[논문]형상기억합금 스트립 작동기를 이용한 구조물의 형상 변형 해석

노진호; 한재홍; 이인

doi:10.5139/jksas.2005.33.11.001

형상기억합금 스트립 작동기를 이용한 구조물의 형상 변형 해석
Deformation Analysis of the Structures with SMA Strip Actuator 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.33 no.11, 2005년, pp.1 - 6

노진호 (한국과학기술원 항공우주공학과) , 한재홍 (한국과학기술원 항공우주공학과) , 이인 (한국과학기술원 항공우주공학과)

초록
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본 연구에서는 형상기억합금 작동기의 열-기계적 특성과 구조물의 응용을 살펴보았다. Lagoudas 모델을 기본으로 3-D 형상기억합금의 구성방정식을 FORTRAN으로 해석 알고리즘을 만들어 user material(UMAT) subroutine을 개발하였다. 개발된 형상기억합금 해석 UMAT subroutine을 상용 프로그램 ABAQUS와 연계 해석하여 형상기억합금 작동기와 주 구조물간의 상호 특성을 수치적으로 살펴보았다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this research, the thermomechanical responses of shape memory alloy(SMA) actuators and their applications in the structures combining strip SMA actuators are investigated. The numerical algorithm of the 3-D SMA thermomechanical constitutive equations based on Lagoudas model is developed using user material(UMAT) subroutine written by FORTRAN. For the numerical results, the ABAQUS finite element program has been utilized with UMAT subroutine of the numerical algorithm of SMAs. The interactions between the host structure and SMA strip actuator are numerically investigated.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는, 형상기억합금 작동기의 열-기계적 특성과 SMA strip 작동기를 이용하여 복합 재료 구조물의 형상변형 특성을 수치적으로 연구 하였다. Lagoudas 모델을 기본으로 3-D 형상기 억합금의 구성방정식을 FORTRAN으로 해석 알고 리즘을 만들어 user material (UM AT) subroutine 을 개발하였다.

가설 설정

i) SMA strip 작동기는 주 구조물인 알루미늄에 완전히 부착되어져 있다. ii) SMA strip 작동기는 전기 저항 열에 의해 작동되어진 다. ⅲ) 알루미늄 주 구조물은 SMA strip으로부터 열적으로 절연되어져 있다.
ii) SMA strip 작동기는 전기 저항 열에 의해 작동되어진 다. ⅲ) 알루미늄 주 구조물은 SMA strip으로부터 열적으로 절연되어져 있다. 알루미늄 빔과 SMA stripe 각각 10 X 2 X 1 incompatible 8-node brick 요소로 모델링 되었다.

