[논문]형상기억합금 비틀림 튜브 작동기의 거동 해석

김준형; 김철

doi:10.3795/ksme-a.2010.34.8.1083

형상기억합금 비틀림 튜브 작동기의 거동 해석
Analyses of Behaviors of a Shape-Memory-Alloy Torque Tube Actuator 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.34 no.8=no.299, 2010년, pp.1083 - 1089

초록
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형상기억합금은 지능형 재료와 구조물에 널리 쓰인다. 큰 힘과 변위를 발생시키는 것이 특징이며 작동기, 소음 및 진동감쇠, 동역학적 튜닝, 형상의 변형 제어 등의 다양한 분야에 응용될 수 있다. 본 논문에 서는 형상기억합금튜브와 초탄성 스프링으로 구성된 형상기억합금 비틀림 작동기를 제안하였고 각각의 거동 특성을 알아보았다. 열전달 해석을 통해 저항열과 히터의 열을 동시에 형상기억합금튜브에 가하면 작동기의 성능을 더 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 접촉 해석으로는 실제 작동기의 거동을 시뮬레이션하였고 정상적으로 작동함을 알 수 있었다. 3 차원 형상기억합금의 거동을 표현하기 위해 비선형 구성방정식을 유한요소 법으로 풀고 ABAQUS 의 U-MAT 기능을 이용하여 비선형 해석을 수행하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Shape memory alloys (SMAs) are smart materials. The unique characteristics of SMAs enable the production of large force and displacement. Hence, SMAs can be used in many applications such as in actuators and active structural acoustic controllers; the SMAs can also be used for dynamic tuning and shape control. A SMA torque tube actuator consisting of SMA tubes and superelastic springs is proposed, and the behaviors of the actuator are investigated. From the results of heat transfer analysis, it is proved that the SMA torque tube actuator with both resistive heating of SMA itself and a separate conventional heating rod in the tube core has good performance. The behavior of an actuator system was analyzed by performing a contact analysis, and the twisting motion was noticed when checking the actuation. 3D SMA nonlinear constitutive equations were formulated numerically and implemented by performing a nonlinear analysis by using Abaqus UMAT.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

Case 5,6 은 10^o∼20^o 로 가해진 토크에 비해 변형각이 작은 것을 확인 할 수 있다. 거동해석을 통해서 튜브형 SMA 작동기를 구동시킬 수 있는 가열방법과 적절한 비틀림 형상을 고안함으로서 향후 강력한 경량의 비틀림 작동기 개발 개념을 제공하였다.
본 논문에서는 SMA 의 형상기억효과와 초탄성효과(superelasticity)의 비틀림 특성을 알아보고 이것을 이용한 작동기의 거동을 연구하였다. 이를 위해 Lagoudas 등⁽⁸⁾과 Bo 등⁽⁹⁾에 의해서 유도된 SMA 의 3 차원 열-기계적 구성방정식을 프로그램화한 후 ABAQUS 의 UMAT 기능과 연계한 유한요소해석을 통하여 SMA 비틀림 작동기에 대해서 연구하였다.

가설 설정

내부 전기저항을 고려하기 위해 전기에 의한 발열을 고려할 수 있는 DC3D8E(8-node linear coupled thermal-electrical brick)을 사용하여 위와 같은 개수의 요소로 나누었다. 튜브의 양끝 단에 0.5A/mm 의 전류를 가해주었으며 전류에 의해서 발생한 열은 모두 열로 전환된다는 가정으로 해석을 하였다.

