서부 DMZ 일원 경관 요소의 시공간적 변화와 생물다양성 보전 전략

학위논문 (박사) -- 서울대학교 대학원 : 자연과학대학 생명과학부, 2021. 2. 이은주.생물 다양성 보전은 생태계서비스의 제공과 같이 인류가 직접적으로 체감하는 측면의 이익을 보존하기 위한 필요에서부터 자연의 일부인 인류가 존속하기 위해서 분리할 수 없는 것이라는 인식에 이르기까지, 관점에 차이는 있지만 중요하게 인식되고 있다. 생물 다양성 보전에 관한 개념 중 생물다양성 중점지역은 지구 상 1.4%의 면적에 불과하지만, 분류군에 따라 28-58%가 그 안에 서식할 정도로 중요한 지역이다. 한반도 분단의 부산물인 비무장지대 일원은 한반도 면적의 2% 미만에 불과하지만 분류군에 따라 한반도 생물 종의 30-60%가 서식하고 있는, 한반도의 생물다양성 중점지역이다. 비무장지대는 한반도를 가로질러 형성되어, 한반도의 다양한 지형과 생태계들을 포함하고 있고 사람의 출입이 극도로 제한되어 수많은 생물이 서식하기에 좋은 특성을 갖추고 있다. 따라서 비무장지대 일원의 보전 가치는 매우 크다. 그러나, 남한의 높은 개발 압력은 비무장지대도 비껴가지 않아, 특히 수도권에 위치한 비무장지대 서부 일원은 남북한의 대도시인 서울, 개성과 인접해 있어 비무장지대 권역 중에도 특별히 개발 압력이 크다. 현재 비무장지대 서부 일대에는 남북한을 연결하기 위한 각종 시설이 많이 들어서 있고 예정된 개발 계획도 많다. 하지만 비무장지대의 높은 생태적 가치를 고려할 때 이 지역에는 생태계를 보전하기 위한 계획이 필요하다. 본 연구에서는 비무장지대의 경관 요소의 시공간 변화에 따른 생태계를 탐구하였다. 그리고 장기간의 모니터링 자료를 포함한 과학적 분석을 바탕으로 비무장지대 일원의 생물 다양성을 보전하기 위한 계획을 제시하였다. 먼저, 비무장지대를 규정하기 이전인 1919년부터 2010년대까지 토지 피복이 어떻게 변하였는지, 인간 활동으로 인한 경관 변화를 분석하였다. 전쟁이 멈추고 세월이 흐르며, 서부 비무장지대 일원의 숲은 침엽수림에서 활엽수림으로 바뀌었고 논은 초지가 되었다. 민간인출입통제지역은 1970년대에 논농사를 재개하여, 1990년대에는 전쟁 이전에 논이었던 지역이 거의 대부분 논으로 바뀐 반면에, 비무장지대의 논은 초지로 변한 이후 70년 동안 목본이 유입되는 등의 후속 천이가 관찰되지 않았다. 원인은 크게 두 가지로 보이는데, 내륙의 초지에는 군사적 이유로 산불이 빈번하게 발생한다는 점과, 임진강과 소규모 하천에 인접한 초지는 주기적으로 침수를 겪는 습초원지역이라는 점이다. 이러한 온대성 습초원지역은 전 세계적으로도 희소하며, 한반도에서도 이처럼 넓은 면적이 유지되는 지역은 거의 없어 학술적 가치가 매우 크다. 비무장지대의 초지는 다양한 생물들에게 중요한 서식지일 뿐만 아니라 희소한 생태계에는 그곳에서만 서식하는 생물이 있을 가능성이 높아 비무장지대 내의 초지를 보전하고 모니터링하는 것은 매우 중요하다. 비무장지대 서부 일대의 농경지는 경지를 정리하지 않았고 현대식 저수지와 관개수로가 발달해 있지 않아 전통 농촌 경관을 유지하고 있다. 본 연구에서는 서부 민간인통제구역 내 농촌 경관을 세부 요소로 구분하여 기후변화와 함께 빈번하게 나타나는 가뭄이 조류 군집에 미치는 영향을 알아보고자 하였다. 군집 내 종의 생태적 지위의 범위와 특성을 보여주는 기능적 다양성을 지표로 채택하여 경관 구성 또는 환경 변화에 따른 반응을 탐지하였다. 서부 DMZ 인근의 농촌경관은 논습지가 상대적으로 많이 분포하는 경관, 숲이 상대적으로 많은 경관, 인삼밭, 나지가 상대적으로 많이 분포해 있는 경관, 세 가지로 구분할 수 있다. 일반적으로 논 습지가 많은 전통 농촌 경관 구조에서는 종 풍부도와 기능적 풍부도가 가장 높았지만, 숲이 많은 논습지 환경에서는 가뭄에 의한 타격이 적어 기능적 다양성 지수와 종 풍부도가 일정하게 유지되었다. 따라서 논 습지가 발달한 농촌 경관에서 숲은 가뭄 등의 갑작스러운 변화에도 생물 다양성을 유지하는 데 도움을 준다고 할 수 있다. 비무장지대 서부 권역의 숲은 식생평가기준에 따라 평가할 때 가치가 높지 않다는 해석도 있지만, 조류와 다른 분류군의 서식지로서 중요한 역할을 하고 있는 것으로 나타났다. 기후 변화가 가속화함에 따라 이상 기상 현상이 더욱 빈번하게 나타날 것으로 예상되는 만큼 비무장지대 일대의 생태계 기능을 유지하고 생물 군집의 다양성을 안정적으로 유지하기 위하여 숲을 유지하고 복원할 필요가 있다. 비무장지대 서부 권역의 두드러진 특징은 한강-임진강이라는 거대한 수계이다. 본 연구에서는 비무장지대 서부 일원의 생물 다양성을 고려한 보전 계획을 수립하기 위해 체계적인 보전 계획 방법을 활용하였다. 보전 구역 설정 시에 현실적으로 많은 이해 관계가 개입하는 점을 고려하여, 체계적인 보전 계획 방법은 비용 효율적인 방법으로 구역을 평가한다. 본 연구에서는 서부 비무장지대 일원을 상징하는 깃대종인 재두루미의 서식지를 기준으로 보전 계획을 수립하였다. 2014-2019년에 걸쳐 조사한 비무장지대 서부 일원을 찾는 멸종 위기의 겨울 철새 위치 자료를 바탕으로 종 분포 모형을 구축하였고(Maxent) 이를 바탕으로 체계적인 보전 계획안을 수립하였다(Marxan). 조류 군집은 습지 및 저지대를 사용하며 식물체 위주의 섭식을 하는 집단(Group 1)과 육상에서 지내며 육식을 하는 집단(Group 2)으로 구분하였다. 재두루미는 Group 1에 포함되었고 Group 2는 재두루미와 생태 특성이 다른 집단이다. 두 집단과 전체 멸종위기종을 대상으로 종 분포 모형을 산출하여 재두루미의 분포 모형과 비교한 결과, 90% 이상의 면적이 재두루미의 서식지와 겹치는 것으로 나타났다. 또 체계적인 보전 계획 분석에서 두 조류 집단의 서식지를 각각 기준으로 예측한 시나리오와 전체 멸종위기종의 서식지를 포함한 시나리오 모두 재두루미의 서식지만을 보전 목표로 한 시나리오와 비교할 때 99% 이상의 면적이 일치하는 것으로 나타났다. 따라서 재두루미는 그 서식지를 보전할 경우 다른 많은 멸종위기종을 보호할 수 있는 우산종으로 확인되었다. 재두루미는 일반 시민들도 쉽게 식별할 수 있는 종으로, 재두루미 위주의 시민 참여 모니터링을 시행할 경우 시민 인식 증진 효과가 크고 본 지역의 생물 다양성을 관리하기 위한 모니터링 도구로 사용할 수 있다. 지속적인 모니터링은 보전 지역의 현황 파악 및 진단에 중요한데 최근에는 시민 참여 모니터링이 이러한 역할을 하고 있다. 보전 구역을 설정한 후 효과적으로 관리하기 위한 방안으로 그 지역에 확인된 우산종 위주의 시민과학을 활용할 것을 제안한다. 또한 체계적인 보전 계획법에 따른 분석 결과, 최선의 시나리오에서 제시한 보전 구역은 임진강-한강과 서부 비무장지대, 민간인출입통제구역, 그리고 북한 일부 지역을 포함하는 것으로 나타났다. 이는 서부 비무장지대 보전 계획 수립 시, 다양한 요소를 고려하여 최소한의 비용으로 이 지역의 생물 서식지를 보전하고자 하더라도, 서부 비무장지대 일원의 전체 지역을 보전 지역으로 계획하여야 함을 의미한다. 비무장지대 서부 권역은 높은 개발 압력과 남북한 관계 변화의 직접적인 영향 하에 있는 지역이지만 생물 서식지로서의 가치가 매우 크다. 본 연구에서는 목본이 이입되지 않고 초지 상태를 유지하고 있는 비무장지대의 생태적·학술적 가치를 재확인하였고, 민간인통제구역의 숲의 가치는 기후위기 시대를 맞아 재평가되어야 함을 강조하였다. 또한 최소한의 비용으로 비무장지대의 생물 다양성을 보전하기 위하여 서부 민간인통제구역, 한강-임진강 하구, 북한 지역 일부를 포함하여 보전구역으로 지정해야 함을 밝혔다. 한반도 평화의 시대를 구상하며, 남북한 관계 변화에 따라 비무장지대에 대한 계획을 변경하기 보다는, 기후위기 시대의 반성과 함께, 한반도 생태계의 보고인 비무장지대의 생물 다양성을 유지할 수 있는 안정적인 보전계획을 수립할 것을 제안한다.The Korean Demilitarized Zone (DMZ), spanning 2 km to the south and 2 km to the north of the military demarcation line at around 38oN, was established by the Korean Armistice Agreement in 1953. Access to the DMZ has been strictly restricted for decades, with the South Korean military designating the Civilian Control Zone (CCZ), a concordant area 5-10 km to the south of the DMZ, as a military buffer zone. The Korean DMZ runs east to west across the Korean Peninsula, encompassing a wide range of topographic features. As such, wildlife in the DMZ has thrived without human intervention, resulting in exceptionally high biodiversity levels. However, the high development pressure in South Korea has influenced the DMZ and the CCZ despite their high conservation value. In particular, the western region of the DMZ, which is close to large metropolitan areas in South and North Korea, has faced very high development pressure. In this study, the ecological importance of the western DMZ was explored by analyzing various spatial and temporal dimensions of its landscape elements. In addition, the scientific basis for the conservation of the DMZ and the CCZ was outlined. To begin with, the land use and land cover change from 1919, before the DMZ was established, to the 2010s, by which time human activity had impacted the landscape, was examined. The study area covered the western DMZ and CCZ. Most trees in DMZ and CCZ forests were originally coniferous, while the plains were employed for rice paddies. After the war, the coniferous forests were replaced with broadleaf forests. The cultivation of rice was restarted on the plains of the CCZ in the early 1990s, while the plains of the DMZ remained as grassland without general succession, such as the invasion of woody species. There have been two main reasons for the lack of succession. First, fires, which act as a disturbance in the successional process, have frequently occurred due to military action in the DMZ, particularly around Yeoncheon. Second, the grassland adjacent to the Imjingang River and small streams has experienced periodic flooding, which has prevented successional species from becoming established. In general, temperate grassland areas have become scarcer worldwide and on the Korean Peninsula because they have been exploited for agricultural use. However, grassland remains an essential habitat for a variety of wildlife in the DMZ, meaning that it is worth monitoring and conserving. The