제안 방법

본 연구에서는, 형상기억합금 작동기의 열-기계적 특성과 SMA strip 작동기를 이용하여 복합 재료 구조물의 형상변형 특성을 수치적으로 연구 하였다. Lagoudas 모델을 기본으로 3-D 형상기 억합금의 구성방정식을 FORTRAN으로 해석 알고 리즘을 만들어 user material (UM AT) subroutine 을 개발하였다. 개발된 형상기억합금 해석 UMAT subroutine 을 상용 프로그램 ABAQUS 와 연계 해석하여 의탄성 (pseudoelastic) 또는 형상기 억 효 과(shape memory effect)와 같은 형상기억합금의 독특한 특성을 연구하였다.
SMA strip 작동기가 얼마나 큰 복원력을 가지고 외부 하중에 저항하는지 살펴보기 위하여 Z축 방향의 균일한 외부 분포 하중, P=3OO, OOOA0n2 이 가해진 상태에서 SMA strip의 작동 특성을 살펴보았다. Fig.
SMA strip 작동기와 구조물과의 상호 연계 해 석을 위하여 Fig. 5의 모델을 이용하여 수치적인 해석을 수행하였다. SMA 작동기는 주 구조물에 부착이 되어 형상을 변화시키는데 필요한 굽힘을 발생시키는데 사용된다.
Lagoudas 모델을 기본으로 3-D 형상기 억합금의 구성방정식을 FORTRAN으로 해석 알고 리즘을 만들어 user material (UM AT) subroutine 을 개발하였다. 개발된 형상기억합금 해석 UMAT subroutine 을 상용 프로그램 ABAQUS 와 연계 해석하여 의탄성 (pseudoelastic) 또는 형상기 억 효 과(shape memory effect)와 같은 형상기억합금의 독특한 특성을 연구하였다. 또한, SMA strip 작 동기와 주 구조물을 연계 해석하여 온도 변화에 따른 구조물의 형상변형 특성을 수치적으로 해석 하였다.
하지만 이것은 3-D SMA 모델을 1-D 모델로 축소시키는 결과이므로 경계조건에 의한 SMA의 3-D 효과를 정확히 관찰할 수 없다. 따라서 cantilevered 경 계 조건(u = u = w = 0, atX= 0), case II를 적용하여 비교 하였다. Fig.
개발된 형상기억합금 해석 UMAT subroutine 을 상용 프로그램 ABAQUS 와 연계 해석하여 의탄성 (pseudoelastic) 또는 형상기 억 효 과(shape memory effect)와 같은 형상기억합금의 독특한 특성을 연구하였다. 또한, SMA strip 작 동기와 주 구조물을 연계 해석하여 온도 변화에 따른 구조물의 형상변형 특성을 수치적으로 해석 하였다.
본 연구에서는, Lagoudas 모델을 기본으로 3-D 형상기억합금의 구성방정식을 FORTRAN으로 해석 알고리즘을 만들어 user material(UMAT) subroutine 을 개발하였다. 개발된 형상기억합금 해석 UMAT subroutine을 상용프로그램 ABAQUS와 연계 해 석하여 SMA strip작동기와 탄성 구조물이 연계 된 열-기계적 특성을 유한요소법을 이용하여 해 석하였다.
4에 나타내었다. 본 해석에서는 각각 다른 경계조건 case I과 II를 적용하여 Lagoudas 결과와 비교하였다. 경계조건 case I는 웅력 axx 을 제외한 나머지 응력이 모두 0이 되도록 만드는 조건이고 이것은 Lagoudas가 제안한 경계조건과 일치한다.
ⅲ) 알루미늄 주 구조물은 SMA strip으로부터 열적으로 절연되어져 있다. 알루미늄 빔과 SMA stripe 각각 10 X 2 X 1 incompatible 8-node brick 요소로 모델링 되었다. 오스테나이 트 시작 온도(4, ) 이상으로 온도가 올라감에 따라 X축 방향으로 초기 변형률을 가진 SMA strip 작동기는 복원력에 의한 굽힘 때문에 구조물 형 상이 변화하게 된다.
8에서 볼 수 있듯이 온도가 증가함에 따라 매우 큰 변형을 유발시키지만, 다시 온도가 초기의 상태로 내려감에 따라 구조물이 초기 상태로 되돌아가지 못하고 잔류 변형이 생 김을 알 수 있다. 온도 사이클이 끝난 후 SMA strip의 내부 상태를 살펴보기 위하여 잔류 복원 웅력과 마르텐사이트 량 분포(distribution)를 각각 Fig. 9와 10에서 살펴보았다. SMA strip 이 탄 성 구조물과 연겨〕(coupled) 되어져 있어도 SMA strip 작동기에 잔류 복원응력이 생기는 것을 알 수 있다(Fig.

데이터처리

본 연구에서는, Lagoudas 모델을 기본으로 3-D 형상기억합금의 구성방정식을 FORTRAN으로 해석 알고리즘을 만들어 user material(UMAT) subroutine 을 개발하였다. 개발된 형상기억합금 해석 UMAT subroutine을 상용프로그램 ABAQUS와 연계 해 석하여 SMA strip작동기와 탄성 구조물이 연계 된 열-기계적 특성을 유한요소법을 이용하여 해 석하였다. SMA strip 작동기는 구조물의 형상을 제어할 만한 충분한 작동력을 발생하지만, OWSME(One-Way Shape Memory Effect) 특성을 가지는 SMA 작동기를 이용하여 탄성 구조물 의 반복적인 형상 제어 수행에는 어려움이 존재 하였다.

