인공심장 유성기어열의 내구성에 관한 해석적 연구 = Durability Assessment of Planetary Gear Train of AnyHeart Using Numerical Fatigue Analysis
저자
김수진 (서울대학교 대학원 공과대학 협동과장 의용생체공학전공) ; 민병구 (서울대학교 의과대학 의공학교실, 제주대학교 인공심장이식연구소)
발행기관
제주대학교 인공심장이식연구소(Institute of Artificial Heart Implantation Cheju National University)
학술지명
권호사항
발행연도
2001
작성언어
Korean
주제어
KDC
559.000
자료형태
학술저널
수록면
23-46(24쪽)
제공처
인공심장과 같은 인공장기가 가져야 하는 가장 큰 성질 중의 하나는 내구성이라 할 수 있다. 인공심장이 장기간 동안 기계적 순환 시스템으로 사용되어 제 기능을 하기 위해서는 충분한 수명과 신뢰성을 가져야 한다. 미국 보건원(NIH)은 시스템의 신뢰성에 대한 항목을 8개 내지 12개의 장치를 2년 동안의 시험 프로그램에 따라 시행하여 80% 신뢰도 수준에서 80%의 신뢰성을 가져야 한다고 명시하였고 여러 기관 및 연구소에서 인공심장을 장기간 사용하기 위해 in-vitro 내구 시험을 하거나 그에 관한 방법을 제안하여 왔다.
본 연구실에서 개발된 인공심장을 16달 동안 가속 시험을 한 결과 동력전달 장치의 역할을 하는 유성기어열에서 피팅과 마모가 발견되었고 기어의 재료를 내마모성이 강한 재료로 변경하였다. 이에 의해 기어의 재료가 인공심장이 가져야 하는 안정성과 내구 수명을 만족시키는지에 대한 실험이 필요하게 되었다.
내구성을 평가하는 가장 좋은 방법 중의 하나는 실제 구동환경과 동일한 환경 하에서 실험을 하는 것이다. 그러나 이는 시간과 자원의 관점에서 불가능하거나 경제적이지 못한 경우가 많다. 특히 인공심장의 성능을 개선하기 위해 시스템이 가지고 있는 파라미터들을 바꾸어 나갈 때 변수가 바뀔 때마다 내구 시험을 하는 것은 가히 소모적인 일이라 할 수 있다.
따라서 본 연구에서는 실제적인 실험 대신 유한요소법을 도입하여 수치해석적으로 기어열의 내구 수명을 예측하였다. 먼저 1단 기어열의 일부를 대상으로 유한요소 모델을 생성하고 구조해석을 수행하여서 응력 분포도와 그 값에 따라 응력이 집중되는 취약 부분을 예측하였고, 이 결과를 이용하여 기어열의 피로 수명을 해석하였다.
기어열은 접촉 치면과 이뿌리에서 주로 큰 응력을 받으며, 2000rpm으로 1단의 태양기어가 회전할 경우 사용한 프로그램 상에서 무한수명을 가지며 이는 3년 이상의 수명을 가지는 것으로 평가할 수 있다. 4배의 가혹한 환경에서의 구동을 가정할 경우 약 한 달의 수명을 가지는 것으로 예측되었다.
Durability or reliability is one of the most important characteristics that artificial internal organs such as Korean bi-ventricular assist device (BVAD), AnyHeart, should have. They should be durable for more than two years according to National Institute of Health (NIH) guideline. The reliability tests have been performed by most of institutes and companies who are developing artificial heart. Such empirical methods enable developers to predict the precise and reliable durability of their devices, but it takes long time and much cost to complete these tests. An attempt has been made to analyze the durability of mating gear teeth, under static condition, using a two-dimensional finite element method to reduce time and cost. From the results of simulation, the gear system was redesigned for avoiding undercut which reduced their durability and it was anticipated to be durable for more than 3 years as far as it would operate in normal condition whereas durable for only one month in four times severe condition.
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