[논문]잔류 열 변형을 고려한 평판형 압전 복합재료 유니모프 작동기의 해석

구남서; 우성충

doi:10.3795/ksme-a.2006.30.4.409

잔류 열 변형을 고려한 평판형 압전 복합재료 유니모프 작동기의 해석
Analysis of a Plate-type Piezoelectric Composite Unimorph Actuator Considering Thermal Residual Deformation 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.30 no.4 = no.247, 2006년, pp.409 - 419

구남서 (건국대학교 신기술융합학과) , 우성충 (건국대학교 인공근육연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

The actuating performance of plate-type unimorph piezoelectric composite actuators having various stacking sequences was evaluated by three dimensional finite element analysis on the basis of thermal analogy model. Thermal residual stress distribution at each layer in an asymmetrically laminated plate with PZT ceramic layer and thermally induced dome height were predicted using classical laminated plate theory. Thermal analogy model was applied to a bimorph cantilever beam and LIPCA-C2 actuator in order to confirm its validity. Finite element analysis considering thermal residual deformation showed that the bending behavior of piezoelectric composite actuator subjected to electric loads was significantly different according to the stacking sequence, thickness of constituent PZT ceramic and boundary conditions. In particular, the increase of thickness of PZT ceramic led to the increase of the bending stiffness of piezoelectric composite actuator but it did not always lead to the decrease of actuation distance according to the stacking sequences of piezoelectric composite actuator. Therefore, it is noted that the actuating performance of unimorph piezoelectric composite actuator is rather affected by bending stiffness than actuation distance.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 성형곡률을 가지되 말안장형 곡률이 발생되지 않도록 평직형 (fhbric type) 탄소섬유/에폭시와 유리섬유/에폭시 프리프레그의 물성을 이용하여 비대칭 적층구성을 갖는 평판형 유니모프 압전 복합재료 작동기에 대해 성형 시의 냉각과정에서 발생하는 열 변형을 고려한 3차원 유한요소해석을 수행하여 다양한 경계조건에서 작동기의 작동성능을 평가하고자 한다. 열 잔류응력은 고전적층판 이론을 이용하여 고찰하고 PZT세라믹의 두께변화가 작동기의 굽힘 강성, 작동거리 그리고 전체적인 작동성능에 어떤 영향을 미치는지 확인한다.
따라서 적절한 적층구성과 함께 압전재료의 두께와 같은 기하학적 인자를 선택함으로써 우수한 작동성능을 .갖는 작동기를 설계할 수 있을 것이다.

가설 설정

력은 존재하지않는다036=0). II) 각 층은 서로 간에 완전접 합되어있다. Ⅲ) 적층판의 두께는 적 I) 압전재료는 횡 등방성 (transversely isotropic) 재료 0"=必)이며 압전으로 인한 전단층판의 길이와 폭에 비해 무시할 수 있을 만큼 작다(평면응력조건).

제안 방법

Haertling는 PZT 디스크의 한쪽 면을 화학적 반응을 통하여 환원시킨 다음 고온에서 성형하여 돔 (dome) 형상의 굴곡변위를 갖는 RAINBOW<4)(REduced And INtemally Biased Oxide Wafer)를 소개하였고 이후, NASA에서 압전세라믹과 금속을 접합시킨 THUNDER™(5)(thin-layer coneJosite unimorph ferroelectric driver and sensor)를 개발하여 상용화에 성공하였다.
바람직하다. 따라서 고전 적층판 이론(classical laminated plate theory)을 사용하여 온도차이로 인해 각 층에서 발생하는 열 잔류응력의 분포를 Table 1에 제시된 물성을 이용하여 고찰하였다.
본 연구에서는 서로 다른 적층구성을 갖는 비대칭 유니모프 압전 복합재료 작동기에 대해 성형 후 열 변형 효과를 고려하여 다양한 경계조건에서 작동기의 작동성능을 3차원 유한요소해석을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 절에서는 열 상사 모델을 바이모프 압전 보와 LIPCA-C₂작동기에 적용하여 타당성을 검증하고 선형해석 내에서의 해석결과를 비교해 보았다.
한다. 열 잔류응력은 고전적층판 이론을 이용하여 고찰하고 PZT세라믹의 두께변화가 작동기의 굽힘 강성, 작동거리 그리고 전체적인 작동성능에 어떤 영향을 미치는지 확인한다.
2단계는 열 변형 해석이 끝난 상태에서 ANSYS의 Restart기능을 이용하여 경계조건과 전기적 하중을 부여하여 작동변위를 예측하는 단계이다. 이때, 전기적 하중에 해당하는 등가 열팽창계수를 이용한 온도변화를 PZT층에 가하는 방식으로 각시험편의 작동변위를 구하였다. Fig.
전기적 하중을 받는 압전 복합재료 작동기의 작동변위 또는 처짐량을 구하기 위해 상용 유한요소 프로그램 ANSYS를 이용하여 온도차이로 인해 발생하는 잔류 열 변형을 고려한 3차원 선형 해석을 수행하였다. Table 1에 나타낸 물성을 이용하였고 X축을 작동기의 가로방향, y축을 세로방향, z축을 두께방향으로 하였으며 모델의 크기는 가로(72nnn)x 세로(72mm)로 하였다.
이 때, 사용된 요소는 8절점 3차원 솔리드45 요소를 사용하였으며 총 요소의 수는 15, 360개이다. 층간에서는 요소간의 완전결합을 부여하였고 열 변형해석 시 가로 및 세로방향으로 대칭조건을 적용하여 1/4부분만을 모델링 한 다음 -142℃만큼 균일하게 온도변화(경화온도와 상온의 차이)를 주어각 층의 열팽창계수의 차이로 발생하는 돔 높이 (적층판의 중앙지점에서의 두께방향의 최대 변위량)를 구하였다. 작동변위 예측을 위한 시뮬레이션은 2단계로 구성된다.