agricultural landscape in the western CCZ consists of undeveloped land and traditional irrigation systems, such as the dumbeong system (the use of irrigation ponds), rather than modern reservoirs and irrigation canals. In this study, the traditional agricultural landscape (TAL) in the CCZ was explored. The agricultural landscape elements were classified, and the distribution of the bird community in response to drought in relation to these elements were analyzed. Using the functional diversity approach, which investigates the functional range and biological characteristics of a community, this study investigated the response of the avian community to landscape composition and drought events. As a result, three major elements representing the TAL in the CCZ were identified: rice paddies, forest, and fields. Under non-drought conditions, the area of the landscape with a large proportion of paddies (TAL1) had the highest species and functional richness. In areas where there was a relatively high ratio of forest (TAL2), the functional diversity index and species richness remained constant regardless of drought occurrence. In other words, forested areas are able to endure the stress of drought and act as a buffer zone for birds. Therefore, forests in TALs may help to maintain biodiversity when the regional environment faces natural disasters such as drought. Though western DMZ forests do not have high value based on standard vegetation evaluation criteria, they were shown in the present study to play an essential role in sustaining avian functional diversity by enhancing ecosystem resilience and resistance. As the signs of climate change indicate, rapid changes in weather conditions accelerate. Therefore, restoring and maintaining forests are necessary in order to support the ecosystem function of the DMZ and conserve species diversity. One of the distinctive geographical features of the western DMZ is the extensive river system that includes the Hangang River and Imjingang River and many smaller streams. The brackish water system of the Hangang River-Imjingang River, which flows into the West Sea, hosts an extraordinary biodiversity of waterbirds, fish, and mammals. This study suggested a conservation plan for the western DMZ ecosystem that adopts systematic conservation planning (SCP), in which an area is evaluated based on cost-effective criteria. This is an effective way to make decisions considering the many interests that are involved in setting up a conservation plan. This study presented a conservation plan focusing on the protection of the white-naped crane (WNC), a flagship species that represents the western DMZ ecosystem. In addition, because umbrella species are an excellent management tool for protected areas, the possibility of WNC acting as an umbrella species was examined. Thus, the extent to which protecting the habitat of the WNC can protect other endangered birds was also analyzed. A species distribution map was modeled based on the GPS tracking of endangered winter migratory birds surveyed over the 2014-2019 period (using Maxent software), and a systematic conservation plan was established based on this information (using Marxan software). The endangered winter migratory birds found in the western DMZ were divided into two groups. Group 1, which includes the WNC, uses wetlands and lowlands, feeding mainly on plants, while Group 2 lives on dryland and has a carnivorous diet. A species distribution model was then calculated for both groups and all endangered species. Under all conservation scenarios, more than 90% of the selected areas were identical to the distribution model for the WNC, meaning that it acted as an umbrella species that can be used to protect many other endangered species by preserving its habitat. The morphological characteristics of the WNC make it easy to identify, thus it is suitable for monitoring as a biological indicator for regional biodiversity management. The protected areas identified using an SCP approach included the Hangang-Imjingang River system, the western DMZ and CCZ, and a part of North Korea. The western DMZ and CCZ have been placed under high developmental pressure and are directly affected by inter-Korean relations, but they have high value as a habitat for wildlife. Reaffirming the ecological importance of the DMZ and the CCZ, this study argued that the conservation plan for the DMZ should not be contingent on inter-Korean relations. Instead, a conservation plan that protects and maintains the current biodiversity levels on the Korean Peninsula is required.Abstract i List of Figures x List of Tables xvi Chapter 1.General introduction 1 1.1 Biodiversity conservation 2 1.2 Conservation planning 4 1.3 The Korean DMZ and CCZ areas 6 1.3.1 Definition of the Korean Demilitarized Zone 6 1.3.2 Biodiversity of the DMZ 8 1.3.3 Focus on the western DMZ and CCZ 9 1.4 Objectives of the study 14 Chapter 2.Changes in Land Use and Vegetation Cover over 100 years in the Western DMZ and CCZ in South Korea 17 2.1 Introduction 18 2.2 Materials and Methods 19 2.2.1 Study Area 19 2.2.2 Data Collection, Preprocessing, and Analysis 22 2.3 Results 26 2.3.1 Land Use 26 2.3.2 Wildfire and NDVI and NDMI changes 33 2.4 Discussion 35 Chapter 3.Structural implications of traditional agricultural landscapes on the functional diversity of birds near the Korean DMZ 38 3.1 Introduction 39 3.2 Methods and Materials 41 3.2.1 Bird surveys and TAL units 41 3.2.2 Drought index 44 3.2.3 Taxonomic and Functional diversity 46 3.2.4 Statistical analysis 48 3.3 Results 49 3.3.1 Compositions of TALs and avian diversity 49 3.3.2 Surveyed avian population 56 3.3.3 Drought and diversity indices of TAL 61 3.4 Discussion 68 Chapter 4.Identifying high-priority conservation areas for endangered waterbirds using a flagship species in the Korean DMZ 71 4.1 Introduction 72 4.2 Materials and Methods 74 4.2.1 Target species 74 4.2.2 Study site 76 4.2.3 Bird surveys 78 4.2.4 Land use classification of the study site 78 4.2.5 Species trait-based clustering 79 4.2.6 Species distribution 81 4.2.7 Systematic conservation planning 82 4.3 Results 84 4.3.1 Threatened Species Characteristics 84 4.3.2 Species Distribution Models 89 4.3.3 Systematic Conservation Planning 91 4.4 Discussion 93 Chapter 5.General conclusion 96 References 102 Appendix 123 국문초록 126Docto

