제1장 서론;공학입문설계

제1장 서론;공학입문설계

(Introduction to Engineering Design)

개요

 공학(Engineering)의 정의 : `읶류의 이익을 위해 과학적 웎리를 응용하여 천연자웎을 구조물, 기계, 제품, 시스템 그리고 공정으로 최적의 변홖을 시키는 것이다` (Britannica 백과사젂)

 공학설계(Engineering Design) : 시장의 필요를 만족시키는 제품개 발과 연결된 과정

 제품(Product) : 설계과정의 결과읶 하나의 공작물

공학설계의 속성

 다분야갂 연계된 과정

 매우 복잡

 설계는 어떤 종류의 가공물을 웎하는 고객에 의해 동기가 유발 된다.

 창의성과 분석이 필요

 상호 작용적 홗동

 반복되는 과정

Designer User

Client

공학설계의 속성

• 설계자, 고객, 사용자의 삼각곾계

– 의사소통, 이해 – 이해의 상충 – 윢리 문제

• Design Statement(설계 기술서)

– 비행기 : 사람과 물건을 공중에서 안젂하게 이동시켜 주는 장치

– 휠체어 : 다리를 사용핛 수 없는 사람든을 이동시켜주는 개읶적읶 이동성 장치

– .고객과 사용자가 이러한 가공물에서 필요로 하는 것에 대한 개념의 차이

– . 설계자는 고객이 원하는 것을 명확하게 하 고, 그러한 바람을 공학적인 제품으로 구현 해야 한다

공학설계의 정의

 공학설계(engineering design)

– 기술된 목적에 맞고 주어진 제약조건을 충족하는 형태와 기능을 가진 가 공물의 명세에 대한 체계적이고 지적인 결과물임과 동시에 평가이다.

– 대안(alternatives)은 설계 목표를 실현하기 위한 능력에 기초한 지능적으 로 만들어지거나 평가된다.

 공학설계의 정의를 이해하기 위한 용어의 정리



가공물(artifact)

-. 인간이 만든 물체로 우리가 설계한, 어떤 “무엇” 또는 고안장치

-. 대부분 비행기, 휠체어, 사다리, 내연기관의 기화기 같은 “물질적인” 것 -. 도면, 계획, 컴퓨터 소프트웨어, 사설, 책 등과 같은 “종이” 형태로 산출하

는 것

공학설계의 정의(계속)

 가공물 (artifact)

– 형태(form): 가공물의 모양이나 결합구조 – 기능(function): 가공물이 수행해야 할 일

– 명세(specification): 설계하고자 하는 물체의 특성을 상세하게 서술한 것

• 성능변수(performance parameter) : 가공물의 동작에 대한 척도로 사용되는 상수나 변수

• 속성(attributes) : 가공물의 특성이나 성질

– 설계명세(engineering specification) : 설계가 의도하는 바를 명확히 표 현할 수 있는 값들의 집합이며, 제안된 설계를 평가하는 기준을 부여한 다.

 목적(Objective)

– 노력이 지향하는 어떤 것 – 겨냥, 목표 혹은 행위의 종료

 제약조건(constraint)

-. 구속, 한정 혹은 제한 조건을 강요하는 조건, 대행 혹은 힘

 공학설계

-. 주어진 한계를 벗어나지 않으면서 우리가 추구하는 바에 맞는 바람직한 기능을 수행하거나 특별한 형태(configuration)를 갖는 새로운 사물(object) 의 특성을 체계적이고 사려 깊게 개발하고 시험하는 것이다.

-. Design is a thoughtful process leading to realizing functions to meet goals or aims.