이론/모형

[2] 그리고 Roh et al.[3]는 형상기억합금을 복합 재료 구조물에 삽입시킨 SMAHC(Shape Memory Alloy Hybrid Composite) 구조물의 열-기계적 특성을 유한요소법(FEM)을 이용하여 연구하였다. 수치적인 결과를 통하여, 형상기억합금 작동기가 구조물의 강성을 향상시키고 열적 하중에 의한 구조물의 좌굴 변형을 감쇠시킴을 보여주었다.
형상기억합금의 열-기계적 특성의 수치적인해 석을 위하여 Lagoudas 모델[기을 바탕으로 3-D 형상기억합금 구성 방정식을 다음과 같이 전개하였다.

성능/효과

따라서 cantilevered 경 계 조건(u = u = w = 0, atX= 0), case II를 적용하여 비교 하였다. Fig. 3 그리고 4 에서 볼 수 있듯이 본 연구에서 개발된 SMA 해석 알고리즘 결과와 Lagoudas 결과가 잘 일치함 을 알 수 있으며, 경계조건이 case II인 경우에는 약간의 차이가 있음을 관찰할 수 있다.
수치적인 해석을 위하여 다음과 같은 가정을 사용하였다. i) SMA strip 작동기는 주 구조물인 알루미늄에 완전히 부착되어져 있다. ii) SMA strip 작동기는 전기 저항 열에 의해 작동되어진 다.
[3]는 형상기억합금을 복합 재료 구조물에 삽입시킨 SMAHC(Shape Memory Alloy Hybrid Composite) 구조물의 열-기계적 특성을 유한요소법(FEM)을 이용하여 연구하였다. 수치적인 결과를 통하여, 형상기억합금 작동기가 구조물의 강성을 향상시키고 열적 하중에 의한 구조물의 좌굴 변형을 감쇠시킴을 보여주었다. 또한, Marfia, Sacco, 그리고 Reddy[4]는 형상기 억합금이 삽입된 복합재료 빔(beam)을 수치적으 로 모델링 하였고, 형상기억합금의 온도를 변화시켜 빔 구조물의 형상 변형을 효과적으로 제어 하였다.

참고문헌 (7)

Roh, J. H. and Kim, J. H., 'Adaptability of Hybrid Smart Composite Plate under Low Velocity Impact', Composite Part B: engineering, Vol. 34, 2003, pp. 117-125

상세보기
Lee. I, Roh, J. H. and Oh, I. K., 'Aerothermoelastic Phenomena of Aerospace and Composite Structures', Journal of Thermal Stress, Vol. 26, No.6, 2003, pp. 525-546

상세보기
Roh, J. H., Oh, I. K., Yang, S. M., Han, J. H., and Lee, I., 'Thermal Post-buckling Analysis of Shape Memory Alloy Hybrid Composite Shell Panels', Smart Materials and Structures, Vol. 13, 2004, pp. 1337-1344

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Marfia, S., Sacco, E. and Reddy, J. N., 'Superelastic and Shape Memory Effect in Laminated Shape-Memory-Alloy Beams', AIAA Journal, Vol. 41, No.1, 2003, pp. 100-109

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Kudva, J. N., 'Overview of the DARPA Smart Wing Project', Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 15, 2004, pp. 261-267

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Singh, K., Sirohi, J. and Chopra, I., 'An Improved Shape Memory Alloy Actuator for Rotor Blade Tracking', Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 14, 2003, pp. 767-786

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Qidwai, M. A. and Lagoudas, D. C. 'Numerical Implementation of a Shape Memory Alloy Thermomechanical Constitutive Model using Return Mapping Algorithms', International Journal for Numerical Methods in Engineering, Vol. 47, 2000, pp. 1123-1168

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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