항복점 현상으로 인한 금속 박판 재료의 꺾임 결함과 소부 경화에 대한 실험 및 수치해석 연구

학위논문(박사)--서울대학교 대학원 :공과대학 기계항공공학부,2020. 2. 김도년.The yield-point phenomenon of annealed or aged metals has duality in terms of avoiding it or utilizing it. Defects such as fluting in v-bending originated from the phenomenon can be avoided through roller-leveling process composed of multiple up-and-down bending operations. However, excessive leveling conditions can lead to superficies defects, and an adequate process condition remains still elusive. Utilizing the phenomenon, bake hardening characterized by the significant increase of yield stress after baking of pre-strained low carbon steel can be used for improving dent resistance in automotive sheet metal forming applications. However, many previous investigations about bake hardenability concentrate only on the bake hardening response of uniaxial tension with related influence factors, and numerous numerical studies for the dent resistance rarely consider bake hardening effect. To accurately predict the behavior of materials with this phenomenon, the constitutive model for computational elastoviscoplastic analysis should be able to depict the yield-point phenomenon, the Bauschinger effect, and bake hardenability, rendering it difficult to obtain a converged solution in implicit numerical analysis when the conventional one-point Newton method is used. In the present study, firstly, comprehensive experimental investigations are performed for the fluting defect in the v-bending process, its reduction by the roller-leveling process, and the dent resistance of an automotive bake hardenable steel. Systematic evaluation for the effect of roller-leveling condition on the fluting in v-bending is then carried out using pre-coated low carbon steel after examining the rate dependency and the cyclic characteristics of the phenomenon in uniaxial loads. The bake hardening behavior of a dual phase steel is observed in uniaxial load cases and static dent experiments conducted in pre-strained and bake hardened conditions. For numerical analysis to describe these experimental observation results, an implicit stress-integration procedure is formulated and implemented for a constitutive material model that can describe both the yield-point phenomenon and the Bauschinger effect. And we propose robust stress integration algorithms that can be used effectively in implicit finite element analysis employing the bisection method and the two-point Newton method. This material model is also integrated with a bake hardening model to illustrate bake hardening potentials. The validation results of the model with simple problems demonstrate that the model can be reliably used to calculate the solutions of the yield-point phenomenon problems that cannot be obtained using conventional iterative methods although these algorithms may require longer computational times. Numerical simulations corresponding to the experiments are carried out with material parameters determined to reproduce the uniaxial experiments. V-bending simulations at various roller-leveling conditions fairly demonstrate the fluting defect and its reduction experimentally observed. The bake hardening behaviors identified in the experiments are investigated in static dent simulations including a bake hardening step, and the bake hardening effect is overall described in numerical simulations. To conclude, the proposed analysis procedure is expected to be useful in estimating a proper leveling condition to prevent potential defects and dent resistance of automotive bake hardenable steels as well as investigating the effect of the yield-point phenomenon in various metal forming processes.소둔이 되었거나 시효가 발생한 금속의 항복점 현상은 이 현상을 회피하거나 활용하는 관점에서 양면성을 가지고 있다. 이 현상으로 발생하는 V굽힘 공정에서의 꺾임 결함은 소재에 상하방향 굽힘을 부과하는 롤러 레벨링 공정의 적용으로 감소될 수 있다. 롤러 레벨링 조건이 과할 경우 표면 결함이 발생할 수 있고, 적절한 공정 조건을 찾는 것이 여전히 어려운 실정이다. 예변형된 저탄소강을 구웠을 때 항복점이 현저하게 높이지는 특징을 보이는 소부 경화 거동은 이 현상을 활용하는 경우이며, 자동차 박판 금속 성형 응용 분야에서 덴트 저항성을 향상시키기 위해 사용된다. 그러나 소부 경화능에 대한 많은 연구는 일축 인장에서의 소부 경화 응답 및 그 영향인자에만 집중하고 있고, 자동차 강판의 덴트 저항성을 위한 수치적 연구는 소부 경화 효과를 거의 고려하지 않고 있다. 항복점 현상을 보이는 소재의 거동을 정확하게 예측하기 위해서는 점탄소성 수치해석을 위한 구성 모델이 항복점 현상, 바우싱거 효과, 그리고 소부 경화능을 묘사할 수 있어야 하지만, 이러한 예측과정에서 전통적인 1점 뉴턴법을 사용할 경우 내연적 수치해석에서 수렴된 해를 획득하기 어렵다. 본 연구에서는 먼저 V굽힘 공정에서의 꺾임, 롤러 레벨링 공정을 통한 꺾임 감소, 그리고 자동차 소부 경화 강판의 덴트 저항성에 대한 포괄적인 실험적 연구를 수행하였다. 일축 하중 하에서 저탄소 도장 강판의 속도 의존성과 주기 거동 특성을 조사한 뒤 V굽힘에서의 꺾임에 대한 롤러 레벨링 조건의 효과를 체계적으로 평가 하였다. 2상 강판의 소부 경화 거동은 예변형과 소부 경화 조건의 일축 하중 및 정적 덴트 실험에서 관찰되었다. 이러한 실험적 관찰 결과를 수치해석으로 묘사하기 위해, 항복점 현상과 바우싱거 효과를 동시에 묘사할 수 있는 재료 구성 모델에 대해 내연적 응력 적분 과정을 수식화하고 이를 유한 요소 해석 코드로 구현하였다. 그리고 양분법과 2점 뉴턴법을 채택하여 내연적 유한 요소 해석에서 효율적으로 사용될 수 있는 강건한 응력 적분 알고리즘을 제안하였다. 또한 소부 경화능을 묘사하기 위해 소부 경화 모델과 본 재료모델을 통합하였다. 단순한 문제에 본 모델을 적용하여 수행한 검증 해석 결과는 고전적인 반복법으로는 해를 얻을 수 없는 항복점 현상 문제에 본 모델이 신뢰할 수준으로 사용될 수 있지만 계산 시간은 증가할 수도 있다는 것을 보여주었다. 일축 실험을 재현할 수 있도록 결정된 재료 변수들을 이용하여 실험에 대응되는 수치해석이 수행되었다. 다양한 롤러 레벨링 조건에서의 V굽힘 해석은 실험적으로 관찰된 꺾임 결함과 그 감소 현상을 잘 보여주었다. 실험에서 확인된 소부 경화 거동은 소부 경화 단계를 포함하는 정적 덴트 해석에서 분석되었고, 소부 경화 효과가 수치 해석에서 전반적으로 묘사되었다. 결론적으로 본 연구에서 제안된 해석 방법은 다양한 금속 성형 공정에서 항복점 현상의 효과를 연구하는 것뿐만 아니라 꺾임 결함을 방지하기 위한 롤러 레벨링 조건을 추정하고 자동차 소부 경화 강판의 덴트 저항성을 예측하는데 유용하게 사용될 것으로 기대된다.1 Introduction 15 1.1 Yield-point phenomenon 15 1.2 Avoiding or utilizing the YPP 17 1.3 Literature review 20 1.3.1 YPP defect and its reduction method 20 1.3.2 Dent resistance considering BH behavior 21 1.3.3 Constitutive model and numerical analysis for YPP 21 1.3.4 Stress integration algorithms 23 1.3.5 Recent YPP studies 24 1.3.6 BH models 25 1.4 Objectives and outline 26 2 Experimental Investigations 29 2.1 Experimental observations for fluting defect and its reduction method with PLCS 30 2.1.1 Uniaxial tension test 30 2.1.2 Uniaxial cyclic test 32 2.1.3 Roller-leveling test 35 2.1.4 V-bending test 41 2.2 Experimental observations for static dent resistance considering BH behavior with 490DP 48 2.2.1 Uniaxial tension test with BH 48 2.2.2 Uniaxial tension-compression test with BH 55 2.2.3 Static dent test with BH 57 2.3 Summary 65 3 Material Modeling 67 3.1 Constitutive Model 68 3.1.1 YPP model 68 3.1.2 BH model 71 3.1.3 Integration of BH model into YPP model 73 3.2 Computational Implementation 74 3.2.1 BH calculation 74 3.2.2 Trial state assessment 77 3.2.3 Stress integration 78 3.2.4 Consistent tangent stiffness 87 3.2.5 Summary of the overall procedure 91 3.3 Summary 93 4 Validation of the Material Model 95 4.1 Single element analysis 96 4.2 Uniaxial tension and cyclic simulations 99 4.3 V-bending simulations 100 4.4 Cantilever bending simulation 103 4.5 Performance comparison 105 4.6 Single element BH simulations 107 4.7 Summary 110 5 Numerical Analysis 112 5.1 Numerical simulations of fluting defect and its reduction method for PLCS 113 5.1.1 Uniaxial tension and cyclic simulation 113 5.1.2 Roller-leveling and v-bending simulations 118 5.2 Numerical simulations of static dent resistance considering BH behavior for 490DP 130 5.2.1 Uniaxial tension and tension-compression simulations 130 5.2.2 Static dent simulations 138 5.3 Summary 146 6 Conclusion 151 A Appendix 155 A.1 Pseudocodes of UMAT subroutine for numerical simulations 155 A.2 Hertz contact problem for validating the parameters of the exponential pressure-overclosure relationship 159 References 162 Abstract (In Korean) 174Docto