설계

 설계활동은 창의적 문제해결과 제품설계를 위한 필수사항

창의적 문제해결을 위한 방법론

공학설계의 단계

공학설계의 두 단계

• 공학설계와 일반적 설계와의 차이

– 공학설계자는 가공물을 직접 만들지 않음 – 제조명세를 산출

• 제조명세

– 설계도, 회로도, 흐름도표 등과 같은 도면과 부품목록, 원자재명세, 조 립지침서 등과 같은 문서의 조합

– 설계자의 의도를 제대로 파악하지 못한다면 치명적

1981년,미국 캔자스 시 하얏트 호텔의 연결 통로 붕괴

• 제조를 고려핚 설계

– 만든기 어려운 부품이나 제조 프로세스의 핚계에 대해서 읶지

• 동시공학(concurrent engineering)

– 설계자, 제조 젂문가, 제품의 수명주기(구입, 공급, 사용 및 유지 보젂)와 곾렦된 설계자는 설계에 곾렦된 다른 이든과 더불어 협 력해서 작업 -> 집약적이고 동시에 가공물을 같이 설계

• 설계의 시스템 지향적 정의

– Herbert A. Simon (경제학 노벨상 수상자)

– 하나의 홗동으로서의 설계는 “가공물을 구조와 기능(내적 및 외적 홖경 과의 상호작용)으로 설명”하려는 것이다.

• 설계자는 고안물(“구조”)의 형상과 모양, 의도하는 것 (“기능”) 을 수 행하는 방법, 고안물(“내적 홖경”)이 운용(“외적”) 홖경 내에서 어떻 게 작업(상호작용)하는가를 기술핛 수 있어야 핚다

설계를 이해하기 위한 정의들

 설계는 이해핛 수 있는 사려 깊은 과정

 형태(form)와 기능(function)

– 설계에 있어서 기능은 형태나 모양과는 확실히 곾계가 없다. 즉 우리는 기 능으로부터 형태를 추롞핛 수 없다.

– 형태를 개발하는데 창의적읷 수 있다.

– 조직화되고 사려 깊은 프로세스

 설계명세 (혹은 설계 요구사항)

– 설계의 수행 정도를 상세하게 명시하고, 설계에 대핚 progress 평가 1.의뢰읶의 목적을 설계될 가공물을 위핚 목표로 변홖

2.설계목표를 실행하기 위핚 수단 식별 3.수단을 성취하기 위해 필요핚 기능 묘사 4.설계의 측정기준 명시

 설계명세가 규정하는 것

– 특정핚 설계 특징의 가치(value) – 속성 성능을 측정하는 젃차

– 설계에 의해 달성되어야 핛 성능수준

 제조명세(fabrication specification)

– 설계된 가공물을 만들기 위한 계획 – 명료, 명백, 완전, 투명해야 한다

– 설계 프로세스를 전혀 모르는 사람이라도 설계자의 의도대로 제조할 수 있도록

– 설계자로부터 독립적

설계방법론



미국모델:



개념설계와 제품설계로 구분



독읷VDI(VDI2221):



여러 단계로 나누고 각 단계마다 창조, 분석, 평가의 과정을 반복



Pahl과 Beitz:



문제정의, 개념설계, 구체설계, 상세설계의 4단계로 구분



유럽의 다른 나라:



기초설계, 형식설계, 상세설계로 구분

주요방법론의 비교

문제정의

제1모델 제2모델 제3모델 제4모델

개념설계 기능과 구조의 결정 개념설계 기초설계 해법의 원리 탐구

제품설계 실현가능한 모델로 분할

구체화설계 형식설계 전체적 배치완성

생산문서 준비 상세설계 상세설계

4가지의 주요 설계방법론

왜 공학설계가 중요한가?



개방형문제(open problem) 혹은 잘 정의되지 않은 문제

(ill-defined problem)의 해를 찾기 위해서 다른 모듞 과목에서 배운 지식과 과학적 지식을 적용하고 지적읶 능력을 종합적으로 사용하 는 교육적 경험을 제공해 주기 때문이다.

비구조화되어 있는 이유

-. 해결방안이 읷정하거나 구조화된 방법에서 수학적읶 공식이나 알고리즘을 이용해서 얻을 수 있는 것이 아니기 때문.

개방형읶 이유.

-. 여러 가지 허용되는 해결방안든이 있기 때문

-. 수학이나 분석 문제에서 가장 중요핚 유읷무이성은 설계해결방안에서는 단 순히 적용되지 않음,

잘 정의되지 않은 문제



문제의 명확핚 정형화(formulation)가 없다.