대상 데이터

해석을 수행하였다. Table 1에 나타낸 물성을 이용하였고 X축을 작동기의 가로방향, y축을 세로방향, z축을 두께방향으로 하였으며 모델의 크기는 가로(72nnn)x 세로(72mm)로 하였다. 이 때, 사용된 요소는 8절점 3차원 솔리드45 요소를 사용하였으며 총 요소의 수는 15, 360개이다.
Table 1에 나타낸 물성을 이용하였고 X축을 작동기의 가로방향, y축을 세로방향, z축을 두께방향으로 하였으며 모델의 크기는 가로(72nnn)x 세로(72mm)로 하였다. 이 때, 사용된 요소는 8절점 3차원 솔리드45 요소를 사용하였으며 총 요소의 수는 15, 360개이다. 층간에서는 요소간의 완전결합을 부여하였고 열 변형해석 시 가로 및 세로방향으로 대칭조건을 적용하여 1/4부분만을 모델링 한 다음 -142℃만큼 균일하게 온도변화(경화온도와 상온의 차이)를 주어각 층의 열팽창계수의 차이로 발생하는 돔 높이 (적층판의 중앙지점에서의 두께방향의 최대 변위량)를 구하였다.

이론/모형

7에 나타낸다. 해석에 사용된 등가 열팽창계수는 식 (17)을 이용하였고 전기적 하중을 받는 보의 해석적 해는 식 (18)을 이용하여 구하였다.