제안 방법

같은 해석기법으로 튜브 Case 2 와 토션바 Case 3 를 연동해석하여 실제 작동기의 거동을 시뮬레이션하였다. 6,528 개의 C3D8I 요소를 사용하여 모델링을 하였으며, 토션바와 튜브의 초기온도는 52℃이고, 해석과정은 4 단계로 구성 되었다.
SMA 튜브와 내부의 초탄성 SMA 스프링의 설계는 Fig. 6 에 있으며, Table 1 의 3 가지 경우에 대해 9,000 개의 C3D8I 유한요소로 나누었다. 좌측 끝 단의 1, 2, 3 자유도를 구속하고, 우측 끝 단에 20,000N 을 6 부분에 각각 가하여 토크가 작용할 수 있게 하였다.
설계 시 양 끝단부는 SMA 튜브와 연결되나, 여기서는 토션바만의 비틀림특성 해석을 위해서 좌측 끝단의 1, 2, 3 번 자유도를 구속하였고, 9,000 개의 C3D8I 요소로 모델링하였다. Table 3 에서 보듯이 스프링의 지름이 38mm, 46mm, 54mm 인 경우에 각각 20,000N 을 8 개 및 12 개 부분에 원의 접선방향으로 하중을 가한 두 경우에 대해서 해석하였다. 스프링의 지름이 달라지기 때문에 각각의 경우에 가해지는 토크도 변한다.
앞에서는 SMA 비틀림 작동기를 구성하는 튜브와 초탄성 토션바를 각각의 치수별로 나누어 거동 특성을 확인하였다. 같은 해석기법으로 튜브 Case 2 와 토션바 Case 3 를 연동해석하여 실제 작동기의 거동을 시뮬레이션하였다. 6,528 개의 C3D8I 요소를 사용하여 모델링을 하였으며, 토션바와 튜브의 초기온도는 52℃이고, 해석과정은 4 단계로 구성 되었다.
43℃ 차이를 보이며, 내부 온도 역시 오스테나이트 상변태가 끝나는 52℃를 가지기 때문에 발열장치만으로 가열하는 것보다 튜브 자체의 내부전기저항을 이용한 발열을 동시에 사용하는 것이 특정온도로 가열하는데 유리하다. 내부 전기저항을 고려하기 위해 전기에 의한 발열을 고려할 수 있는 DC3D8E(8-node linear coupled thermal-electrical brick)을 사용하여 위와 같은 개수의 요소로 나누었다. 튜브의 양끝 단에 0.
비틀림거동 시 초탄성 효과를 해석하기 위해 바의 초기온도는 52℃로 설정되었다. 설계 시 양 끝단부는 SMA 튜브와 연결되나, 여기서는 토션바만의 비틀림특성 해석을 위해서 좌측 끝단의 1, 2, 3 번 자유도를 구속하였고, 9,000 개의 C3D8I 요소로 모델링하였다. Table 3 에서 보듯이 스프링의 지름이 38mm, 46mm, 54mm 인 경우에 각각 20,000N 을 8 개 및 12 개 부분에 원의 접선방향으로 하중을 가한 두 경우에 대해서 해석하였다.
앞에서는 SMA 비틀림 작동기를 구성하는 튜브와 초탄성 토션바를 각각의 치수별로 나누어 거동 특성을 확인하였다. 같은 해석기법으로 튜브 Case 2 와 토션바 Case 3 를 연동해석하여 실제 작동기의 거동을 시뮬레이션하였다.
외경 56mm, 내경 48mm, 길이 600mm 인 튜브를 Fig. 3 과 같이 길이방향으로 100, 반지름방향으로 4, 원주 방향으로 60 등분하여 24,000 개의 요소로 나누었으며, 열전달 요소인 DC3D8(8-node linear heat transfer brick)을 사용하였다. 하우징 안의 SMA 온도는 20℃, 하우징 내부의 온도도 20℃이며 대류 열전달계수는 20W/m²K 이다.
또한 비틀린 상태를 계속 유지하려면 지속적인 열의 공급이 필요하기 때문에 자칫 비효율적으로 될 수 있다. 이 점을 해결하기 위해서 Fig. 2 와 같이 SMA 막대(bar), 코일스프링, 홈을 이용하여 비틀림을 잡아두는 잠금 장치를 고안하였다. SMA 는 A_f 이상의 온도(52℃)를 가하면 수축하게 되며 작동기가 비틀리는 동시에 홈에 고정되어 비틀림을 유지하며 온도가 내려가게 되면 스프링의 힘에 의해 홈에서 빠져 나오게 된다.
본 논문에서는 SMA 의 형상기억효과와 초탄성효과(superelasticity)의 비틀림 특성을 알아보고 이것을 이용한 작동기의 거동을 연구하였다. 이를 위해 Lagoudas 등⁽⁸⁾과 Bo 등⁽⁹⁾에 의해서 유도된 SMA 의 3 차원 열-기계적 구성방정식을 프로그램화한 후 ABAQUS 의 UMAT 기능과 연계한 유한요소해석을 통하여 SMA 비틀림 작동기에 대해서 연구하였다.
6 에 있으며, Table 1 의 3 가지 경우에 대해 9,000 개의 C3D8I 유한요소로 나누었다. 좌측 끝 단의 1, 2, 3 자유도를 구속하고, 우측 끝 단에 20,000N 을 6 부분에 각각 가하여 토크가 작용할 수 있게 하였다. 초기온도는 0℃ 이며 비틀림에 의한 소성변형이 일어난다.
중심부의 SMA 토션바와 그 외부의 SMA 튜브로 구성된 비틀림 및 토크발생 작동기의 개발을 위해서 유한요소해석을 통하여 거동을 모사하여 작동성을 입증하였다. 이러한 결과는 토크튜브 작동기가 가능함을 입증하는 것이다.
로 가장 크게 나타났다. 초탄성 효과는 3 가지의 형상과 2 종류의 하중상태로 6 경우를 해석하였으며, Case 1, 2 는 100^o이상의 큰 변형이 일어나고 전단응력이 과도하게 부과된다. Case 3,4 는 22^o, 69^o 변형각을 갖는다.

