본 논문에서는 다양한 FDM 출력 공정 변수에 따라 결정되는 출력물의 비등방 물성을 구조 해석 과정에서 반영할 수 있는 개선된 해석 방안을 제안하였다. 출력 공정 변수에 대한 물성의 민감도를 분석하였으며, 실제 출력물에 대한 인장 시험을 통해 적층 방향에 따라 이방 특성이 도출됨을 확인하였다. 또한, 출력물에 대한 단면 분석을 통해 적층 레이어 높이 및 필라멘트 채움률 등의 공정 변수 들이 내부 공극 특성에 영향을 미치며, 결과적으로 출력물의 이방 특성이 유발된다는 사실을 확인하였다. 나아가, 적층 방향, 적층 레 이어 높이, 필라멘트 채움률 등이 동시에 고려된 균질화 모델 분석을 통해 출력 과정에서 발생되는 내부 공극 분포가 출력물의 기계적 거동 특성에 미치는 영향을 규명하고자 하였다. 수치 예제로써 로어 컨트롤 암 출력물의 비등방 특성이 반영된 구조 해석을 수행하였 으며, 이를 통해 FDM 출력물 설계 과정에서의 개선된 해석 방안의 타당성을 검증하였다.

When performing finite element analysis using materials with porosity the porosity shows different mechanical properties from the existing mechanical properties of the existing base materials. In this study the equivalent properties were calculated and verified by applying the representative volume element (RVE) method and assuming that the material with porosity is a 2D orthotropic material. In case of finite element analysis using porous material or composite material, it is inefficient to perform the analysis through material modeling. Based on the element volume and element stress values ​​derived using the finite element analysis program, the representative stress values ​​and elastic modulus matrix were calculated using Python. In addition, equivalent properties were derived using the calculated elastic modulus matrix. The pores were simulated by etching a thin plate specimen made of STS304 material in a certain pattern, and the elastic modulus and Poisson's ratio were measured through a UTM and compared with simulation results. It was confirmed that an error of 7.028% for elastic modulus and 10% for Poisson's ratio occurred, and through this, the validity of this simulation was verified.

The demand for materials with porosity is steadily increasing and the need for porous materials is increasing in fields such as chemical engineering and energy storage. In order to minimize trial and error, verifying design validity through finite element method at the design stage has the advantage to verify design validity with low cost. However there are limitations in finite element analysis using porous materials. In this study calculating the equivalent mechanical properties reflecting the porosity was carried out, and the first step was the isotropic elasticity in plane stress condition. The equivalent elastic modulus and the equivalent Poisson's ratio were derived through simulation. Assuming that the voids exist in a two-dimensional symmetrical shape and a constant distribution, the unit cell was defined and the equivalent mechanical properties were calculated. The specimen with same condition were measured through a universal test machine (UTM), the elastic modulus and Poisson's ratio were measured. The similarity between the value obtained through the simulation and the value measured through the experiment was under 5%, so the validity of this simulation was verified. With this result, FEM with porous materials will be used for design.

The usage of corrugated cardboard for packing material is increasing in these days because it is light and easy to manufacture packing boxes. However, the structure analysis of packing boxes, made of cardboard, is not well carried. The reason can be deduced that its mechanical properties for structure analysis are not well known. The cardboards are made different shapes with various types of raw materials that are paper-based compound. In addition, the cardboards are considered to be orthotropic material. This research finds mechanical properties of triple layered cardboard which is composed of outer liner and inner liner. The moduli of elasticity and of shear for liners are found from tension test and T-Peel test. The mechanical properties of the cardboard are calculated using the super position method and equivalent evaluation method.

기능경사 소재(FGM)에는 서로 다른 두 가지 구성입자들이 혼합되어 있는 경사층(graded layer)이 삽입되어, 소재 전 영역에 걸쳐 구성입자의 체적분율이 연속적이고 기능적으로 변화하도록 되어있다. 이러한 이상(dual-phase) 입자복합재의 열 기계적 거동을 해석함에 있어 필수적인 경사층의 물성치는 전통적으로 균질화 기법을 이용하여 예측되었다. 하지만, 이러한 균질화 기법은 구성입자의 형태, 분산구조 등과 같은 상세 형상을 반영하지 못하지 때문에 복합재의 총체적인 등가 물성치 예측에만 국한 되어왔다. 이러한 맥락에서 본 연구에서는 경사층을 미시역학적으로 이산화 모델링하고, 다양한 체적분율과 외부 하중조건에 대해 유한요소해석을 실시하여 이러한 균질화 기법들의 특성을 분석하였다.

본 연구에서는 기지개와 미시구멍으로 구성된 복합재료에 입자보강 복합재료의 등가 재료상수 예측기법인 평균장 근사이론과 등가원리를 적용하여 위상 최적화에 필요한 등가 재료상수와 설계변수와의 상관관계식을 유도하였다. 또한, 유도된 관계식에 중간값을 갖는 설계변수의 수를 줄이기 위하여 벌칙인자를 도입하였다. 그리고 본 연구의 타당성을 검증하기 위하여 벌칙인자가 도입된 위상 최적화문제를 순차이차계획법인 PLBA 알고리즘을 이용하여 해석하였다.