A Study on the Fiber Tension System for High Performance Pressure Vessel of Hydrogen Fuel Cell Electric Vehicle

최근 친환경 에너지인 수소, 천연가스 등을 자동차 연료로 활용하는 사례가 증가하고 있다. 미국, 독일, 일본 등에서 많이 발전되었고 우리나라 또한 수소연료전지차의 보급이 활발히 이루어지고 있다. 수소연료전지 차량에 탑재되는 수소 저장 압력 용기의 재료로서 탄소섬유강화 복합재료가 주로 적용되며, 필라멘트 와인딩 공법이 제작에 활용된다. 필라멘트 와인딩은 복합재료의 공정법 중 하나로 회전하는 멘드릴 표면에 수지가 함침된 유리섬유 혹은 탄소섬유 연속섬유를 설계된 각도로 감고, 경화로에서 설계온도 사이클을 적용하여 경화시키는 방법이다. 필라멘트 와인딩 공정은 수작업 방식인 핸드레이업 공정과 비교하여 생산 속도가 빠르고, 품질이 우수한 장점이 있다. 하지만, 고속 와인딩 과정에서 섬유의 장력이 큰 폭으로 변화하게 되어 생산성과 품질에 큰 영향을 주기 때문에 장력 제어 관련 연구가 활발히 진행 중에있다. 본 연구에서는 필라멘트 와인딩의 일정한 장력을 위한 장력 제어 시스템의 개발을 진행하였다. 로드셀-센싱바 방식의 장력 제어장치를 제작하고 기존 방식과 비교하여 성능의 향상을 확인하였다. 텐션암(Tension arm)이 장착되어 장력값이 급변하지 않도록 유지하고 센싱 암(Sensing arm)이 로드셀(Load cell)에 힘을 전달하며 와이어의 장력을 측정할 수 있게 하였다. 서보 제어기는 PID 컨트롤을 활용하여 구성되었고 PID의 게인을 적절히 조절하는 적응제어 방법을 도입하였다. 와인딩 속도와 가속도, 장력, 제어 게인의 변화에 따른 장력 제어 특성과 스풀(Spool) 크기에 따른 모터 제어, 제어 특성, 최적 게인의 변화와 그리고 실시간으로 Spool 직경 측정으로 성능을 확인하였다. 와이어 속도가 빨라짐에 따라 기계적 편차에 기인하는 진동이 관측되고 가속도가 높아짐에 따라 장력이 순간적으로 올라가는 오버슈트를 확인하였다. 그리고 설정 장력이 높아질수록 와이어의 장력 값이 안정되는 것을 보았고 제어 게인이 낮으면 진폭이 커져 추종 특성이 좋지 않게 되고 지나치게 높으면 시스템이 발진하게 되어 적절한 게인 설정이 필요함을 확인하였다. 스풀 직경 증가에 따라 관성부하가 커지게 되어 제어기의 출력 진폭이 증가되며, 스풀 직경이감소에 따라 응답 특성이 우수하게 됨을 확인 할수 있었다. 본연구를 통해 스풀 직경 크기에 따른 최적화된 제어 게인 값을 도출하였고, 필라멘트 와인딩 공정에서의 스풀 직경에 따른 제어 게인 적용을 통해 장력 제어장치의 최적화가 이루어졌다.|In recent years, there have been increasing cases of using hydrogen as an environment-friendly energy and natural gas as vehicle fuel. It has been developed in USA, Germany and Japan, and Korea is also actively supplying hydrogen fuel cell vehicles. The hydrogen storage pressure vessel mounted on the hydrogen fuel cell vehicle is composed of a carbon fiber composite material. These pressure vessels are manufactured by the filament winding method. Filament winding is one of the processes of composite materials, in which glass fibers or carbon fibers composed of continuous fibers are impregnated with a resin on the surface of a rotating mandrel and wound, and the filament wound product is cured in a curing furnace for a predetermined temperature cycle. Compared to manual hand laying process, automatic filament winding has the advantage of making products with higher tension with short production time. However, when filament winding speed increases, the uneven fiber speed profile creates fiber tension fluctuation widely. It is one of the major factors causing low productivity of winding process, hence several researches have been actively carried out to keep it constant. In this study, we have developed a tension control system to stabilize the tension in filament winding. A load cell - sensing bar type tension measuring device is fabricated and the performance improvement is confirmed by comparing with the existing method. A tension arm is installed to absorb sudden fluctuation of fiber tension, and a sensing arm transmits the fiber tension to a load cell to measure it accurately. The servo controller is constructed using PID control and introduces an adaptive control method that adjusts the gain of PID appropriately. Tension control characteristics according to winding speed, acceleration, tension and control gain, motor control, according to spool size, control characteristics, change of optimum gain and spool diameter measurement in real time are confirmed. As the wire speed increased, the vibration due to the mechanical deviation is observed, and an overshoot of tension value is observed as acceleration became higher. It is also found that wire tension value becomes more stable as wire tension value is increased. Low control gain shows poor tracking response with large errors. Properly tuned system with large spool size shows more control output amplitude as the inertial load is larger compared to a small sized spool. Small size spool shows excellent tracking response with minimum tracking error. By using in-process spool size measurement and automatic gain tuning control scheme, an optimized tension control system is developed in this study.List of Tables ⅳ List of Figures ⅴ Abstract ⅶ 1. 서 론 1 1.1 연구 배경 1 1.2 필라멘트 와인딩 공법 3 1.2.1 필라멘트 와인딩 성형방법 및 장치 3 1.2.2 와인딩의 종류 및 장력 장치의 방식 5 1.2.3 External Roving 장력 제어기의 장력 검출부 구조 8 1.3 필라멘트 와인딩 장력 제어 연구 동향 10 1.4 연구 목표 11 2. 장력 제어 시스템 구성 12 2.1 적응제어를 위한 장력기의 구성 12 2.2 Full Closed PID 서보 제어기의 구성 14 2.3 Adaptive PID Servo Control 15 2.4 Adaptive PID 서보 제어를 위한 Spool 직경 측정방법 18 3. 실험 방법 20 3.1 장력 제어 시스템 실험장치 20 3.2 실험 조건 및 방법 25 4. 실험 결과 27 4.1 와이어 속도에 따른 장력 제어 특성의 변화 27 4.2 가속도의 변화에 따른 제어 특성의 변화 29 4.3 설정 장력에 따른 제어 응답의 변화 31 4.4 제어 게인에 따른 제어 특성의 변화 33 4.5 Spool Size에 따른 모터 제어 신호의 변화 35 4.6 Spool Size에 따른 제어 특성 37 4.7 Spool Size에 따른 최적 게인의 변화 39 4.8 실시간 Spool 크기 측정 실험 41 5. 결론 43 감사의 글 44 참고문헌 45Maste

