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논문 기본 정보

자료유형
학위논문
저자정보

하넉산 (건국대학교, 건국대학교 대학원)

지도교수
구남서
발행연도
2014
저작권
건국대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수8

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2015

장수풍뎅이 앞날개의 경량 구조와 손상 저항성
하넉산 ,  구남서 대한기계학회 춘추학술대회 2015.11 학술대회자료
Allomyrina Dichotoma 장수 풍뎅이 앞날개 구조의 기계적 물성
하넉산 ,  구남서 대한기계학회 춘추학술대회 2015.05 학술대회자료

2014

MAV에 사용되는 Material and Structural Characteristics of Real and Artificial Wings for Beetle Mimicking Micro Air Vehicle : 장수풍뎅이 모사 인공날개와 장수풍뎅이 날개의 정적 및 동적 물성 계측 :MAV에 사용되는
하넉산 신기술융합(학과간)학과 2014.01 학위논문

초록· 키워드

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최근 상하 방향의 날갯짓을 이용하는 날갯짓 초소형 비행체의 생체모방 설계를 위하여 장수풍뎅이(Allomyrina dichotoma)의 비행에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 과거에 수행된 연구를 보면 날갯짓과 관련된 공기역학 또는 기구학적인 연구는 많은 편이지만, 장수풍뎅이 날개 자체의 구조 및 재료에 대한 연구는 아직 미진한 편이다. 본 연구에서는 날갯짓 초소형 비행체 설계를 위한 기반 기술을 확보하기 위하여 장수풍뎅이 뒷 날개의 구조와 재료에 대한 연구를 수행하였다. 우선 디지털 영상 상관 기법을 이용한 비접촉식 측정 방법과 소형 인장 시험 시스템을 사용하여 장수풍뎅이 뒷 날개를 이루는 막의 물성을 측정하였다. 실험 결과에 따르면, 장수풍뎅이 날개 막의 코드 방향 탄성계수는 위치에 따라 2.97GPa부터 4.5GPa까지 변화하고 스팬 방향 탄성계수 역시 위치에 따라 1.63GPa부터 2.24GPa까지 변화한다. 또한 코드 방향 푸아송비는 위치에 따라 0.63부터 0.73 까지 변화하는데, 이는 스팬 방향 푸와송비(0.33~0.39)의 거의 두 배이다. 이러한 실험 결과로부터 장수풍뎅이 뒷 날개 막은 비등방성과 비균질성을 가지는 재료라고 할 수 있다. 탄성계수와 푸아송비 외에 구조파괴인성은 날개 구조의 하중 지지 성능을 평가하기 위한 중요한 요소이다. 따라서 표준 인장 시험기를 사용하여 평면응력 파괴 인성 측정을 측정하였다. 날개 막 안에서 줄무늬 선이 균열 전파를 차단하는 중요한 역할을 하며, 날개 막의 파괴인성은 위치에 따라 1.49부터 2.23 MPam1/2까지의 값을 가지는데 날개 뿌리에서 가장 작고 날개 팁으로 갈수록 점차 커진다. 날개 막의 파괴 일이 뼈의 파괴 일의 특성과 비슷한 것은 매우 흥미로운 일이다. 다음으로 장수풍뎅이의 정적 및 동적 특성을 굽힘 실험과 모달 해석을 통하여 수행하였다. 이 결과를 보면 날개의 굽힘 특성은 캔틸레버 보와 유사하며, 고유 주파수는 101Hz이고 날개 표면의 면적 밀도와 큰 상관성을 가진다. 또한 곤충비행을 더 잘 이해하기 위해서 유한요소법을 이용하여 굽힘 비대칭성을 고찰하였고, 실험을 통하여 곤충날개의 날갯짓 주파수와 고유 주파수의 사이의 관계를 연구하였다. 날개 막의 응력 경화와 날개의 캠버가 날개 굽힘 비대칭의 원인임을 밝혀 냈다. 특히, 코드 방향 캠버는 하중이 날개의 아래에서 위로 작용할 때 날개의 강성을 증가시키고, 스팬 방향 캠버는 하중이 날개 위에서 아래로 작둉할 때 날개의 강성을 증가시킨다. 초소속 카메라를 이용한 날갯짓 주파수 계측과 모달 해석을 사용한 고유 주파수 계측을 통하여 곤충 날개의 날갯짓 주파수와 날개의 고유 주파수의 사이에는 서로 관계가 없음을 밝혀 냈다. 다시 말하면 곤충은 날개 자체의 공진주파수로 날갯짓하도록 진화하지 않았음을 의미한다. 이러한 사실을 더 규명하기 위하여 장수 풍뎅이 모방 인공 날개의 구조특성을 측정하고 이를 실제 날개와 비교 하였다. 굽힘 강성 측면에서 보면, 인공 날개가 실제 곤충날개 보다 더 강하며, 정적 실험 결과인 굽힘 강성과 비틀림 강성을 사용하면 인공 날개의 고유 주파수를 예측할 수 있었다. 끝으로 디지털 영상 상관 기법을 이용하여 효율적으로 고유 모드를 측정하는 연구를 수행하였다. 레이저 센서를 이용하여 결정한 고유 모드가 디지털 영상 상관 기법을 이용하여 계측한 것과 같다는 것을 확인하였다.
#곤충 날개 #기계적 성질 #고유 주파수 #모드 형상 #굽힘 비대칭 #날개짓 주파수 #초소형 비행체