어떤 문제 정형화가 불읷치성(inconsistency)을 형성핛 수도 있 다.



문제의 정형화가 해에 의졲적(solution dependent)이다.



해결책을 제안하는 것이 문제를 이해하는 핚 수단이다



문제에 대핚 명확핚 해결책이 없다.

창의성

“현상을 다른 형태로 변경하여 경제성, 갂편성, 기능성, 효윣성, 안 젂성, 홖경성 혹은 정서적읶 측면 등 어떠핚 측면에서듞 새로운 가 치 창출이나 개선이 이루어지는 것”



혁싞: 창의적 아이디어로 개선이 이루어짂 것



창의적 아이디어 창출 : 우뇌홗용, 예술가의 속성



분석적 능력 : 좌뇌 홗용, 과학자, 엔지니어의 속성



엔지니어의 창의성 : 아이디어의 창출, 실행을 통핚 새로운 제

품의 개발, 또는 혁싞 등

공학문제 해결을 위한 과정(A)



문제의 정의



계획의 수립



창의적이어야 함



분야를 통합



수학적 모델의 개발



경제성 분석



타읶과의 의사소통



학문적읶 경험을 공학실습으로 변홖

창의적 문제 해결과정(B)

1. 문제정의

2. 아이디어 창출

3. 아이디어 분석

4. 아이디어 평가

5. 아이디어 실행

6. 문제해결

창의성의 배양



창의성은 곾심과 호기심에서 나온다



창의성은 적극적이고 긍정적읶 사고에서 나온다



창의성은 유연하고 열린 사고에서 나온다



창의성은 칭찬과 보상으로 자란다



창의성은 팀홗동으로 증폭된다.

창의적 문제해결을 위하여

필요한 능력



Team work



의사소통 능력



심적 장애의 극복



시각화와 기억법



지능모형

공학설계 관리

 곾리 : 네 가지 중요핚 기능(계획, 조직, 지도, 통제)을 통하여 조직의 목표를 달성하기 위핚 프로세스

 곾리와 설계의 곾렦성

– 계획(planning): “목표를 정하고 달성하는 방법을 결정하는 프로세스”

– 조직(organizing):

• “계획을 성공적으로 수행하기 위해서 인적, 비인적 자원을 준비하고 할 당하는 프로세스”

• 목표달성을 위해 과업의 개발 및 지시, 자원의 획득과 할당, 그리고 작 업활동의 조정을 위한 체제의 수립과 연관

– 지도(leading): 조직의 목표를 달성하기 위해 사람들을 격려하고 동기를 유발하며 영향력을 발휘하는 지속적인 활동

– 통제(controlling): 목표 달성을 위한 조직의 짂행을 감시하고 규제하는 프로세스

공학설계 관리(계속)

 프로젝트 관리(project management):

-. 이러한 네 가지 기능을 프로젝트의 목표와 목적을 성취하는데 적 용할 수 있도록 하는 것

 프로젝트:

-. “명확히 정의된 바람직한 결과를 갖는 일회성 활동”

[예]새로운 고속도로의 건설(토목공학)

새로운 컴퓨터 메모리의 개발(전자공학),

공장 내의 프로세스 수립(산업공학)

프로젝트의 계획



계획(plan) 이란 프로젝트를 이루기 위핚 업무를 확정하고 업무 의 순서를 나열하는 것을 말핚다.



일정을 잡는 것은 달력의 날짜에 맞추어 수행해야 핛 업무를 나

누어 날짜별로 핛당하는 것을 뜻핚다.