에너지 효율적 인공신경망 설계

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 공과대학 전기·정보공학부, 2019. 2. 최기영.최근 심층 학습은 이미지 분류, 음성 인식 및 강화 학습과 같은 영역에서 놀라운 성과를 거두고 있다. 최첨단 심층 인공신경망 중 일부는 이미 인간의 능력을 넘어선 성능을 보여주고 있다. 그러나 인공신경망은 엄청난 수의 고정밀 계산과 수백만개의 매개 변수를 이용하기 위한 빈번한 메모리 액세스를 수반한다. 이는 엄청난 칩 공간과 에너지 소모 문제를 야기하여 임베디드 시스템에서 인공신경망이 사용되는 것을 제한하게 된다. 이 문제를 해결하기 위해 인공신경망을 높은 에너지 효율성을 갖도록 설계하는 방법을 제안한다. 첫번째 파트에서는 가중 스파이크를 이용하여 짧은 추론 시간과 적은 에너지 소모의 장점을 갖는 스파이킹 인공신경망 설계 방법을 다룬다. 스파이킹 인공신경망은 인공신경망의 높은 에너지 소비 문제를 극복하기 위한 유망한 대안 중 하나이다. 기존 연구에서 심층 인공신경망을 정확도 손실없이 스파이킹 인공신경망으로 변환하는 방법이 발표되었다. 그러나 기존의 방법들은 rate coding을 사용하기 때문에 긴 추론 시간을 갖게 되고 이것이 많은 에너지 소모를 야기하게 되는 단점이 있다. 이 파트에서는 페이즈에 따라 다른 스파이크 가중치를 부여하는 방법으로 추론 시간을 크게 줄이는 방법을 제안한다. MNIST, SVHN, CIFAR-10, CIFAR-100 데이터셋에서의 실험 결과는 제안된 방법을 이용한 스파이킹 인공신경망이 기존 방법에 비해 큰 폭으로 추론 시간과 스파이크 발생 빈도를 줄여서 보다 에너지 효율적으로 동작함을 보여준다. 두번째 파트에서는 공정 변이가 있는 상황에서 동작하는 고에너지효율 아날로그 인공신경망 설계 방법을 다루고 있다. 인공신경망을 아날로그 회로를 사용하여 구현하면 높은 병렬성과 에너지 효율성을 얻을 수 있는 장점이 있다. 하지만, 아날로그 시스템은 노이즈에 취약한 중대한 결점을 가지고 있다. 이러한 노이즈 중 하나로 공정 변이를 들 수 있는데, 이는 아날로그 회로의 적정 동작 지점을 변화시켜 심각한 성능 저하 또는 오동작을 유발하는 원인이다. 이 파트에서는 ReRAM에 기반한 고에너지 효율 아날로그 이진 인공신경망을 구현하고, 공정 변이 문제를 해결하기 위해 활성도 일치 방법을 사용한 공정 변이 보상 기법을 제안한다. 제안된 인공신경망은 1T1R 구조의 ReRAM 배열과 차동증폭기를 이용한 뉴런을 이용하여 고밀도 집적과 고에너지 효율 동작이 가능하게 구성되었다. 또한, 아날로그 뉴런 회로의 공정 변이 취약성 문제를 해결하기 위해 이상적인 뉴런의 활성도와 동일한 활성도를 갖도록 뉴런의 바이어스를 조절하는 방법을 소개한다. 제안된 방법을 사용하여 32nm 공정에서 구현된 인공신경망은 3-sigma 지점에서 50% 문턱 전압 변이와 15%의 저항값 변이가 있는 상황에서도 MNIST에서 98.55%, CIFAR-10에서 89.63%의 정확도를 달성하였으며, 970 TOPS/W에 달하는 매우 높은 에너지 효율성을 달성하였다.Recently, deep learning has shown astounding performances on specific tasks such as image classification, speech recognition, and reinforcement learning. Some of the state-of-the-art deep neural networks have already gone over humans ability. However, neural networks involve tremendous number of high precision computations and frequent off-chip memory accesses with millions of parameters. It incurs problems of large area and exploding energy consumption, which hinder neural networks from being exploited in embedded systems. To cope with the problem, techniques for designing energy efficient neural networks are proposed. The first part of this dissertation addresses the design of spiking neural networks with weighted spikes which has advantages of shorter inference latency and smaller energy consumption compared to the conventional spiking neural networks. Spiking neural networks are being regarded as one of the promising alternative techniques to overcome the high energy costs of artificial neural networks. It is supported by many researches showing that a deep convolutional neural network can be converted into a spiking neural network with near zero accuracy loss. However, the advantage on energy consumption of spiking neural networks comes at a cost of long classification latency due to the use of Poisson-distributed spike trains (rate coding), especially in deep networks. We propose to use weighted spikes, which can greatly reduce the latency by assigning a different weight to a spike depending on which time phase it belongs. Experimental results on MNIST, SVHN, CIFAR-10, and CIFAR-100 show that the proposed spiking neural networks with weighted spikes achieve significant reduction in classification latency and number of spikes, which leads to faster and more energy-efficient spiking neural networks than the conventional spiking neural networks with rate coding. We also show that one of the state-of-the-art networks the deep residual network can be converted into spiking neural network without accuracy loss. The second part of this dissertation focuses on the design of highly energy-efficient analog neural networks in the presence of variations. Analog hardware accelerators for deep neural networks have taken center stage in the aspect of high parallelism and energy efficiency. However, a critical weakness of the analog hardware systems is vulnerability to noise. One of the biggest noise sources is a process variation. It is a big obstacle to using analog circuits since the variation shifts various parameters of analog circuits from the correct operating points, which causes severe performance degradation or even malfunction. To achieve high energy efficiency with analog neural networks, we propose resistive random access memory (ReRAM) based analog implementation of binarized neural networks (BNNs) with a novel variation compensation technique through activation matching (VCAM). The proposed architecture consists of 1-transistor-1-resistor (1T1R) structured ReRAM synaptic arrays and differential amplifier based neurons, which leads to high-density integration and energy efficiency. To cope with the vulnerability of analog neurons due to process variation, the biases of all neurons are adjusted in the direction that matches average output activation of ideal neurons without variation. The technique effectively restores the classification accuracy degraded by the variation. Experimental results on 32nm technology show that the proposed architecture achieves the classification accuracy of 98.55% on MNIST and 89.63% on CIFAR-10 in the presence of 50% threshold voltage variation and 15% resistance variation at 3-sigma point. It also achieves 970 TOPS/W energy efficiency with MLP on MNIST.1 Introduction 1 1.1 Deep Neural Networks with Weighted Spikes . . . . . . . . . . . . . 2 1.2 VCAM: Variation Compensation through Activation Matching for Analog Binarized Neural Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2 Background 8 2.1 Spiking neural network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2 Spiking neuron model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.3 Rate coding in SNNs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.4 Binarized neural networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.5 Resistive random access memory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3 RelatedWork 22 3.1 Training SNNs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2 SNNs with various spike coding schemes . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.3 BNN implementations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 4 Deep Neural Networks withWeighted Spikes 33 4.1 SNN with weighted spikes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 4.1.1 Weighted spikes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 4.1.2 Spiking neuron model for weighted spikes . . . . . . . . . . . 35 4.1.3 Noise spike . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.1.4 Approximation of the ReLU activation . . . . . . . . . . . . 39 4.1.5 ANN-to-SNN conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.2 Optimization techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.2.1 Skipping initial input currents in the output layer . . . . . . . 45 4.2.2 The number of phases in a period . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.2.3 Accuracy-energy trade-off by early decision . . . . . . . . . . 50 4.2.4 Consideration on hardware implementation . . . . . . . . . . 52 4.3 Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.4.1 Comparison between SNN-RC and SNN-WS . . . . . . . . . 56 4.4.2 Trade-off by early decision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.4.3 Comparison with other algorithms . . . . . . . . . . . . . . . 67 4.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 5 VCAM: Variation Compensation through Activation Matching for Analog Binarized Neural Networks 71 5.1 Modification of Binarized Neural Network . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.1.1 Binarized Neural Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.1.2 Use of 0 and 1 Activations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.1.3 Removal of Batch Normalization Layer . . . . . . . . . . . . 73 5.2 Hardware Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5.2.1 ReRAM Synaptic Array . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5.2.2 Neuron Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.2.3 Issues with Neuron Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 5.3 Variation Compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 5.3.1 Variation Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 5.3.2 Impact of VT Variation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5.3.3 Variation Compensation Techniques . . . . . . . . . . . . . . 88 5.4 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5.4.1 Experimental Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5.4.2 Accuracy of the Modified BNN Algorithm . . . . . . . . . . 94 5.4.3 Variation Compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 5.4.4 Performance Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 5.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 6 Conclusion 102Docto

2,4,6 세 소아에서 부신 안드로겐과 스테로이드 합성 효소 활성도의 변화: 전향적 코호트에서 스테로이드 호르몬 프로파일 분석

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 의과대학 의학과, 2019. 2. 양세원.서론: 성증발생(Adrenarche)은 부신에서 안드로겐이 생성되는 것을 나타내지만, 아직 소아시기에서의 정확한 시작 기전에 대해서는 알려져 있지 않다. 이번 연구에서는 전향적 코호트에서 수집된 자료로 한국 어린이에서 adrenarche의 시작과 관련된 부신 스테로이드 호르몬 및 부신 스테로이드 합성효소의 활성도를 분석하였다. 방법: 어린이 환경발달 코호트에서 2, 4, 6세 때 추적관찰을 실시한 229명(남자 124명, 52.4%)을 대상으로 하였다. 신체계측 기록 및 출생 정보가 수집되었다. LC-MS/MS 방법으로 스테로이드 프로파일 분석을 실시하였다. 측정된 부신 호르몬은 dehydroepiandrosterone (DHEA), dehydroepiandrosterone sulfate (DHEA-S), 17-hydroxyprogesterone, androstenedione, testosterone, pregnenolone sulfate, cholesterol sulfate, testosterone, progesterone, 17-hydroxypregnenolone, pregnenolone이다. 전구물질과 생성물질의 비를 통하여 17α-hydroxylase, 17,20-lyase, 3β- hydroxysteroid dehydrogenase (HSD), 17β-HSD, DHEA Sulfotransferase의 활성도를 계산하였고 이를 성별, 연령별로 비교하였다. DHEA-S 농도 증가와 관련이 있는 요인을 분석하였다. 결과: 2,4,6세 때의 스테로이드 프로파일 결과가 모두 있는 200명 (남자 114명, 57%)를 대상으로 분석을 실시하였다. DHEA, DHEA-S, androstenedione는 남녀 모두에서 2-4세 사이에 증가하였다. DHEA와 androstenedione은 6세 때 여아에서 높았다. DHEA sulfotransferase 활성도는 남녀 모두 2-4세 사이에 증가하였다. 4-6세 사이에는 17α-hydroxylase, 17,20-lyase의 활성도는 증가하고, 3β-HSD와 17β-HSD 활성도는 감소하였다. 여아에서 남아보다 17,20-lyase의 활성도는 높았고, 3β-HSD와 17β-HSD의 활성도는 낮았다. DHEA-S 농도가 증가하는 추세를 보이는 것과 관련된 인자는 연령과 체질량지수였다. 6세 때의 DHEA-S 농도와 관련이 있는 인자는 부당경량아 여부와 골연령이었다. 생화학적 adrenarche는 6세 때 총 27명 (13.5%) 에서 발견되었으며, 남녀 차이는 없었다. 결론: 2-6세 한국 어린이에서 부신 안드로겐은 2-4세에 증가하기 시작하여 4-6세 사이에 많이 증가한다. 부신 스테로이드 합성효소는 2-4세에 DHEA sulfotransferase 활성도가 증가하고, 4-6세 사이에 17,20-lyase의 증가, 3β-HSD의 감소를 보인다. 추후 장기적인 추적관찰 연구가 필요하다.Introduction: Adrenarche refers to the increase in adrenal androgen synthesis. However, process of adrenal androgen production in early childhood remains to be elucidated. The aim of this study was to evaluate changes in adrenal androgen levels and steroidogenic enzyme activities associated with adrenarche using a prospective cohort. Methods: A total of 229 children (124 boys, 52.4%), who had participated in the Environment and Development of Children (EDC) cohort at age 2, 4, and 6 years old were enrolled. Anthropometric data at each visit and birth data were collected. Steroid profiles were analyzed using liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS). A total of 10 adrenal hormones were measured including dehydroepiandrosterone (DHEA), DHEA sulfate (DHEA-S), 17-hydroxyprogesterone, androstenedione, testosterone, pregnenolone sulfate, cholesterol sulfate, testosterone, progesterone, 17-hydroxypregnenolone, and pregnenolone. Steroidogenic enzyme activities were calculated using precursor/product ratios, such as 17α-hydroxylase, 17,20-lyase, 3β-hydroxysteroid dehydrogenase (HSD), 17β-HSD, and DHEA sulfotransferase. Steroid levels and enzyme activities were compared according to age and sex. Factors affecting increasing levels of DHEA-S were analyzed. Results: Data for 200 subjects (114 boys, 57.0%) with all steroid profiling results at 2, 4, and 6 years were analyzed. DHEA, DHEA-S, and androstenedione increased between 2 and 4 years in both sexes. DHEA and androstenedione were higher in girls than in boys at the age of 6 years. DHEA sulfotransferase activity increased between 2 and 4 years in both sexes. Between 4 and 6 years, activities of 17α-hydroxylase and 17,20-lyase increased, although 3β-HSD and 17β-HSD activities decreased. In girls, 17,20-lyase activity was higher and 3β-HSD and 17β-HSD activities were lower than in boys. Factors associated with increasing DHEA-S concentration over visits were age and body mass index. DHEA-S levels at the age of 6 years were significantly associated with being born small for gestational age and bone age on the third visit. Biochemical adrenarche was observed in 27 children (13.5%) with no sex difference. Conclusions: Adrenal androgens began to increase between the ages 2 to 4 years. Increased activity of DHEA sulfotransferase began between 2 and 4 years. Changes in steroidogenic enzyme activity to increase DHEA-S concentrations started between 4 and 6 years with increased 17,20-lyase and decreased 3β-HSD activity. A longitudinal study with samples at the age of 8 years would be needed.Abstract i Contents iv List of tables v List of figures vii List of abbreviations ix Introduction 1 Materials and Methods 4 Results 14 Discussion 44 Conclusions 49 References 50 Acknowledgments 57 Abstract in Korean 58Docto