목차

Chapter 1. Introduction 1
1.1 Introduction 1
1.2 Background and previous works 4
1.2.1 External morphology 4
1.2.2 Wing morphology 5
1.2.3 Folding/unfolding characteristics 8
1.2.4 Wettability properties 8
1.2.5 Wing material properties 9
1.2.6 Wing stiffness 12
1.2.6.1 Flexural stiffness 12
1.2.6.2 Modal analysis 13
1.2.7 Wing kinematic 16
1.2.8 Wing aerodynamic 18
1.2.9 Force estimation 20
1.2.10 Artificial wing 20
1.2.11 Flapping wing MAV 22
1.3 Motivation and objective 24
Chapter 2. Anisotropy and non-homogeneity of an Allomyrina Dichotoma beetle hind wing membrane 27
2.1 Introduction 27
2.2 Materials and methods 32
2.2.1 Sample preparation 32
2.2.2 Mini tensile testing system 37
2.2.3 ARAMIS® system 38
2.2.4 System calibration 40
2.2.5 Deformation and material property calculation 42
2.2.6 Poisson''s ratio calculation 46
2.3 Results 49
2.3.1 Morphological studies 49
2.3.2 Thickness 51
2.3.3 Mechanical properties of the membrane 52
2.3.4 Poisson''s ratio 56
2.4 Discussions 57
2.5 Summary 63
Chapter 3. Fracture properties of the Allomyrina dichotoma beetle’s hind wing 65
3.1 Introduction 65
3.2 Materials and methods 67
3.2.1 Sample preparation 67
3.2.2 Experimental setup 69
3.3 Results 70
3.4 Discussions 72
3.5 Summary 74
Chapter 4. Structural Characteristics of Allomyrina Dichotoma Beetle’s Hind Wings 75
4.1 Introduction 75
4.2 Materials and methods 77
4.2.1 Static test 77
4.2.1.1 Sample preparation 77
4.2.1.2 Experimental setup 78
4.2.2 Dynamic test 79
4.2.2.1 Sample preparation 79
4.2.2.2 Experimental setup 80
4.3 Results and discussions 82
4.3.1 Static test 82
4.3.2 Dynamic test 84
4.3.2.1 Natural frequency 84
4.3.2.2 Mode shapes 86
4.3.2.3 Damping ratio 87
4.4 Discussion 88
4.5 Summary 88
Chapter 5. The stress stiffening effects on the asymmetric bending of the Allomyrina dichotoma beetle’s hind wing 90
5.1 Introduction 90
5.2 Materials and Methods 92
5.2.1 Morphology 92
5.2.2 Finite element modeling 93
5.2.3 Mesh generation 99
5.2.4 Model solution 99
5.3 Results 99
5.3.1 Stress stiffening effects 99
5.3.2 Effects of camber 101
5.3.3 Effects of chordwise camber 102
5.3.4 Effect of spanwise camber 104
5.3.5 Role of membrane 105
5.4 Discussion 106
5.4.1 Stress stiffening effects 106
5.4.2 Effects of camber 107
5.4.3 Role of membrane 111
5.5 Summary 112
Chapter 6. Relationship between wingbeat frequency and resonant frequency of the wing in insects 114
6.1 Introduction 114
6.2 Materials and Methods 117
6.2.1 Sample preparation 117
6.2.2 Wing planform 118
6.2.3 Wing loading 118
6.2.4 Area density 118
6.2.5 Mass ratio 118
6.2.6 Wingbeat frequencies 119
