KR101378262B1

KR101378262B1 - 구조역학 실험용 시뮬레이션 장치

Info

Publication number: KR101378262B1
Application number: KR1020130153720A
Authority: KR
Inventors: 김철환; 도천기; 채원탁; 이정노; 김승덕; 오영석; 정환목
Original assignee: 주식회사 리더스산업; 훼스텍 주식회사; 세명대학교 산학협력단; 경동대학교 산학협력단; 경북대학교 산학협력단
Priority date: 2013-12-11
Filing date: 2013-12-11
Publication date: 2014-03-27

Abstract

본 발명은 보(10)에 대한 구조역학을 실험하기 위한 시뮬레이션 장치에 있어서: 상기 보(10)를 지지하는 본체(20); 상기 보(10) 상의 복수의 영역에서 리더(32)를 개재하여 태그(31)의 하중 정보를 감지하는 입력수단(30); 및 상기 리더(32)로 감지된 하중 분포에 따라 보(10)의 응력상태를 연산하여 출력하는 제어수단(40);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 각 교육기관의 학습자에게 구조역학에 대한 흥미를 유발하여 이해도를 높일 수 있고, 나아가 관련 산업체나 연구기관과 연계한 심화 학습 및 정보 교환으로 교육의 질을 향상하는 효과가 있다.

Description

구조역학 실험용 시뮬레이션 장치{Simulation Apparatus for experimenting Structural Mechanics}

본 발명은 구조역학 실험용 시뮬레이션 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 PC를 기반으로 하는 그래픽 환경으로 구조역학의 학습 흥미와 적용 범위를 넓힐 수 있는 구조역학 실험용 시뮬레이션 장치에 관한 것이다.

일반적인 구조역학 실험학습장비는 20여년전에 아날로그 방식으로 개발되어 현재의 교육시스템과 부합되지 않을뿐더러 상당부분 노후화가 진행되어 사실상 활용성이 극히 낮다. 대부분의 실험학습장비는 대상물을 모형화한 교보재 수준으로서 흥미를 유발하지 못하고 반복적 사용도 곤란하다.

반면, 산업현장에 있어서 통칭 CAx라 불리는 디지털 방식이 활발하게 적용되는 바, 설계부문의 경우 CAD, 생산기술에서의 CAM, 해석에서의 CAE를 들 수 있다. 나아가 PC 기반의 컴퓨터 시뮬레이션을 활용하면 제품개발 비용 및 시간을 줄일 수 있어 각 분야에 급속도로 전파되고 있다. 이에 각 급 학교를 비롯한 교육기관에서도 시뮬레이션 교재를 도입하는 사례가 증가하고 있다.

이와 관련되는 선행특허의 일예로, 한국 공개특허공보 제2010-0136307호는 사용자 단말기로부터 실험 정보 요청 신호를 입력 받는 입력부, 사용자의 접근 권한을 판단하는 인증부, 건설 실험 데이터 저장 장치로 실험 정보를 요청하고 실험 정보를 입력 받는 제어부, 상기 실험 정보를 웹 형식으로 변환하고 상기 사용자 단말기로 전송하는 제공부를 포함한다. 이에 따라, 건설 실험 데이터를 실시간으로 복수의 연구자들에게 전송할 수 있는 효과를 기대한다.

그러나 상기 선행특허는 건설 실험과 관련되는 포괄적인 인프라 구축을 요지로 하므로 각종 보의 구조역학과 같은 세부적인 학습을 위한 용도로 적용하기 한계를 나타낸다.

1. 한국 공개특허공보 제2010-0136307호 “건설 실험 정보 제공 방법 및 장치”(공개일자 : 2010. 12. 28.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 구조역학 학습자에게 보의 원리와 개념부터 하중재하 실험의 결과까지 그래픽으로 확인하도록 표현할 수 있는 구조역학 실험용 시뮬레이션 장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 보에 대한 구조역학을 실험하기 위한 시뮬레이션 장치에 있어서: 상기 보(洑)를 지지하는 본체; 상기 보(洑) 상의 복수의 영역에서 리더를 개재하여 태그의 하중 정보를 감지하는 입력수단; 및 상기 리더로 감지된 하중 분포에 따라 보(洑)의 응력상태를 연산하여 출력하는 제어 수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 입력수단의 태그는 설정된 단위별로 하중에 대한 정보를 저장하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 입력수단의 리더는 태그의 신호를 수신하는 안테나, 저주파 송수신 신호를 생성하는 RF회로, 작동상태를 표시하는 LED를 구비하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 제어수단은 복수의 리더에서 순차적으로 신호를 입력하여 처리하는 MCU와, 상기 MCU의 신호에 대응하여 설정된 알고리즘에 의한 결과물을 생성하는 종합처리기를 구비하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 본체는 제어수단과 정보를 교환하도록 PC와 모니터를 구비하고, 모니터 상으로 반력, 전단력, 휨 모멘트(moment) 값을 표시하는 것을 특징으로 한다.