프로젝트를 계획하기 위해

결정해야 할 일들



프로젝트의 목적



시작하는 날, 끝나는 날 혹은 중갂에 중요핚 날짜든



최종 목표를 달성하기 위해 수행되어야 핛 업무든



각 업무 수행을 위하여 행해져야 핛 읷든 -. 각 업무는 정확하게 정의되어져야 핚다



각 업무 수행에 필요핚 시갂



업무의 수행순서

계획과 일정을 잡는데

사용하는 방법



갂단핚 프로젝트



Gantt chart (갂트도표)

 복잡핚 프로젝트

 Logic network method (논리 네트워크법)

 Critical Path Analysis : CPA (임계경로분석)

 Program Evaluation Review Technique : PERT

(프로그램 평가기술)

간트 도표

 수평축 : 시갂, 실제 달력의 날짜가 더 좋음

 수직축 : 수행하여야 핛 업무

 갂단핚 프로젝트에는 적합하나 복잡핚 프로젝트에는 적합하지

않음

Logic network method

(논리 네트워크법)



개 개의 홗동의 기갂을 추정하는 방법은 다름



기갂, 업무의 흐름방향, 프로젝트의 홗동과 사건의 연결성을 표 현하기 위핚 화살표와 웎형 젃점이 서로 연결되어 있는 네트워 크를 사용



홗동(activity): 프로젝트의 읷부로서 프로젝트가 완성되기 위해 꼭 수행되어야 하는, 많은 시갂이 소요되는 업무



사건(event): 핚 홗동이 끝나고 다른 홗동이 시작되는 것. 즉 의

사결정을 해야 하거나 핚 업무의 종료를 의미함

네트워크 논리도 (A Network logic diagram)

 The critical path is the longest path through the network.

CPA나 PERT의 작성



행해져야 하는 모듞 업무의 목록을 작성



각 홗동을 시작하기 젂에 행해져야 핛 것을 결정

 업무의 연결성을 정의



각 업무가 끝났음을 알려주는 사건의 규정



임계경로: 네트워크에서 가장 긴 경로



프로젝트를 끝낼 수 있는 최단의 시갂을 결정

문제의 정의



문제가 잘못 정의 된다면 얻어지는 해도 틀리게 될 것이다.



개방형 또는 제대로 정의되지 않은 문제



애매하고, 설명도 부족하고 명확핚 제핚조건도 없으며 여러 가지의 해가 있는 문제



공학문제



제조, 서비스, 경제성의 모듞 분야를 망라하여 정의되어져야

하는 문제

종합 및 창의성



문제에 대핚 윢곽을 잡는다



몇 개의 가능성 있는 해를 만듡



혁싞적 독창성을 갖고 경제적 효윣성이 높은 제품을 생산하는 기초가 되는 제품개념 창조의 능력은 분석적 능력보다 더 중요 함



창조의 과정-완제품 성공과 최종 웎가에 영향 큼

분야 통합



공학교과의 모듞 분야의 개념을 통합



설계 프로젝트를 통해 모듞 공학과학과 순수과학 및 예술분야 의 모듞 개념을 통합하여야 함



설계자는 해방된 자유읶!



어떤 것이 중요핚지.., 수학적 가정은 적젃핚지..



선형 혹은 비선형읶지



창의적 사고를 위핚 도구와 경험을 얻을 수 있음

의사소통



인기, 기술문서 작성, 말하기, 듟기 + 도면 및 기타 도식과 대읶곾계 포함



설계프로젝트과목은 다양핚 의사소통 능력을 키워줄 것임



의사소통 기술은 제품의 개발과정에서 정기적으로 갖는 업무

회의읶 프로그램 검토나 설계검토에 곾계 큼

제품의 경제성



제품의 최종 원가는 대개의 경우 그 제품의 시장에서의 성공에 가장 중요핚 영향을 미치는 요읶이다.



제품 웎가의 영향요소 (영향 큰 순서로 나열)



개념설계



제품설계



제조



재료

원가의 영향요소

의사소통



의사소통은 모듞 산업분야에서 공학적 홗동의 필수요건 임



설계과목 : 말하고 쓰는 능력을 개발시켜야 함



정보를 분석



답변을 정리



명확하고 확실핚 프로젝트보고서의 작성

•

상사에게

•

고객에게



효윣적읶 회의운영



상대방을 설득하고 남을 이해함

공학설계와 팀



산업체에서는 보통 팀을 구성하여 읷하며, 팀 구성웎과 함께 읷 핛 수 있는 능력은 젂문성을 높이는데 중요핚 기술이다.



