재료역학실험 - 원통형 (Cylinder) 압력용기 설계 및 실험

소개글

재료역학실험 - 원통형 (Cylinder) 압력용기 설계 및 실험에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 실험 목적

2. 실험 이론
2.1 원통형 압력용기
2.2 안전계수 (Safety factor)
2.3 Margin of Safety
2.4 Strain 측정 방법

3. 실험 장비

4. 실험방법

5. 실험결과

6. 결과 및 오차 분석

7. 개인별 참여 및 소감

8. 참고 자료

본문내용

콜라 캔은 정확한 원통형이 아니기 때문에 끝 부분에서 응력집중 현상이 일어날 수 있다. 또한 내부 압력역시 고르게 분포되어 있지 않다. 따라서 Strain gages를 부착할 때 보다 정확한 값을 측정하기 위하여 가로 및 세로 모두 캔의 중앙에 정확하게 부착해야 한다. 그러나 실험 중에 부착과정은 육안으로 모두 이루어졌으므로 strain gage가 약간만 삐뚤어지게 붙는다면 오차에 영향을 주게 된다. 또한 strain gage를 붙이면서 용기 벽에 strain gage가 정확하게 딱 달라붙지 않아서 본드를 약간 더 발라서 마무리를 지었는데 이 과정 역시 오차에 영향을 주게 되었다. 실제로 이러한 원인에 의해 길이방향 변형률의 값이 큰 오차를 가지게 되었다.
◎ 캔 내부의 압력 분포
캔 내부에는 액체와 기체로 구성되어 있다. 여기서부터 벌써 캔 내부의 압력 분포는 고르지 못하다는 것을 알 수 있다. 캔 내부 전체에 액체가 담겨있는 것이 아니기 때문이다. 또한 탄산음료를 담고 있기 때문에 strain gage를 부착하고 이동하는 중에 캔이 흔들리면서 내부 압력이 달라진다. 마지막에 인디케이터 세팅까지 완료한 후 어느 정도 시간을 두고 캔을 따야 그나마 적은 오차를 낼 수 있지만, 그렇지 않았기에 역시 오차 발생에 영향을 미치게 된다.
◎ 전자 측정 장비 관련 오차
레이저를 이용한 계측기기 이외에 모든 측정기기는 오차를 가진다고 계측공학 수업시간에 배웠었다. 그렇기 때문에 우리 실험에 사용되었던 인디케이터 역시 오차를 가질 것이다. 대표적인 예로 분해능 오차를 들을 수 있다. 또한 디지털 기기이므로 데이터를 샘플링 하면서 생긴 오차도 있을 것이다. 또한 strain gage 역시 gage factor와 저항 값이 각각 과 로 제시되어 있으므로 오차를 가지고 있다. 작은 크기인 것처럼 보여도 위에 제시한 여러 가지 원인들과 얽혀서 오차 발생에 영향을 주었다고 생각한다.
7. 개인별 참여 및 소감
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작년에 재료역학2를 수강하면서 압력용기 부분은 재미있게 수업을 들었던 부분이여서 기대를 많이 했었다. 선배들이 해주신 얘기로는 오차도 크게 발생하지 않는 쉬운 실험이라고 했었다. 실제로 strain gage를 이용하는 실험은 이번 학기만 세 번째여서 실험 내용은 어렵지 않았다. 하지만 오차가 크게 발생해서 오차의 원인을 찾는 데 꽤 많은 노력을 기울였다. 오차 분석을 하기 위해 많이 알아보고 고민해보았기 때문에 이론이 아닌 실제 상황에서 발생하는 경우에 대해 많은 공부가 되었고, 또한 캔의 재료를 정확히 찾기 위해서 국내 납품회사 홈페이지부터 외국의 자료까지 찾으면서 캔이 어떻게 만들어지는지 기본적인 상식을 쌓을 수 있게 되었다.
