineering knowledge domain)으로 필요한 정보를 가장 적절한 형태로 전환하여 보다 빠르고

본 연구에서는 생물체 및 생물학적 현상과 관련된 지식이 공학적 문제 해결에 보다 용이하게 활용 될 수 있는 디자인 방법론을 개발하고, 생체모방 디자인 방법론을 활용하여 구체적인 사례를 제시하고자 하였다. 통상적으로 사용되는 key-words에 기반을 둔 생물학적 데이터베이스에 의존하지 않고도 공학자의 생체모방을 원활하게 하는, 즉 현존하는 생물학지식영역(biological knowledge domain)에서 공학지식영역(engineering knowledge domain)으로 필요한 정보를 가장 적절한 형태로 전환하여 보다 빠르고 쉽게 공학적 문제 해결에 적용할 수 있게 하는 공학디자인 방법론을 개발하고자 하였다. 또한 개발된 방법론을 구체적인 사례에 적용하여 공학적으로 의미 있는 설계안을 도출하고자 하였다.
첫 번째 주제인 “부엉이 깃 형상을 이용한 공력소음 저감 설계”에서는 부엉이 깃 형상이 고속철도의 차간 소음에 미치는 영향을 전산해석 방법으로 산출하고, 산출된 결과를 실험결과를 통하여 보정하는 공학해석을 마무리하였다. 부엉이의 무소음 비행에 관여하는 주요 형상인자를 도출하였고, 이들 인자 수준에 따른 와류 발생 메카니즘을 먼저 파악하였다. 발생하는 와류의 특성에 따른 공력소음 수준을 주파수 대역별로 산출하였다. 또한 모델의 스케일링에 따른 연구의 결과를 통해 공력소음의 저감효과를 살펴보았다. 관심주파수 영역을 100 ~ 4000 Hz까지 설정하고 해석을 수행하였다. 해석결과 전반적으로 소음저감 효과가 있는 것을 확인하였지만, 각 주파수 영역 대에 따라 그 효과가 차이가 있는 것을 확인하였다. 또한 관심 주파수 영역인 250 ~ 4000 Hz 까지에서 전체소음도의 공간적인 분포도를 도출하였으며 고속철도 차간 공간에 부착 시 소음 저감 효과가 존재하는 것으로 예측 되었다. 해석 결과를 바탕으로 공력소음 저감 설계안을 도출하였고, 특허 출원을 완료 하였다.
두 번째 주제인 “벌집(Honeycomb) 구조의 다기능성 최적설계 연구”에서는 벌집을 대상으로 형상 및 구조 관점에서 벌집의 충격 흡수 능력과 차음 성능의 다기능적으로 최적화된 공학설계인자 값을 도출하고자 하였다. 충격 흡수 능력의 주요 형상 인자를 도출하기 위하여 충돌시 최적의 에너지 흡수 기능을 갖는 벌집 형상을 도출하였고, 진동 및 소음 방사에서 최적의 기능을 갖는 벌집 형상을 도출하였다. 우선적으로 벌집 구조가 갖는 우수한 충격 흡수 능력의 주요 형상 인자를 도출하기 위해 단위 공동을 구성하는 독립적인 변수를 설정하여 전산해석모델을 구성 하였다. 해석 결과 단위 공동을 구성하는 사이각(θ)이 충돌 흡수에 민감하게 작용하는 것으로 파악되었다. 사이각(θ)이 60°인 경우 가장 우수한 충격 흡수 능력을 갖는 것으로 예측되었으며 90°를 중심으로 충격 흡수 능력이 하락되는 것으로 예측되었다.
차음 성능 연구를 위하여 충격 흡수 모델을 이중벽 구조 모델로 수정하여 차음 성능과 방사파워를 전산해석을 통하여 주파수 대역별로 산출하였다. 허니콤 구조로 이루어진 차음판은 단위 공동의 형상에 의해 첫 번째 공진 주파수대역이 다르게 존재한다. 벌집 구조 형상 모델은 첫 번째 공진에 의해 차음 성능 하락 대역에서 차이가 존재하며 이에 따라 첫 번째 공진 주파수 대역 이후에 차음 성능에 영향을 미치는 것으로 결과를 도출 하였다. 차음 성능의 경우 충격 흡수결과와는 상이하게 사이각(θ)이 클수록 단위 공동의 면적이 작아지며 공진 주파수 대역이 상대적으로 고주파로 이동하게 된다. 하지만 정육각형 구조 즉, 사이각(θ)이 60°인 모델은 충격 흡수능력이 우수하며 차음 성능 하락 대역에 2,000 Hz 대역으로 가청 주파수 대역 중 사람이 민감하게 반응하는 대역 이후에 존재하므로 충격 흡수와 차음 성능이 모두 요구되는 대상에는 가장 합리적인 형상으로 판단된다. 해석 결과를 바탕으로 소음 저감 설계안을 도출하였고, 특허 출원 중이다.

목차 Contents

• 일반연구자지원사업 최종(결과)보고서 ... 1
• 목 차 ... 2
• Ⅰ. 연구결과 요약문 ... 3
• Ⅱ. 연구내용 및 결과 ... 4
• 1. 연구과제의 개요 ... 4
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 4
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 5
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 10
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 11
• Ⅲ. 연구성과 ... 12