정보통신기술을 이용한 작업장 근로자 정신건강 관리 모델 개발

학위논문(박사) -- 서울대학교대학원 : 의과대학 임상의과학과, 2024. 2. Bong-Jin Hahm.Background: While the importance of mental health is well- recognized in the field of occupational health, implementation of effective strategies in the workplace have been limited by gaps in infrastructure, program comprehensiveness, coverage, and adherence. The study tried to develop a screening, brief intervention, and referral to treatment (SBIRT) model based occupational mental health intervention, implemented in a web- based format with a smartphone application. Methods: The SBIRT-based intervention was developed by a multidisciplinary team, including occupational health physicians, nurses, psychiatrists, and software developers. The following mental health areas were included, based on outcomes of an epidemiological survey conducted: insomnia, depression, anxiety, problematic alcohol use, and suicidal risk. The viability of the two- step evaluation process utilizing a combination of the brief version and the full-length version of the questionnaire was examined using responses from the survey. The intervention was adjusted according to the survey results and expert opinions. Following the development, a pilot study evaluating the feasibility and preliminary effectiveness of the model was conducted. General estimation equation (GEE) model was used to examine the change in severity and scale scores in mental health problems. Additionally, feasibility measures, including drop-out rates, evaluation completion rates, and user satisfaction, were examined. Results: The epidemiological survey, which included 808 employees, revealed the prevalence of insomnia, 9.2%; depression, 4.8%; anxiety, 4.2%; problematic alcohol use, 11.5%; and suicidal risk, 4.1%. The new cut-off values for short-form version of scales, when used in a combination of short-form and long-form version of the scales, were determined: 4, ISI-3; 4, brief AUDIT for men; 3, brief AUDIT for women; 2, GAD-2; 2, PHQ-2; and 1, the suicidal ideation item of PHQ-9. The model uses a smartphone application for screening, provision of psychoeducation, and for surveillance. The universal methods of the model ensure it can be implemented by all occupational managers, regardless of their specialization in mental health. In addition to the two-step screening procedure to identify employees at-risk for mental health problems, the model includes a stepped care approach, based on risk stratification, to promote mental health education, management, and follow-up for continuous care. The pilot study involving 634 employees from 58 workplaces revealed decreases in short scale scores for insomnia (B=-0.13, [95% CI, 0.798-0.959]), problematic alcohol use (B=- 0.16, [95% CI, 0.791-0.915]), depression (B=-0.06, [95% CI, 0.896-0.987]), and suicidal ideation (B=-0.01, [95% CI, 0.977- 0.999]). However, decrease in the severity was only observed for problematic alcohol use, but not for other mental health problems. Total of 235 (37.1%) participants were loss to follow-up. User satisfaction measured with CSQ-8 exhibited average total score of 25.71. Conclusion: The SBIRT model-based intervention provides an easy-to-implement approach with good adherence for the management of mental health in the workplace. Further studies are required to examine the long-term effectiveness and feasibility of the model.배경: 직업환경의학 분야에서 정신건강의 중요성은 강조되고 있으나 인프라의 부족, 포괄적 프로그램의 부족, 모든 근로자를 대상으로 한 보급의 부족, 낮은 순응도 등의 문제로 정신건강을 효과적으로 관리할 수 있는 방법의 시행은 제한적이었다. 이 연구에서는 선별, 단기 중재, 치료 의뢰 (Screening, Brief Intervention, and Referral to Treatment; SBIRT) 모델을 이용하여 모바일 어플리케이션과 웹 페이지를 기반으로 한 근로자 정신건강관리 체계를 개발하고자 하였다. 방법: 새로운 선별, 단기 중재, 치료 의뢰 (SBIRT) 기반 모델은 직업환경의학 의사, 간호사, 정신과 의사, 소프트웨어 개발자 등으로 구성된 다학제적 팀을 통해 개발되었다. 실태조사 결과를 바탕으로 불면, 우울, 불안, 문제적 알코올 사용, 자살 위험의 다섯가지 정신건강 영역이 포함되었다. 실태조사 결과를 이용하여 단축형과 기본형 척도의 조합을 활용한 두 단계 평가 프로세스에 대한 검증이 이루어졌다. 모델은 실태조사 결과와 전문가 의견을 수렴하여 수정되었다. 이후 모델의 실현 가능성과 예비 효과를 확인하는 파일럿 연구를 수행하였다. 일반화 추정 방정식 모델을 활용하여 시간 경과에 따른 정신건강 문제의 중증도와 단축형 척도 점수의 변화를 분석하였다. 또한, 실현 가능성을 확인하기 위한 지표로 중도 포기 비율, 평가 완료 비율, 사용자 만족도 등을 설정하여 확인하였다. 결과: 총 808 명의 근로자가 실태조사에 참여하였으며 불면 9.2%, 우울 4.8%, 불안 4.2%, 문제적 음주 11.5%, 자살 위험 4.1%의 유병률을 보였다. 단축형과 기본형 척도의 조합을 이용할 때의 단축형 척도의 절단점은 불면, 알코올 문제(남자), 알코올 문제(여자), 불안, 우울, PHQ-9 의 자살사고 문항에 대해 각각 4, 3, 2, 2, 2, 1 점으로 나타났다. 새로운 정신건강관리 모델은 스마트폰 어플리케이션을 활용하여 위험군 선별, 심리교육자료 전달, 지속적인 감시가 이루어지도록 개발하였다. 범용성을 특징으로 하여 직장 내 보건관리자가 정신건강전문요원이 아니더라도 쉽게 활용할 수 있도록 개발하였다. 그리고 위험군을 선별하는 두 단계 선별 과정에 더해 위험도에 따른 심리교육 자료, 관리, 추적 관찰을 각기 다르게 설정하는 계단식 케어 접근 방식을 채택하였다. 새 모델을 활용하여 58 개의 사업장에서 총 634 명의 근로자에 대해 두 달 동안 진행된 예비 실증 연구를 진행하였으며 단축형 척도 점수를 결과 변수로 하였을 때 불면 (B=-0.13, [95% CI, 0.798-0.959]), 알코올 문제 (B=-0.16, [95% CI, 0.791-0.915]), 우울 (B=-0.06, [95% CI, 0.896-0.987]), 자살위험도 (B=-0.01, [95% CI, 0.977-0.999])에서 통계적으로 유의한 감소가 확인되었다. 각각의 정신건강 문제 심각도를 결과 변수로 하였을 때는 알코올 문제에 대해서만 위험도의 감소가 확인되었다. 예비 실증 연구 기간 동안 총 235 (37.1%) 명의 참가자가 중도 포기하였으며, Client satisfaction questionnaire (CSQ-8)로 측정한 사용자 만족도에서는 총점 평균 25.71 점을 보였다. 결론: 선별, 단기 중재, 치료 의뢰 (SBIRT) 모델을 기반으로 한 정신건강관리 모델은 향상된 순응도와 함께 작업장에 쉽게 적용할 수 있는 정신건강 관리법으로 활용할 수 있다. 향후 장기간의 효과와 실현 가능성을 확인하는 추가 연구가 필요하다Chapter 1. Introduction 1 1.1. Mental health in workplaces1 1.2. Digital interventions for occupational mental health promotion3 1.3. Screening, brief intervention, and referral to treatment (SBIRT) model5 Chapter 2. Method . 8 2.1. The development of a SBIRT-based mental health management model8 2.1.1. Selection of mental health subject for the model8 2.1.2. Selection of scales for mental health evaluation.9 2.1.3. Epidemiological survey.9 2.1.4. Validation of the two-step evaluation process11 2.1.5. The development of the model.12 2.2. Pilot study: An effectiveness and feasibility study13 2.2.1. Study design13 2.2.2. Participants14 2.2.3. Intervention15 2.2.4. Outcome measures15 2.2.5. Statistical analysis.17 Chapter 3. Results 19 3.1. The development of a SBIRT-based mental health management model19 3.1.1. Selection of mental health subject for the model19 3.1.2. Selection of scales for mental health evaluation19 3.1.3. Epidemiological survey23 3.1.4. Validation of the two-step process.24 3.1.5. The new SBIRT-based model26 3.2. Pilot Study: An effectiveness and feasibility study29 3.2.1. Baseline characteristics29 3.2.2. Effectiveness outcomes29 3.2.3. Feasibility outcomes.31 Chapter 4. Discusssion 33 4.1. The epidemiological survey.33 4.2. Validation of the two-step process36 4.3. The new SBIRT-based model39 4.4. Limitations.44 Chapter 5. Conclusion 46 Tables47 Figures.65 Bibliography 69 Abstract in Korean . 81박