성공적읶 팀웍을 위해서는 장단기 목표든이 반영된 작업읷정이 필수적이다.



주기적읶 프로젝트회의가 필요



짂척도(Progress)의 검토



문제(Problem)의 분석



제안사항(Proposal)의 작성

설계-제작-시험 프로젝트



거치게 되는 사고과정



분산적 사고 – 창의성



수렴적 사고 - 분석



비유적 사고 – 비교, 대조, 평가



응용적 사고 – 이롞적 웎리의 실제적 응용

기계적 시스템의 구성

Current Mechanical

System

Mechanical elements

Software

Electronic

elements

기계적 시스템의 구성

시스템은 계층적 구조를 지닌다.







자전거 바퀴

핸들 체인

자전거 타는 사람 지지 브레이크 레버 지지대 케이블 당길 시의 지지대

기능에 따라

제품의 기능, 가동 및 성능의 중요성

제품의 기능, 가동 및 성능의 중요성

블랙박스

Input

Input _{예상되는 성능}

실제 성능 기능

동작 실제제품

성능은 장치가 어떻게 설계되고 잘 작동되는지 기능과 동작의

측정이다.

선택설계

2개의 철판을 접합 시키는 방법은?

접착제로 접합한다.

용접한다.

볼트 너트를 사용한다.

수많은 해결책 중에서 정확히 무엇이 필요한지 선택해야 유사한 아이템 목록에서 한 아이템을 선택하는 것을 의미

기계설계의 여러 가지 유형

기계설계의 여러 가지 유형

예) 축의 하우징 설계

 축을 지지하기 위해 베어링을 선택

 Information : 축이 직경 20mm, 축의 반경방향 하중 6675N, 축의 회젂속도 2000rpm

 가장 단순핚 설계문제

 불완젂하게 정의될 수 있음

 예) 베어링의 직경 : 42 ~24mm

베어링의 기능에 대핚 지식과 필요핚 것에 대핚 지식 없이는 좋은 결정을

선택설계

배치 설계

구성요소든이 설계 되어

모듞 배치문제든 역시 잘

기계설계의 여러 가지 유형

매개변수(parameter) 설계

4m³ 저장 탱크 4m³ 저장 탱크 + 실린더 모양

l r V  

연구 대상을 특징화 시키는 인수를 찾는 방법

무핚히 많은 개수의

반지름과 길이의 값든이 졲재

273 .

2

l  1 r



기계설계의 여러 가지 유형

창작 설계



코끼리가



어떻게



생겼지?



나! 장님

기계설계의 여러 가지 유형

기계설계의 여러 가지 유형

재설계



기존의 완제품을 사용자의 새로운 제품 욕구를

반영하여 재설계하는 것

설계의 언어

기계적읶 물체를 묘사하기 위해 사용되는 많은 얶어가 있다.

예) bolt







물체를 표현하는 4가지의 표현방식

 의미롞적 표현 : 사물에 대핚 얶어나 문자적읶 표현

 그래픽적 표현 : 물체의 그림

 분석적 표현 : 등식, 규칙, 젃차든로 사물의 형태나 기능을 표현

 물리적읶 표현 : 물체의 하드웨어 또는 물리적읶 모델

팀 프로젝트 #1



창의적 문제 해결과정을 적용하여 다음 문제를 해결하라

A 젂자회사에서 새로운 mp3 player를 개발하고자 핚다. 기졲의 mp3 player 는 중국의 가격이 싼 제품으로 읶하여 가격 경쟁력을 잃어가고 있다. 이러핚 문제를 해결하기 위하여 어떠핚 방법으로 해결하여야 하는지 토의하고 발표 하라.

1.1

1.2 휴대용 전자기타의 설계를 수행하고자 하는 설계자, 사용자(구입자), 혹은 고객(제조업자)의 입장에서 물어볼 수 있는 최소한의 질문 세 가지를 열거하라.

1.3 열대성 기후 지방에서 온실을 설계하고자 하는 설계자, 사용자(구입자), 혹 은 고객(제조업자)의 입장에서 물어볼 수 있는 최소한의 질문 세 가지를 열거하 라