한편, 이에 앞서 본 명세서 및 특허 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 각 교육기관의 학습자에게 구조역학에 대한 흥미를 유발하여 이해도를 높일 수 있고, 나아가 관련 산업체나 연구기관과 연계한 심화 학습 및 정보 교환으로 교육의 질을 향상하는 효과가 있다.

도 1a는 본 발명에 따른 장치의 주요부를 전체적으로 나타내는 사시도
도 1b는 본 발명에 따른 장치의 주요부를 정면에서 바라 본 구성도
도 2는 본 발명에 따른 장치의 주요부 회로연결을 나타내는 블록도
도 3은 본 발명에 따른 입력수단의 리더를 나타내는 구성도
도 4a는 본 발명에 따른 리더를 나타내는 구성도
도 4b는 본 발명에 따른 제어수단을 나타내는 구성도
도 5는 본 발명에 따른 시뮬레이션의 메인메뉴를 나타내는 화면상태도
도 6은 본 발명에 따른 시뮬레이션의 결과를 나타내는 화면상태도

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 보(10)에 대한 구조역학을 실험하기 위한 시뮬레이션 장치에 관하여 제안한다. 고등학교와 대학교의 공학도에 있어서 대체로 구조역학에 대한 이해가 필요하지만, 특히 건축과 토목 전공자에게 정정 구조물과 부정정 구조물를 비롯한 보(洑)의 구조역학은 필수적이다. 정정 구조물은 평형방정식 만으로 구조역학의 해석이 가능하고, 부정정 구조물은 평형 방정식만으로 해석되지 않아 부정정 차수만큼 적합 조건식이 필요하다. 본 발명은 정정보의 구조역학 학습을 대상으로 하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아님을 분명히 밝힌다.

본 발명에 따르면 상기 보(10)를 지지하는 본체(20)가 구비된다. 본체(20)는 알루미늄 프로파일과 같이 적절한 강도를 지닌 경량성 부재로 프레임을 형성한 구조이다. 보(10)는 정정 구조물 형태의 단순보, 즉 일단 힌지(hinge)와 타단 롤러 방식으로 설치하는 것이 좋다. 이와 같은 보(10)의 상면은 후술하는 입력수단(30)의 리더(32)를 일정한 간격으로 지지하도록 설정된 복수의 분할 영역을 지닌다.

또, 본 발명에 따르면 입력수단(30)이 상기 보(10) 상의 복수의 영역에서 리더(32)를 개재하여 태그(31)의 하중 정보를 감지하는 구조이다. 입력수단(30)은 사용자(학습조교)가 보(10)에 상치하는 가상의 하중을 독출(讀出)하도록 구성된다. 입력수단(30)으로 로드셀을 설치하여 보(10)에 작용하는 하중을 감지하는 것은 현실감을 보이나 많은 변수에 의하여 단순화가 곤란하므로 학습용으로 부적절하다. 이에 태그(31)와 리더(32)를 사용하는 가상의 방식을 기반으로 구조역학의 결과물을 단순하게 표시하여 학습자의 이해도를 높이는 것이 바람직하다.

본 발명의 세부구성에 의하면 상기 입력수단(30)의 태그(31)는 설정된 단위별로 하중에 대한 정보를 저장하는 것을 특징으로 한다. 태그(31)는 집적 회로 안에 정보를 기록하고 안테나를 통해 리더(32)에 정보를 송신한다. 원격으로 정보를 송수신하기 위해 RFID(Radio-Frequency Identification)이라는 전파 기술을 활용한다. 본 발명의 태그(31)는 각각의 식별코드(ID) 데이터와 함께 갱신 가능한 하중 정보를 저장하고 있다.

본 발명의 세부구성에 의하면 상기 입력수단(30)의 리더(32)는 태그(31)의 신호를 수신하는 안테나(33), 저주파 송수신 신호를 생성하는 RF회로(34), 작동상태를 표시하는 LED(35)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 리더(32)는 안테나(33)를 통하여 수신된 RF 신호를 기저 대역 신호로 변환하여 출력하고, 태그(31)의 정보를 소정의 신호로 변환하여 후술하는 모니터(25)에 디스플레이(display)한다. RF회로(34)는 근접한 태그(31)의 정보만을 인식하도록 저주파, 예컨대 13.56㎒의 주파수를 사용하는 것이 좋다. LED(35)는 전원, 통신, 데이터 처리 상태 등을 각기 다른 색상으로 표현하도록 구성된다. 이외에 리더(32)도 칩셋에 설정되는 플레쉬 메모리상에 고유의 식별코드를 탑재한다.

또, 본 발명에 따르면 제어수단(40)이 상기 리더(32)로 감지된 하중 분포에 따라 보(10)의 응력상태를 연산하여 출력하는 구조이다. 제어수단(40)은 보(10)의 분할 영역에 설치된 리더(32)에서 하중의 유무를 태그(31)의 정보를 통하여 획득한다. 이후 획득된 입력 정보를 기반으로 보(10)의 하중과 응력을 사전에 설정된 그래픽 모델링으로 표현한다.