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이번 실험을 통해 즐겨 마시던 음료 켄 안에 내부압력이 존재하고 있다는 사실을 알게 되었다. 하지만 실험결과 오차가 크게 나와 아쉬움이 남지만 직접 스트레인 게이지도 부착하고 미숙하지만 납땜 같은 작업을 직접 할 수 있는 좋은 계기가 되었던 것 같다. 그리고 재료역학에서 이론으로만 알고 있던 용기내의 내압에 따른 두께설계의 중요성을 알게 되었고 실험을 통해서 확인 할 수 있었다. 기회가 된다면 나중에 콜라켄이 아닌 다른 두께가 다른 음료수 켄들도 실험을 해보고 싶다.
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지금까지 스트레인게이지를 이용한 몇몇 실험들이 있었다. 하지만 시편의 특성을 구해보며 그 시편이 어디에 쓰이는 금속인지, 금속의 이름은 먼지 에 대해 신경을 쓰지 않고 실험하는 경우가 대부분이었다. 이번실험은 우리가 흔히 볼 수 있는 알루미늄 그중 제일 흔한 콜라 캔에 대한 특성치를 구해보는 실험이라는 데에 시작부터 기대되는 실험이었다.
스트레인게이지를 이용하여 그 캔 안의 처음 압력에 대해 구했을 때 우리 조의 값 중 한 값이 예상보다 적게 나왔었다. 확인 해봤지만 스트레인게이지도 잘 붙어있고 처음 저항 값을 구할 때 값이 잘 나온 것을 보면 납땜도 잘 되어있었다. 그래서 오차 분석을 할 때 많은 고민을 통해 결론을 낸 것이 굉장히 보람이 있었다.
일상에서 흔히 접해 볼 수 있는 원통 압력탱크인 콜라 캔을 이용하여 압력탱크에 대한 힘의 관계와 평소 먹던 콜라에 탄산이 어느 정도의 기압으로 압축되어있는지를 알아볼 수 있었고, 또 주위의 흔한 물건에 대한 공학적 접근이어서 그런지 흥미 있는 실험이었다.
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음료수 캔에 탄산가스가 압축되어 있다는 사실은 잘 알려져 있지만, 과연 얼마만한 압력으로 들어있는지에 관해 생각해본 사람은 거의 없을 것이며, 이 실험을 하기 전까지도 본인도 잘 알지 못하였다. 음료수 캔이 원통형의 모습을 가지고 있는 것이 사각형, 삼각형의 용기에 비해 구조적으로 강하며, 밑 부분이 오목하게 되어있는 것 또한 압력을 가장 많이 받는 밑면의 면 전체에 압력이 고르게 분산시키기 위함이라는 것도 실험관련 자료를 찾던 중에 알게 되었다. 납땜이나 스트레인 게이지 부착, 측정에 있어서 순조롭게 진행되었음에도 실험결과 이론적인 예상 값과 오차가 나타났는데, 게이지 부착지점의 페인트칠을 벗기기 위한 폴리싱을 한쪽방향으로 일정하게 하지 않아서 표면조도가 일정치 않았던 것이 원인 중의 하나라고 볼 수 있지만, 스트레인 게이지 부착 이외에 오차발생에 영향을 줄만한 인적요인은 없다고 생각한다. 여타 다른 공학실험보다 실생활과 연관된 실험이라 보다 흥미가 높았다.
8. 참고 자료
◎ 참고 도서
Mechanics of Materials 6th Edition, James M. Gere
◎ 참고 사이트
Matweb http://www.matweb.co.kr
동부스틸 http://www.dongbusteel.co.kr/
두산테크팩(주) http://www.doosantechpack.com/product/product_can2.html
삼광유리공업 http://www.windsor.co.kr/
구글 http://www.google.co.kr
미국에서 판매되는 알루미늄 캔 자료 http://en.wikipedia.org/wiki/Beverage_can
코카콜라 평균 내압 자료 http://hypertextbook.com/facts/2000/SeemaMeraj.shtml

키워드

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