성능/효과

형상기억 및 초탄성 효과에 대해 각각 3 가지, 6 가지 경우에 대해서 비틀림 특성을 알아본 결과 열을 가해줌으로써 원래의 위치로 복원됨을 확인하였다. 바깥 SMA 튜브를 별도의 히터만으로 가열하면 작동온도 52℃에 미치지 못하며, 최고 온도와 최저온도의 차이가 약 2℃가량 나나, SMA 자체 전기저항에 의한 발열을 동시에 고려하면 전체적으로 52℃이상이며 양끝을 제외하면 온도편차는 0.2℃ 밖에 나지 않는 것을 확인하였으므로, SMA 비틀림 작동기를 가동시킬 때 전기저항 발열과 히터 발열을 동시에 사용하는 것이 유리하다.
6^o인 SMA 비틀림 작동기로 사용 할 수 있다. 작동기는 해석과정 중에 754~900MPa 의 극한인장강도를 초과하지 않고 정상적으로 작동되는 것을 확인할 수 있었다.
이러한 결과는 토크튜브 작동기가 가능함을 입증하는 것이다. 형상기억 및 초탄성 효과에 대해 각각 3 가지, 6 가지 경우에 대해서 비틀림 특성을 알아본 결과 열을 가해줌으로써 원래의 위치로 복원됨을 확인하였다. 바깥 SMA 튜브를 별도의 히터만으로 가열하면 작동온도 52℃에 미치지 못하며, 최고 온도와 최저온도의 차이가 약 2℃가량 나나, SMA 자체 전기저항에 의한 발열을 동시에 고려하면 전체적으로 52℃이상이며 양끝을 제외하면 온도편차는 0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	형상기억합금의 특징은 무엇인가?	형상기억합금은 지능형 재료와 구조물에 널리 쓰인다. 큰 힘과 변위를 발생시키는 것이 특징이며 작동기, 소음 및 진동감쇠, 동역학적 튜닝, 형상의 변형 제어 등의 다양한 분야에 응용될 수 있다. 본 논문에 서는 형상기억합금튜브와 초탄성 스프링으로 구성된 형상기억합금 비틀림 작동기를 제안하였고 각각의 거동 특성을 알아보았다.
	형상기억합금은 어디에 널리 쓰이는가?	형상기억합금은 지능형 재료와 구조물에 널리 쓰인다. 큰 힘과 변위를 발생시키는 것이 특징이며 작동기, 소음 및 진동감쇠, 동역학적 튜닝, 형상의 변형 제어 등의 다양한 분야에 응용될 수 있다.
	형상기억합금이 갖는 효과는 무엇인가?	형상기억합금(shape memory alloy: SMA)은 낮은 온도에서 변형이 용이하며 열을 가하면 저온의 형상으로 복원하는 형상기억효과와 상변태 이상의 온도에서 변형과 복원이 동시에 일어나는 초탄성 효과를 가진다. 이중에서도 Ni-Ti 합금은 Nitinol이라고도 불리며 약 8∼10% 의 큰 변형률, 높은 복원력, 뛰어난 피로수명 등의 성질을 가지고 있기 때문에 많은 연구가 진행되었다.

참고문헌 (10)

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Bo, Z. and Lagoudas, D. C., 1999, "Thermo-Mechanical Modeling of Polycrystalline SMAs Under Cyclic Loading," Part III, International Journal of Engineering Science, Vol. 37, pp.1175-1203.

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Truesdell, C. and Noll, W., 1965, The Non-linear Field Theories of Mechanics, Springer : Berlin

저자의 다른 논문 :

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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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