본 발명의 세부구성에 의하면 상기 제어수단(40)은 복수의 리더(32)에서 순차적으로 신호를 입력하여 처리하는 MCU(42)와, 상기 MCU(42)의 신호에 대응하여 설정된 알고리즘에 의한 결과물을 생성하는 종합처리기(44)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 제어수단(40)은 MCU(42)와 종합처리기(44)를 지닌 디지털 허브 중계기로서 리더(32)에서 고유한 식별코드와 입력된 정보를 독출(讀出)하여 출력을 결정하고 처리한다. MCU(42)는 통신을 담당하는 반면 종합처리기(44)는 연산을 담당하지만 반드시 구분되는 것은 아니다. 구성의 일예로서 도 1처럼 보(10) 상에 3~20개의 리더(32)를 설치하고(시험하는 상황에 따라 20개 이상 수백 개까지도 더 설치할 수 있음) 통신포트(47)에 각각 시리얼 방식으로 연결할 수 있다.

한편 제어수단(40)은 외부의 디지털 기기간의 다양한 통신 수단, 예를 들어 블루투스, 적외선 통신, IEEE 1394, USB, 시리얼 SCSI, 유무선 LAN 등을 지원하도록 구성할 수도 있다.

본 발명의 세부구성에 의하면 상기 본체(20)는 제어수단(40)과 정보를 교환하도록 PC(22)와 모니터(25)를 구비하고, 모니터(25) 상으로 반력, 전단력, 휨 모멘트(moment) 값을 표시하는 것을 특징으로 한다. PC(22)는 본체(20)에의 하측 공간에 설치하고 모니터(25)는 학습자의 편의를 위해 본체(20)의 하측 공간에 설치한다. 제어수단(40)에 마련된 PC포트(46)에 PC(22)를 연결한다. 반력, 전단력, 휨 모멘트는 구조역학의 기본적인 결과물이지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

작동에 있어서, 학습조교가 제어수단(40)의 파워를 온하면 모니터(25)에서 도 5와 같은 메인화면과 메뉴화면이 출력되면서 대기 상태로 되고, 이어서 보(10)에 설치된 다수의 리더(32) 중에서 선택하여 태그(31)를 상치하고 리더(32)의 통신포트(37)에 태그(31)를 연결한다. 이 순간 제어수단(40)은 보(10)의 설정된 위치에 배치된 리더(32)에서 태그(31)의 유무와 하중 정보를 독출(讀出)하고, 도 6처럼 독출(讀出)된 정보를 바탕으로 반력, 전단력, 휨 모멘트의 상태를 표시한다.

이에 학습자는 정정보에서 하중의 위치와 크기에 따라 반력, 전단력, 휨 모멘트 등의 응력 상태가 어떠한 변화를 보이는지 모니터(25)의 그래픽 화면으로 용이하게 이해할 수 있다. 만일 특정의 리더(32)에서 태그(31)를 분리하고 다른 하중의 태그(31)를 연결하면 제어수단(40)은 즉시 새로운 연산을 처리하여 변화된 응력 상태를 모니터(25)에 표시한다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

10: 보 20: 본체
22: PC 25: 모니터
30: 입력수단 31: 태그
32: 리더 33: 안테나
34: RF회로 35: LED
37: 통신포트 40: 제어수단42:MCU
44: 종합처리기 46: PC포트
47: 통신포트

Claims

보(10)에 대한 구조역학을 실험하기 위한 시뮬레이션 장치에 있어서:
상기 보(10)를 지지하는 본체(20);
상기 보(10) 상의 복수의 영역에서 리더(32)를 개재하여 태그(31)의 하중 정보를 감지하는 입력수단(30); 및
상기 리더(32)로 감지된 하중 분포에 따라 보(10)의 응력상태를 연산하여 출력하는 제어수단(40);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 구조역학 실험용 시뮬레이션 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 입력수단(30)의 태그(31)는 설정된 단위별로 하중에 대한 정보를 저장하는 것을 특징으로 하는 구조역학 실험용 시뮬레이션 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 입력수단(30)의 리더(32)는 태그(31)의 신호를 수신하는 안테나(33), 저주파 송수신 신호를 생성하는 RF회로(34), 작동상태를 표시하는 LED(35)를 구비하는 것을 특징으로 하는 구조역학 실험용 시뮬레이션 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제어수단(40)은 복수의 리더(32)에서 순차적으로 신호를 입력하여 처리하는 MCU(42)와, 상기 MCU(42)의 신호에 대응하여 설정된 알고리즘에 의한 결과물을 생성하는 종합처리기(44)를 구비하는 것을 특징으로 하는 구조역학 실험용 시뮬레이션 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 본체(20)는 제어수단(40)과 정보를 교환하도록 PC(22)와 모니터(25)를 구비하고, 모니터(25) 상으로 반력, 전단력, 모멘트 값을 표시하는 것을 특징으로 하는 구조역학 실험용 시뮬레이션 장치.