삼차원 프린터를 이용한 새로운 생분해성 담도 스텐트의 돼지 모델에서의 타당성 및 안전성 평가: 예비연구

학위논문(박사) -- 서울대학교대학원 : 의과대학 의학과, 2023. 2. 한준구.Objectives: To assess the feasibility and safety of a novel 3D-printed biodegradable biliary stent using polycaprolactone (PCL) in an in vivo porcine model Methods: In this animal study using domestic pigs, biodegradable radiopaque biliary stents made of polycaprolactone (PCL) and barium sulfate were produced using 3D printing and surgically inserted into the common bile duct (CBD) of pigs (stent group, n=12). Another five pigs were allocated to the control group that only underwent resection and anastomosis of the CBD without stent insertion. To check the position and status of the stents and stent-related complications, follow-up computed tomography (CT) was performed every month. The pigs were sacrificed 1 or 3 months after surgery, and their excised CBD specimens were examined at both the macroscopic and microscopic levels. Results: Three pigs (one in the stent group and two in the control group) died within one day after surgery and were excluded from further analysis; the remaining 11 in the stent group and 3 in the control group survived the scheduled follow-up period (1 month, 5 and 1; and 3 months, 6 and 2 in stent and control groups, respectively). In all pigs, no clinical symptoms or radiologic evidence of biliary complications was observed. In the stent group (n=11), stent migration (n=1 at 3 months; n=2 at 1 month) and stent fracture (n=3 at 2 months) were detected on CT scans. Macroscopic evaluation of the stent indicated no significant change at 1 month (n=3) or fragmentation with discoloration at 3 months (n=5). On microscopic examination of CBD specimens, the tissue inflammation score was significantly higher in the stent group than in the control group (mean±standard deviation (SD), 5.63±2.07 vs. 2.00±1.73; P=0.039) and thickness of fibrosis of the CBD wall was significantly higher than that of the control group (0.46±0.12 mm vs. 0.21±0.05mm; P=0.012). Conclusion: Despite mild bile duct inflammation and fibrosis, 3D-printed biodegradable biliary stents showed good feasibility and safety in porcine bile ducts, suggesting their potential for use in the prevention of postoperative biliary strictures.서론: 삼차원 프린터와 폴리카프로락톤 (PCL)을 이용한 새로운 생분해성 담도 스텐트의 타당성과 안정성을 돼지 모델에서 평가하기 위한 연구이다. 방법: 본 연구에서는 삼차원 프린터를 이용하여 PLC과 황산 바륨을 섞은 생분해성 방사선 불투과 담도 스텐트를 제작하고, 돼지의 총담관에 삽입 하였다 (스텐트 군, n =12). 또한, 다른 5마리의 돼지는 스텐트 삽입 없이 총담관의 절제 및 문합만을 시행한 대조군에 할당하였다. 스텐트의 위치와 상태, 스텐트 관련 합병증을 확인하기 위해 매월 추적 컴퓨터 단층촬영(CT)을 시행하였다. 돼지는 수술 후 1개월 혹은 3개월 후에 희생되었고, 절제된 총담관 표본은 병리과 전문의가 육안적, 현미경적으로 관찰 및 분석하였다. 결과: 3마리의 돼지(스텐트 군에서 1마리, 대조군 2마리)는 수술 후 하루 이내에 사망했으며 이후 분석에서 제외되었다; 나머지 스텐트 군 11마리와 대조군 3마리는 예정된 추적관찰 기간 (스텐트 군: 1개월 5마리, 3개월 6마리; 대조군: 1개월 1마리, 3개월 2마리) 동안 생존했다. 모든 돼지에서 담도 합병증의 임상 증상이나 영상의학적 증거는 관찰되지 않았다. 스텐트 군 (n = 11)에서는 추적관찰 CT에서 스텐트 이동 (3개월 째 1마리, 1개월 째 2마리)과 스텐트 골절 (2개월 째 3마리)이 관찰되었다. 스텐트의 육안 평가 결과 1개월 째 (n = 3)에는 유의한 변화가 없었고, 3개월 째 (n = 5)에 변색과 단편화가 관찰되었다. 총담관 표본의 현미경 검사에서 조직 염증 점수는 대조군보다 스텐트 군에서 유의하게 높았고 (mean±standard deviation, 5.63±2.07 vs. 2.00±1.73; P=0.039), 총담관 벽의 섬유화 두께도 대조군보다 스텐트 군에서 유의하게 두꺼웠다 (0.46±0.12 mm vs. 0.21±0.05mm; P=0.012). 결론: 경미한 담관 염증 및 섬유화에도 불구하고 삼차원 프린터로 만든 생분해성 담도 스텐트는 돼지 담관에서 좋은 타당성과 안정성을 보여, 추후 수술 후 담도 협착 예방에 사용할 수 있는 가능성을 보였다고 할 수 있겠다.Introduction 1 Materials and Methods 4 Results 10 Discussion 23 References 30 국문초록 34박

수중 음이온 오염물질 제거를 위한 기능성 무기소재 및 고분자 복합체의 합성과 적용

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 생태조경·지역시스템공학부, 2017. 2. 김성배.This thesis deals with the synthesis, characterization, and application of an inorganic functional materials as adsorbents for phosphorous, chromium, and fluorine removal from aqueous solutions. The inorganic functional materials presented in this study include iron oxide nanoparticle-chitosan composite, triamine-functionalized mesoporous silica-polymer composite, calcined Mg-Fe layered double hydroxide-PVDF/PVA composite, and quintinite. Iron oxide nanoparticle(ION)-chitosan composites were prepared using acidified chitosan, an environmentally friendly polymer, suspension to blend iron oxide nanoparticles by a cross-linking method. The removal of phosphate by ION-chitosan composites was verified by batch experiments, column experiments and pilot-scale adsorption tower experiment. The adsorption properties were analyzed and quantified using kinetic and equilibrium models and thermodynamic analysis. ION-chitosan composites successfully removed phosphate from aqueous solution and showed good reversibility, multicycle stability. It is a good candidate for environmentally friendly inorganic composites as adsorbents. The characterization of triamine-functionalized mesoporous silica-polymer composites for Cr(VI) removal was also studied. The mesoporous material with various amounts of functional group had high surface area. The kinetics of the functionalized mesoporous silica were found to be sufficiently fast and it was observed that maximum sorption capacity was 330.88 mg/g. The composites showed good performance of chromate removal from real industrial wastewater. The calcined Mg-Fe layered double hydroxide(LDH) was prepared through a co-precipitation and calcination at 300 oC. The calcined LDH could be used repeatedly for phosphate removal through desorption with 0.1 M NaOH solution. MgFe calcined LDH-PVDF/PVA composites also could be used for phosphate removal from aqueous solutions with regeneration and repeated use. The phosphate removal was relatively constant at an acidic and alkaline pHs. Quintinite was applied as adsorbents for removal of phosphate and fluoride. The maximum phosphate adsorption capacity was 4.77 mgP/g. The phosphate adsorption to quintinite was not varied at pH 3.0 – 7.1 (1.50 –1.55 mgP/g) but decreased considerably at a highly alkaline solution (0.70 mgP/g at pH 11.0). Experimental results showed that the maximum adsorption capacity of fluoride to quintinite was 7.71 mg/g. The adsorption of fluoride to quintinite was not changed at pH 5 – 9 but decreased considerably at the highly acidic (pH 11) solution conditions. Therefore, this study elucidated that the inorganic functional materials removed phosphorous, chromium, and fluorine from aqueous solutions, effectively. These results also demonstrate that the functional polymer composites developed in this study can be applied to water treatment system.Chapter 1 Introduction 1 1.1. Background 2 1.2. Objective 6 Chapter 2 Literature Review 9 2.1. Inorganic adsorbents for anionic contaminants removal 10 2.2. Composite adsorbents 15 2.3. Polymer composites 16 2.4. Data analyses 19 Chapter 3 Phosphate removal from aqueous solution by using iron oxide nanoparticle-chitosan composites 26 3.1. Materials and Methods 27 3.1.1. Synthesis of ION-chitosan composites 27 3.1.2. Characterization of ION-chitosan composites 28 3.1.3. Stream water samples 29 3.1.4. Batch experiments 31 3.1.5. Fixed-bed column experiment 34 3.1.6. Long-term pilot-scale experiment 36 3.2. Results and Discussion 41 3.2.1. Characteristics of ION-chitosan composites 41 3.2.2. Batch adsorption of phosphate 46 3.2.3. Kinetic, isotherm and thermodynamic model analyses 55 3.2.4. Fixed-bed adsorption of phosphate 67 3.2.5. Pilot test 71 3.2.6. Conclusions 74 Chapter 4 Preparation and characterization of triamine-functionalized mesoporous silica-polymer composites for Cr(VI) removal from industrial plating wastewater 75 4.1. Materials and Methods 76 4.1.1. Synthesis of DAEAPTS-SBA-15 PVA/alginate composites 76 4.1.2. Characterization of DAEAPTS-SBA-15 PVA/alginate composites 78 4.1.3. Industrial plating wastewaters 79 4.1.4. Batch experiments 83 4.1.5. Fixed-bed column experiments 86 4.2. Results and Discussion 88 4.2.1. Characteristics of DAEAPTS-SBA-15 88 4.2.2. Batch experiments 101 4.2.3. Kinetic, isotherm and thermodynamic model analyses 107 4.2.4. Fixed-bed adsorption of chromate 116 4.2.5. Conclusions 119 Chapter 5 Characterization of calcined Mg-Fe layered double hydroxide for phosphate removal from aqueous solutions 120 5.1. Materials and Methods 121 5.1.1. Synthesis of calcined Mg-Fe layered double hydroxide 121 5.1.2. Characterization of Mg-Fe CLDH 122 5.1.3. Phosphate sorption experiments 123 5.2. Results and Discussion 128 5.2.1. Characterization of Mg-Fe CLDH 128 5.2.2. Characterization of phosphate removal 133 5.2.3. Kinetic, isotherm and thermodynamic analyses 143 5.2.4. Conclusions 152 Chapter 6 Preparation and characterization of calcined Mg-Fe layered double hydroxide PVDF/PVA composites for phosphate removal from aqueous solutions 153 6.1. Materials and Methods 154 6.1.1. Synthesis of MgFe CLDH-PVDF/PVA composites 154 6.1.2. Characterization of MgFe CLDH-PVDF/PVA composites 155 6.1.3. Batch experiments 156 6.1.4. Fixed-bed experiments 160 6.2. Results and Discussion 162 6.2.1. Characteristics of MgFe CLDH-PVDF/PVA composites 162 6.2.2. Batch adsorption of phosphate 167 6.2.3. Kinetic, isotherm and thermodynamic model analyses 176 6.2.4. Fixed-bed adsorption of phosphate 186 6.2.5. Conclusions 189 Chapter 7 Removal of phosphate and fluoride from aqueous solution by quintinite particles 190 7.1. Materials and Methods 191 7.1.1. Synthesis of quintinite 191 7.1.2. Characterization of quintinite 192 7.1.3. Stream water samples 193 7.1.4. Batch experiments 195 7.2. Results and Discussion 200 7.2.1. Characteristics of quintinite 200 7.2.2. Batch adsorption of phosphate 206 7.2.3. Kinetic, isotherm and thermodynamic model analyses 214 7.2.4. Batch adsorption of fluoride 222 7.2.5. Kinetic, isotherm and thermodynamic model analyses 230 7.2.6. Conclusions 237 Chapter 8 General Conclusions and Recommendations 238 8.1 General conclusions 239 8.2. Recommendations 242 REFERENCES 243 국문 초록 259Docto