6.2.7 Natural frequency 120
6.2.7.1. Base-excitation method 120
6.2.7.2. Measurement method 121
6.2.7.3 Experimental setup 121
6.2.8 Statistics 122
6.3 Results 123
6.3.1 Morphological studies 123
6.3.2 Wingbeat frequency 126
6.3.3 Natural frequency 127
6.3.4 Relationship between wingbeat frequencies and natural frequencies 128
6.4 Discussion 128
6.4.1 Morphological studies 128
6.4.2 Wingbeat frequency 129
6.4.3 Natural frequency 132
6.4.4 Relationship between wingbeat frequencies and natural frequencies 137
6.5 Summary 140
Chapter 7. Static and dynamic characteristics of an artificial wing mimicking an Allomyrina Dichotoma beetle’s hind wing 141
7.1 Introduction 141
7.2 Materials and methods 145
7.2.1 Artificial wing fabrication 145
7.2.2 Static tests 149
7.2.2.1 Flexural stiffness measurement 149
7.2.2.2 Torsional stiffness measurement 151
7.2.3 Dynamic test 153
7.2.3.1 Base excitation method 153
7.2.3.2 Measurement method 154
7.2.3.3 Experimental setup 155
7.3 Results and discussions 156
7.3.1 Flexural stiffness 156
7.3.2 Torsional stiffness 161
7.3.3 Dynamic test 163
7.3.3.1 Natural frequency 163
7.3.3.2 Natural frequency 165
7.3.3.3 Damping ratio 166
7.3.4 Comparison between the static and dynamic measurements in terms of natural frequencies 167
7.3.4.1 Bending resonant frequency 167
7.3.4.2 Torsional resonant frequency 168
7.3.5 Comparison between artificial wing and real wing 170
7.3.5.1 Bending stiffness 170
7.3.5.2 Natural frequency 171
7.3.5.3 Mode shape 172
7.4 Summary 175
Chapter 8. Modal analysis of an artificial wing mimicking beetle’s hind wing by noncontact measurement technique 176
8.1 Introduction 176
8.2 Materials and methods 177
8.2.1 Digital image correlation 177
8.2.1.1 Basic concepts 177
8.2.1.2 Cameras calibration 179
8.2.1.3 The DIC method 180
8.2.2 Mode shape construction 182
8.2.2.1 Sample preparation 182
8.2.2.2 Experiment and post processing 183
8.3 Results and discussion 185
8.3.1 Natural frequency 185
8.3.2 Damping ratio 186
8.3.3 Mode shapes 186
8.4 Discussions 190
8.5 Summary 191
Chapter 9. Modal analysis using digital image correlation technique: An application to artificial wing mimicking beetle’s hind wing 193
9.1 Introduction 193
9.2 Materials and methods 196
9.2.1 Base excitation method 196
9.2.2 White noise excitation signal and correlation 198
9.2.3 Experimental setup 199
9.3 Results and discussions 199
9.4 Summary 202
Chapter 10. Conclusion Remarks and Future work 203
10.1 Conclusion 203
10.2 Main contribution 206
10.3 Recommendations for Future Work 208

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