성능/효과

II) 각 층은 서로 간에 완전접 합되어있다. Ⅲ) 적층판의 두께는 적 I) 압전재료는 횡 등방성 (transversely isotropic) 재료 0"=必)이며 압전으로 인한 전단층판의 길이와 폭에 비해 무시할 수 있을 만큼 작다(평면응력조건).
(1) 열 상사 모델을 바이 모프 압전보와 LIPCA- C₂에 적용하여 타당성을 검증하였으며 검증된 열 상사 모델을 바탕으로 한 유한요소해석을 수행하여 다양한 구속조건하에서 압전 작동기의 작동성능을 예측할 수 있었다.
(2) 적층구성별로 열 변형에 의한 PZT 세라믹층의 열 잔류응력, 작동성능 그리고 상업적으로 사용되고 있는 PZT 세라믹의 두께가 일반적으로 0.25mm인 점을 고려할 때 Type D의 경우가 가장 바람직한 적층구조임을 알았다.
(3) 적층구성에 상관없이 삽입된 PZT 세라믹의 두께가 증가할수록 작동성능은 작동거리의 감소와 굽힘 강성의 증가로 인해 감소하였으며 적층 구성에 따라 감소정도는 다르게 나타났다. 따라서 적절한 적층구성과 함께 압전재료의 두께와 같은 기하학적 인자를 선택함으로써 우수한 작동성능을 .
PZT 세라믹의 도심에서 모멘트 평형에 의한 중립면까지의 거리인 작동거리와 열 변형에 의한 돔 높이는 Type E 와 D가 가장 높았으며 Type A가 가장 작았다. 이와 같은 결과는 적층판의 하층부에서 상층부로 갈수록 열팽창계수가 낮은 적층구조로 되어 있고 적절한 적층구조로 작동거리와 돔 높이를 제어할 수 있음을 말해준다.
05mm씩 증가시켰을 때, 성형온도 차이(-142℃) 로 발생하는 작동기의 돔 높이(h"心"'』)에 미치는 영향을 Type B, C, D, E에 대한 예측값을 나타낸다. PZT세라믹의 두께가 증가함에 따라 성형 온도차이로 발생하는 작동기의 돔 높이는 전체적으로 감소하는 경향을 보였으며 Type C의 경우 감소기울기가 가장 심하였다. 특히, 두께가 0.
8은 양단 단순지지 조건에서 LIPCA-C₂에 대하여 인가전압에 따른 아크 높이변화를 열 잔류응력과 초기 아크 높이를 고려한 예측값을 참고문헌。)의 측정치와 예측치를 함께 보여준다. 그결과, LIPCA-C₂의 작동성능은 인가전압이 증가할수록 선형적으로 증가하였다. 인가전압이 100\品 일 때, 열 잔류응력과 초기 아크 높이를 고려한 예측값은 참고문헌의 실험치와 약 9%의 차이를보인 반면 열 잔류응력과 초기 아크 높이를 고려하지 않은 참고문헌의 예측치는 실험값과 23% 차이를 보였다.
11은 압전 복합재료 작동기에 삽입된 PZT 세라믹의 두께변화에 따른 각 경계조건에서 작동성능에 미치는 영향을 Type B, C, D, E에 대해 3 차원 유한요소해석으로 구한 결과를 나타낸다. 동일한 적층구성을 가질 때 PZT세라믹 두께가 증가할수록 작동성능은 모든 경계조건에서 감소하였다. Fig.
여기서작동변위(&G라 함은 경계조건 1, 2, 4의 경우에는 적층판의 중앙부 지점에서의 두께방향 변위량이고 경계조건 3의 경우에는 적층판 끝단에서의 처짐량을 나타낸다. 모든 적층타입에 대해 양단지지조건(BC₁)에서 작동성능이 가장 좋지 못했고 외팔평판 조건(BC₃)에서 가장 우수하였다. 각 적층구성별로 살펴보면 경계조건에 따라 작동변위는 서로 다르게 나타났다.
굽힘 강성의 경우 모든 경우에 대해 PZT세라믹의 두께가 증가할수록 증가하였고 증가 정도는 Type E의 경우가 가장 심하였다. 이들 결과를 종합하면 PZT세라믹의 두께가 증가하면 적층 순서에 따라 작동거리는 반드시 감소하지는 않았고 굽힘 강성은 적층순서에 상관없이 증가하였다. Type E의 경우, PZT세라믹의 두께가 증가함에 따라 작동거리는 증가하였음에도 불구하고 작동성능이 감소한 것은 작동거리의 증가 정도에 비해 이에 따른 굽힘 강성의 증가정도가 컸기 때문인 것으로 사료된다.
그결과, LIPCA-C₂의 작동성능은 인가전압이 증가할수록 선형적으로 증가하였다. 인가전압이 100\品 일 때, 열 잔류응력과 초기 아크 높이를 고려한 예측값은 참고문헌의 실험치와 약 9%의 차이를보인 반면 열 잔류응력과 초기 아크 높이를 고려하지 않은 참고문헌의 예측치는 실험값과 23% 차이를 보였다. 따라서 열변형에 의한 잔류응력과 아크 높이를 고려한 해석값이 실험치와 근접하므로 압전 작동기의 작동성능평가를 위해서는 성형과정에서 온도차이로 발생하는 잔류응력과 아크 높이가 고려되어야 한다.
PZT세라믹의 두께가 증가함에 따라 성형 온도차이로 발생하는 작동기의 돔 높이는 전체적으로 감소하는 경향을 보였으며 Type C의 경우 감소기울기가 가장 심하였다. 특히, 두께가 0.3mrn일때 성형온도 차이로 인한 돔 높이는 가장 낮은 값을 나타내었으나 0.05mm일 때는 가장 높은 값을 나타내었다. 이와 같은 결과는 PZT세라믹 두께가 증가하면서 작동기 전체의 체적증가로 인한굽힘 강성과 작동거리의 변화로 인한 것이며 적층구성별로 다르게 나타난 것이다.

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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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