Investigation of Drug-Drug Interactions between Tacrolimus and Mycophenolate Mofetil with Pharmacometrics Approach

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 약학대학 약학과, 2018. 2. 오정미.P<0.05), MPA와 대사체의 약동력학 파라미터는 유의미한 변화를 보이지 않았다. TAC의 청소율은 MMF와 병용하지 않았을 때에는 17.8 L/h (상대표준오차 11%)였고, MMF와 병용하였을 때에는 13.8 L/h (상대표준오차 11%)였다. 상호작용은 지수 모형으로 설명되었다. CYP3A5 유전자형이 유의미한 공변량으로 도출되었다. TAC의 청소율의 대푯값은 CYP3A5 expresser에서 1.48배(상대표준오차 16%) 증가하였다. TAC의 청소율은 MMF와 병용하였을 때 감소하였다. 결론적으로 본 연구에서 상호작용을 고려한 통합된 집단약동학 모델에서 TAC과 MMF의 상호작용을 확인하였다. TAC의 혈중 농도는 MMF의 병용으로 인하여 상승하는 것으로 분석되었다. 최근의 임상시험이 TAC과 MMF의 여러가지 용량 조합을 평가하는 것을 고려하면, 두 약물 사이의 상호작용 양상을 확인하는 것은 중요하다. 개발된 집단약동학 모델을 활용하여 TAC과 MMF의 상호작용을 고려하면서 두 약물의 혈중농도를 예측할 수 있다. 그러나, 약물 상호작용의 영향이 약물이 주로 사용되는 표적 환자 집단에서도 유지되는지 확인하기 위해서 추가 연구를 수행하였다. 2. 신장이식 환자에서 건강인 대상으로 개발된 집단 약동학 모델의 검증 연구 TAC과 MMF는 신장이식 환자에서 거부반응을 예방하기 위해 가장 흔하게 병용되는 면역억제제이다. 일부 in vitro 연구에서 TAC과 MMF의 상호작용 가능성을 제기하였다. Section I의 건강한 성인을 대상으로 한 연구에서 TAC과 MMF의 상호작용의 크기와 양상을 확인하였다. 본 연구는 신장이식 환자에게 건강한 성인 대상으로 개발되었던 모델을 적용하여 상호작용의 영향이 환자에서도 나타나는지 확인하고자 하였다. 32명의 신장이식 환자가 연구에 참여하였다. TAC과 MMF를 복용한 후 최대 4시간까지 채혈하였다. TAC, MPA, MPAG, 그리고 AcMPAG의 혈중농도를 분석하였다. CYP3A4, CYP3A5, SLCO1B1, SLCO1B3, ABCC2, UGT1A9, 그리고 UGT2B7의 유전자형을 분석하였다. 건강한 성인 대상으로 개발하였던 집단약동학 모델을 신장이식 환자에서의 기본 약동학 구조모형으로 활용하였다. 임상적 변수와 유전자형을 모델의 공변량으로 고려하였다. 개발된 모델을 활용하여 다양한 임상적 상황에서 TAC의 최저 혈중농도를 시뮬레이션 하였다. 총 562개의 약물 농도가 분석되었고 모델 개발에 사용되었다. TAC과 MMF의 최종 집단약동학 모델에 역-지수(inverse exponential) 관계로 상호작용이 반영되었다. 최종 모델에 유의미한 공변량으로 CYP3A5, SLCO1B3, UGT2B7의 유전자형이 도출되었다. TAC의 청소율의 집단 대푯값은 21.9 L/h였고 CYP3A5 expresser에서 청소율이 1.49배로 증가하였다. SLCO1B3 T carrier에서 MPAG의 분포 용적이 1.2배인 것으로 추정되었다. AcMPAG의 생성속도상수는 UGT2B7 T carrier에서 0.8배로 추정되었다. 면역억제제의 용량과 유전자형을 조합한 다양한 임상적 상황에서 TAC의 혈중농도가 시뮬레이션 되었다. CYP3A5 nonexpresser이면서 병용하는 MMF의 용량이 클수록 TAC의 최저혈중농도가 높게 관찰되었다. SLCO1B3와 UGT2B7의 유전자형은 TAC의 최저혈중농도에 영향을 미치지 않았다. 본 연구는 건강한 성인에서 개발한 집단약동학 모델을 활용하여 신장이식 환자에서 TAC과 MMF의 상호작용의 영향을 확인한 최초의 연구이다. TAC의 최저혈중농도를 결정하는 주요한 요인은 MMF와의 약물상호작용과 CYP3A5 유전자형이었다. MMF가 병용되거나 MMF의 용량이 변경되는 임상적 상황에서 본 연구에서 개발한 집단약동학 모델을 활용하여 TAC의 용량을 조절할 수 있다.1. 건강한 성인에서 타크로리무스와 미코페놀레이트 상호작용 규명 연구 타크로리무스(Tacrolimus, TAC)와 미코페놀레이트 모페틸(Mycophenolate mofetil, MMF)은 장기이식 거부반응을 예방하기 위해 가장 흔히 병용되는 면역억제제이다. 본 연구의 목적은 TAC과 MMF의 약동학적 약물상호작용을 건강한 한국인 성인 자원자에서 규명하는 것이다. 17명의 참여자가 3기, 단회 투약, 고정 순서의 임상시험에 참여하였다. 임상시험 참여자들은 순서대로 각각 MMF, TAC, 그리고 MMF와 TAC을 복용하였다. TAC과 mycophenolic acid (MPA), 그리고 MPA의 대사체인 MPA 7-O-glucuronide (MPAG)와 MPA acyl glucuronide (AcMPAG)의 농도를 측정하였다. CYP3A4, CYP3A5, SLCO1B1, SLCO1B3, ABCC2, UGT1A9, 그리고 UGT2B7의 유전자형을 분석하였다. 비구획분석으로 상호작용을 평가하고 그 영향을 집단약동학 모델로 정량하였다. 집단약동학 모델 개발 시 구조모형으로 단일구획, 다구획 모형 등을 평가하였다. 상호작용의 영향을 반영하기 위해 선형, 시그모이드, 그리고 지수 모형을 평가하였다. 공변량의 영향은 단계적 공변량 모델링 방법으로 평가하였다. 모델 개발 과정에서 모델의 개선 정도 평가는 목적 함수 값, 적합도, 시각적 예측 점검으로 평가하였다. 총 1,082개의 약물 농도가 분석되었다. TAC의 AUC0-inf(Area Under the time-concentration Curve from time 0 to infinity)는 MMF와 병용하였을 때 22.1% 증가하였으나 (322.4±174.1에서 393.6±121.7 ng·h/mLSection I. Identification of Drug-Drug Interaction between Tacrolimus and Mycophenolate Mofetil in Healthy Volunteers 1 Chapter 1. Introduction 2 1.1. 계량약리학 2 1.2. 신장이식과 유지 면역억제제 4 1.3. 유지 면역억제제의 약물 상호작용 8 1.4. 연구의 목적 11 Chapter 2. Methods 12 2.1. 연구 설계 및 임상시험 대상자 12 2.2. 시험 약물 투여 15 2.3. 약물 혈중 농도 분석 15 2.4. 유전형 분석 및 자료 수집 16 2.5. 비구획 분석 17 2.6. 집단약동학 모델 개발 18 Chapter 3. Results 21 3.1. 인구학적 특성 21 3.2. 비구획 분석 27 3.3. 집단약동학 모델 개발 31 3.4. 모델의 평가 36 Chapter 4. Discussion 42 Section II. Validation of a Population Pharmacokinetic Model Derived from Healthy Volunteers with Kidney Transplant Recipients 46 Chapter 1. Introduction 47 1.1. 연구의 배경 47 1.2. 연구의 목적 48 Chapter 2. Methods 49 2.1. 연구 설계 및 임상시험 대상자 49 2.2. 시험 약물 투여 50 2.3. 약물 혈중 농도 분석 50 2.4. 유전형 분석 및 자료 수집 51 2.5. 집단약동학 모델 개발 52 Chapter 3. Results 55 3.1. 인구학적 특성 55 3.2. 집단약동학 모델 개발 57 3.3. 모델의 평가 60 3.4. 집단약동학 모델의 시뮬레이션 66 Chapter 4. Discussion 69 References 75Docto

A Study on Structural Vulnerability Countermeasure Design and Analysis Techniques for Survivability Enhancement of Naval Ships