The effect of activity of daily living, social support, and lenth of stay on adaptation to nursing homes

노인간호전공/석사[한글]본 연구는 일상생활수행능력, 사회적 지지, 거주기간이 시설 입소노인의 적응에 미치는 영향을 파악하여 시설 입소노인의 적응에 도움을 줄 수 있는 간호중재를 제공할 수 있도록 기초자료를 제공하고자 시도된 서술적 조사 연구이다. 2010년 3월 25일부터 2010년 4월 20일까지, 인지기능이 정상인 65세 이상 노인 총 128명을 대상으로 개별면접을 통해 자료를 수집하였으며, 일상생활수행능력의 측정은 Barthel Index(Mahoney & Barthel, 1965)를 기초로 최혜숙(1995)이 번역한 도구를, 사회적 지지 측정은 Tracy & Whittaker(1990)가 고안한 사회관계망 지도(Social Network Map)를 변호순(2005)이 재구성한 도구에서 구조적지지 문항을 연구자가 수정하여 사용하였다. 그리고 시설의 적응 정도 측정은 이가언(2009)이 개발한 요양시설 노인의 적응 척도 도구를 사용하였다. 수집된 자료의 분석은 SPSS/Win version 14.0을 이용하여 실수와 백분율, 평균과 표준편차, t-test, ANOVA(Scheffe 사후검증), Pearson 상관관계 분석(Pearson's correlation coefficient), 단계적 다중 회귀분석(Stepwise Multiple regression analysis)을 이용하였다. 본 연구의 결과는 다음과 같다.1. 본 연구의 대상인 시설 거주노인의 일상생활수행능력 정도는 30.27(±13.09), 사 회적지지는 10.61(±3.09), 시설의 적응 정도는 84.75(±8.42)등으로 확인되었다.2. 시설 거주노인에서 시설입소 동기가 질병 등 건강상의 이유인 경우가 건강상의 이유외로 입소한 경우보다 높았고(t=-4.734, p<0.001), 시설 입소결정시 본인의 의사가 반영되었을 시 적응 정도가 높았으며(t=3.752, p=0.001), 그리고 학력 수준에서는 초등학교 졸업이하의 경우가 중학교 졸업이상보다 적응정도가 높게 나 타났다(F=6.919, p<0.001). 3. 시설노인의 적응 정도는 거주기간(r=.600, p<.001), 일상생활수행능력(r=.436, p<.001), 그리고 사회적 지지(r=.269, p=.001)순으로 유의한 양의 상관관계를 보 였다.4. 단계적 다중회귀 분석 결과 사회적지지, 거주기간이 노인요양시설 입소노인의 적응정도를 47.0% 설명했다. 이 중 시설의 적응 정도에 가장 중요한 관련요 인은 거주기간으로 31.4%의 설명력을 나타내었고, 일상생활수행능력은 11.6%, 그리고 사회적 지지는 4.0%의 설명력을 보였다. 이상의 연구결과는 노인요양시설 입소노인의 적응 정도를 높이기 위한 중재방법으로 고려해야할 사항 중 거주기간과 관련하여 입소초기의 시설 부적응을 감소시킬 수 있도록 시설 입소시 본인의 의사를 충분히 고려하고, 스스로 결정 할 수 있도록 충분한 시간과 시설에 대한 설명을 통해서 시설생활의 초기 부적응을 최소화시킬 수 있을 것이다. 그리고 시설 적응에 중요한 요인으로 밝혀진 일상생활수행능력 측면에서는 이를 유지하고 증진시킬 수 있는 방안이 강구되어야 하고, 사회적 지지 측면에서는 사회적 관계망을 유지하여 지속적인 지지를 받을 수 있도록 하는 방안이 강구되어야 함을 시사한다. [영문]restrictio