The naval ship has to ensure the safety from the enemy attack and damages so that it must be able to accomplish a given task. Like this ability of the naval ship is expressed in ability of the security for the survivability, and the survivability especially can be expressed the relationship of susceptibility, vulnerability and recoverability. Surface naval ship is easily noticeable by the enemy and moreover there are many attack weapons to surface naval ship. Therefore, it is important for modern naval ships, especially combat naval ships, to establish countermeasure of vulnerability for survivability. In this study, The author reviewed the developing procedure for the technique of the naval ships structures considering survivability and described the basic design concept, analysis method and so on. It is known that the countermeasure of vulnerability is to establish the double hull structure, box girder, blast hardened bulkhead, protection wall against fragments and so on, and it must be decided within possible design conditions. Among these methods, it is known that the installation of box girder and blast hardened bulkhead is the one of the most economical and efficient method. In order to design naval ship considering survivability, it is demanded that designers should establish the reasonable attack scenarios, which generally are divided into external and internal explosions to the ship. Explosion may induce local damage as well as global collapse to the ship. Therefore possible damaged should be realistically estimated in the design stage. The general underwater explosion problem begins with an explosive charge of a certain size and material located at a depth below the free surface of the water surrounding it. The water is assumed to behave as a compressible fluid that is incapable of supporting significant tension. The ship is on the free surface of the water, and depending on the location of the explosive relative to the ship, The important result of the explosion are the ship's early and late time response, however it is important to first understand the phenomena of a generic underwater explosion. In this thesis, the author studied the method of the naval ship design and analysis against underwater explosion. The numerical simulation of collision and explosion etc. have achieved collision analysis and complex analysis of structure-fluid interaction problem was begun to achieve in code of LS-DYNA, MSC/DYTRAN etc.. that is explicit hydrocode. There is ALE (Arbitrary Lagrangian-Eulerian) technique by representative analysis technique of structure-fluid interaction problem, and it can be applied that explosive and air can be modeled with fluid element and hull structures can be modeled with structure element. In this thesis, the author used ALE technique to simulate explosion analysis and investigated survival capability of damaged naval ships. Fragment protection concepts are discussed covering materials, concepts and objectives. The purpose of fragment protection material is to stop or slow down a threat projectile such that any resulting system deactivation is acceptable. Typical ship hull and deckhouse external plating is insufficient to stop most threat projectiles, thus requiring additional armor. In this thesis, the author recommend that once threat weapon characteristics are defined, an iterative analysis approach as outlined be conducted until a satisfactory design is achieved.목차 = ⅰ 그림목록 = ⅵ 표목록 = xi 기호설명 = xiii 제 1 장 서론 = 1 1.1 개요 = 1 1.2 민감성(susceptibility) = 2 1.3 취약성(vulnerability) = 2 1.4 회복성(recoverability) = 3 1.5 생존성 연구동향 = 3 1.6 연구범위 및 목표 = 4 제 2 장 생존성 향상을 위한 선체 구조설계 기술의 발달과정 = 6 2.1 19세기 중반 = 6 2.2 세계 제1차 및 제2차대전 = 6 2.3 1960년대 이후 = 7 2.4 현대의 전투 환경 및 설계 개념 = 7 제 3 장 위협의 종류, 평가 및 시나리오 설정 = 10 3.1 위협의 평가과정 = 10 3.2 위협의 종류 = 10 3.2.1 공중무기(Air Delivered Weapons) = 11 3.2.2 수중무기(Water Delivered Weapons) = 12 3.3 위협 시나리오 = 13 3.3.1 내부 폭발(Internal Blast) = 13 3.3.2 외부 폭발(External Blast) = 14 3.3.3 파편(Fragment) = 15 3.3.4 시나리오 설정 = 15 제 4 장 생존성 향상을 위한 취약성 감소대책 = 16 4.1 이중선체(Double Hull)의 구조 = 16 4.2 박스 거어더(Box Girder)의 적용 = 17 4.2.1 박스 거어더의 역할과 필요성 = 17 4.2.2 박스 거어더의 유용성 = 18 4.2.3 박스 거어더의 형태 = 19 4.2.4 박스 거어더의 설계 절차 = 20 4.3 이중 횡 격벽(Double Transverse Bulkhead) 구조 = 22 4.4 폭발 강화 격벽(BHBBlast Hardened Bulkhead)의 적용 = 22 4.4.1 폭발 강화 격벽의 역할과 필요성 = 22 4.4.2 폭발 강화 격벽의 기본 개념 = 23 4.4.3 폭발 강화 격벽의 유용성 = 24 4.4.4 폭발 강화 격벽의 설계 절차 = 24 4.5 피탄 보호(Fragmentation Protection) = 26 제 5 장 수중폭파 해석에 의한 함정 설계 = 27 5.1 수중폭파 기초 이론 = 27 5.1.1 충격파와 충격계수 = 27 5.1.2 가스구체의 거동 = 32 5.1.3 광역 캐비테이션 = 33 5.2 수중폭발 실선시험 = 38 5.3 선체 거어더, 장비 기기 및 받침대 내충격 설계 절차 = 46 5.3.1 선체 거어더 내충격 설계 = 46 5.3.2 장비 및 기기 계통의 내충격 설계 = 47 5.3.3 받침대 및 지지구조 내충격 설계 = 49 제 6 장 선체 거어더 휘핑응답 해석 = 50 6.1 개요 = 50 6.2 수중폭발 조건 = 50 6.3 해석 방법 및 내용 = 53 6.3.1 1차원 보 유추 해석 = 53 6.3.2 3차원 유한요소 해석 = 54 6.4 해석 결과 고찰 = 56 6.4.1 가스구체 압력파에 의한 유체 가속도 및 유체 압력 계산 = 56 6.4.2 휘핑응답 변위 계산 및 종강도 검토 = 57 제 7 장 공기중 폭파 해석에 의한 함정 설계 = 60 7.1 개요 = 60 7.2 ALE 기법 알고리즘 = 61 7.3 유체 영역의 상태방정식 = 61 7.3.1 폭약(explosion)의 상태방정식 = 62 7.3.2 공기(air)의 상태방정식 = 64 7.3.3 해수(sea water)의 상태방정식 = 65 7.4 수치 시뮬레이션의 비교 = 65 7.4.1 폭발하중 간략 계산 방법 = 65 7.4.2 수치해석 결과 비교 = 69 7.4.3 해수(sea water)의 상태 방정식 = 65 7.5 피격 후 생존시간 계산 = 70 7.5.1 해상상태에 의한 생존시간 = 70 7.5.2 구조 붕괴파고 및 생존시간 계산 = 71 제 8 장 ALE 기법을 이용한 수중폭파 해석 = 73 8.1 개요 = 73 8.2 수중폭발 시나리오 및 하중 산정 = 74 8.3 모델링 = 75 8.4 액화산소 탱크의 충격 강도 평가 = 79 제 9 장 함정의 피탄 보호구 설계 = 85 9.1 개요 = 85 9.2 파편의 종류 및 정의 = 85 9.2.1 Gurney method = 86 9.2.2 THOR 방정식 = 89 9.2.3 TM5-1300 방법 = 90 9.3 피탄 보호구 설계 기준 = 91 9.3.1 미군의 군수품 충돌 실험 기준 = 92 9.3.2 영국선급(LR) 파편 보호 설계 기준 = 93 9.3.3 나토 피탄 보호 설계 기준 = 96 9.3.4 유사 실적 자료 비교 = 96 9.4 피탄 보호구 설계 개념 = 98 9.5 피탄 보호구 설계 방법 = 100 9.5.1 파편 관통 방정식 = 100 9.5.2 재질 방탄 성능 계수(MSF) = 101 9.5.3 다중판 관통 방탄 성능 계수(MPPF) = 102 9.5.4 입사각에 따른 방탄 성능 계수(OAF) = 103 9.5.5 파편 충돌에 대한 장비 내구력 = 104 9.6 파편 손상 수치 해석 = 105 9.6.1 ACE 1.0 프로그램 = 105 9.6.2 LS-DYNA 프로그램 수행 결과 = 108 제 10 장 함정의 취약성 해석 및 설계 예 = 110 10.1 생존성 해석에서 상세 취약성 해석 및 설계 과정 = 110 10.2 수중폭파 해석 및 설계 적용 예 = 112 10.2.1 수중폭파 조건 = 112 10.2.2 해석 내용 및 방법 = 113 10.2.3 해석 모델 = 114 10.2.4 해석 모델에 따른 결과 비교 = 115 10.2.5 종강도 안전성 검토 = 117 10.3 공기중 폭파 해석 및 설계 적용 예 = 120 10.3.1 해석 시나리오 = 121 10.3.2 해석결과 비교 = 121 10.3.3 예제를 통한 생존 시간 계산 = 131 10.4 피탄 보호구 설계 적용 예 = 134 제 11 장 결론 = 137 참고문헌 = 139 초록(Abstract) = 146 발표 논문 = 14

Numerical Investigation of Aeroacoustic Characteristics of a Flatback Blade for Large-Scale Wind Turbines

학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 기계항공공학부, 2016. 2. 이수갑.플랫백 익형을 적용한 초대형 풍력발전기 로터의 공력 소음 특성에 대한 해석을 수행하였다. 익형자체소음에는 기존 Brooks, Pope, Marcolini의 반경험식과 플랫백 익형 소음해석을 위해 고안된 식을 활용하였으며, 난류 유입 소음에는 Lowson의 반경험식을 활용하였다. 전산유체역학을 이용한 유동해석과 와류 격자 기법(Vortex Lattice Method)을 이용하여 소음 계산에 필요한 정보를 도출하였다. 美 Sandia 국립 연구소의 BSDS(Blade System Design Study) 블레이드를 활용하여 로터 공력 소음 해석 기법에 대한 검증을 수행하였고 비교적 타당한 결과를 확인하였다. 초대형 풍력발전기에 플랫백 익형을 적용할 경우 블런트 뒷전 와류 흘림 소음도가 증가하였지만, 저주파 대역에서 발생하기 때문에 사람의 청감 특성(A-weighting)을 고려할 경우 문제가 될 만한 소음도 변화는 없는 것으로 나타났다. 추가적으로, 풍력발전기 소음의 Amplitude Modulation 특성을 고려한 청감실험이 필요할 것으로 판단된다.1. 서 론 1 1.1. 연구 배경 및 목적 1 2. 수치해석 기법 4 2.1. 해석 절차 4 2.2. 익형 유동 해석 5 2.3. 로터 공력 해석 6 2.4. 로터 소음 해석 7 2.4.1. 난류 경계층 뒷전 소음 8 2.4.2. 블런트 뒷전 와류 흘림 소음 9 2.4.3. 난류 유입 소음 10 2.5. 해석 기법 검증 11 2.5.1. 풍력발전기 모델 11 2.5.2. 로터 공력 소음 해석 15 3. 결과 및 논의 23 3.1. 풍력발전기 모델 23 3.2. 로터 공력 소음 예측 24 4. 결 론 38 참고문헌 39 Abstract 42Maste