[논문]변형률 속도에 따른 형상기억합금 초탄성 거동의 실험 및 해석 연구

노진호; 박정인; 이수용

doi:10.5139/jksas.2010.39.1.9

변형률 속도에 따른 형상기억합금 초탄성 거동의 실험 및 해석 연구
Experimental and Numerical Analysis for Superelastic Behaviors of SMAs with Strain-rate Dependence 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.39 no.1, 2011년, pp.9 - 15

노진호 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부) , 박정인 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부) , 이수용 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부)

초록
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변형률-속도에 따른 형상기억합금의 초탄성 거동 특성 변화를 실험적 그리고 수치적으로 살펴보았다. 변형률-속도를 고려한 형상기억합금의 수학 모델을 유도하였고, 형상기억합금의 실험결과를 바탕으로 변형률 속도에 따른 형상기억합금의 열-기계적 특성변화를 관찰하였다. 변형률-속도의 변화에 따라 형상기억합금 시편의 급격한 온도변화가 일어남을 확인하였고 이런 현상이 초탄성 거동 특성 변화에 큰 영향을 미침을 예측 할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The influence of the strain-rate on the superelastic behaviors of shape memory alloys (SMAs) wires is experimentally and numerically investigated. The one-dimensional SMA constitutive equations considering strain-rate effect is developed. The evolution of stress-strain curves of SMA wires is examined with various strain-rates. Results show that the superelastic behaviors of SMAs may significantly be changed depending on the variation of strain-rate.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는, 변형률-속도에 따른 형상기억합금의 열-기계적 특성 변화를 실험적 그리고 수치적으로 살펴보았다. 마르텐사이트 변화량과 온도 변화사이의 연성된 열역학적 방정식을 이용, 변형률-속도에 따른 형상기억합금의 구성방정식을 유도하여 수학 모델을 제시하였다.
본 연구에서는, 변형률-속도에 따른 형상기억합금의 초탄성 거동 특성 변화를 실험 그리고 수치적으로 살펴보았다. 변형률 속도를 고려한 1-D 형상기억합금의 구성방정식을 유도하였고, 해석 모델을 새롭게 개발하였다.

제안 방법

또한, 서로 다른 변형률-속도에 따른 응력-변형률선도를 실험적으로 살펴보았다. Fig.
본 연구에서는, 변형률-속도에 따른 형상기억합금의 열-기계적 특성 변화를 실험적 그리고 수치적으로 살펴보았다. 마르텐사이트 변화량과 온도 변화사이의 연성된 열역학적 방정식을 이용, 변형률-속도에 따른 형상기억합금의 구성방정식을 유도하여 수학 모델을 제시하였다. 실험 연구를 통하여 변형률-속도에 따른 형상기억합금의 열-기계적 특성 변화를 살펴보았다.
본 연구에서는, 변형률-속도에 따른 형상기억합금의 초탄성 거동 특성 변화를 실험 그리고 수치적으로 살펴보았다. 변형률 속도를 고려한 1-D 형상기억합금의 구성방정식을 유도하였고, 해석 모델을 새롭게 개발하였다. 형상기억합금의 열-기계적 실험 결과를 바탕으로 해석모델을 이용하여 형상기억합금의 초탄성 거동 특성 변화를 예측하였으며, 실험결과와 잘 일치함을 확인할 수 있었다.
31mm가 된다. 실온에서 15 cycles로 loading-unloading을 반복하여 인장시험을 수행하였고 안정된 응력-변형률 이력 선도를 얻은 후 형상기억합금의 해석 모델링에 필용한 각각의 파마미터를 Fig. 1을 통하여 얻을 수 있다. 표시된 상수들은 아래 같다.
실험 연구를 통하여 변형률-속도에 따른 형상기억합금의 열-기계적 특성 변화를 살펴보았다. 실험 결과분석을 통하여 개발된 형상기억합금의 해석 모델에 적용 하였고 변형률 속도에 따른 형상기억합금의 초탄성 거동 및 온도 변화 이력특성을 살펴보았다.
마르텐사이트 변화량과 온도 변화사이의 연성된 열역학적 방정식을 이용, 변형률-속도에 따른 형상기억합금의 구성방정식을 유도하여 수학 모델을 제시하였다. 실험 연구를 통하여 변형률-속도에 따른 형상기억합금의 열-기계적 특성 변화를 살펴보았다. 실험 결과분석을 통하여 개발된 형상기억합금의 해석 모델에 적용 하였고 변형률 속도에 따른 형상기억합금의 초탄성 거동 및 온도 변화 이력특성을 살펴보았다.
: 오스테나이트 상으로 상변형이 끝나는 응력. 안정화된(trained) 시편을 이용하여, 외부 온도가 각각, 25℃, 30℃, 40℃, 그리고 50℃에서의 응력-변형률 선도들을 관찰하였다. 외부 온도변화에 따른 각각의 상 변형 시작 또는 끝나는 응력값 들을 측정하였고, 온도에 따른 형상기억합금의 응력-변형률 선도를 관찰하였다.
안정화된(trained) 시편을 이용하여, 외부 온도가 각각, 25℃, 30℃, 40℃, 그리고 50℃에서의 응력-변형률 선도들을 관찰하였다. 외부 온도변화에 따른 각각의 상 변형 시작 또는 끝나는 응력값 들을 측정하였고, 온도에 따른 형상기억합금의 응력-변형률 선도를 관찰하였다. Fig.
형상기억합금 구성방정식에 변형률-속도(strain-rate)에 따른 온도변화 효과를 고려하기 위하여 열역학 에너지식을 분석하고, 변형률과 온도변화 관계식을 유도 하였다. 형상기억합금의 상변화 관계식이 비교적 간단한 모델을 이용하여 변형률-속도를 고려한 기존의 연구결과가 있지만[8, 9], 형상기억합금의 상변형 조건을 보다 자세히 살펴보기 위하여 Brinson 모델[10]에서 유도된 형상기억합금 선(wire)의 기본 모델을 바탕으로 변형률-속도을 고려한 i) 구성방정식 (Eq.

대상 데이터

2.2 변형률 효과에 따른 형상기억합금의 열-기계적 특성 변화

변형률을 고려한 형상기억합금의 열-기계적 특성을 실험적으로 관찰하기 위하여 MEMRY Gmbh사 (www.memry.com)에서 Alloy S를 구입하였다. Alloy S 제품은 상온에서 초탄성거동 특성을 갖는 제품으로 지름은 약 2.

데이터처리

Fig. 7, 8, 그리고 9는 서로 다른 변형률-속도에서의 형상기억합금의 응력-변형률 선도를 실험, Brinson 모델 그리고 본 연구에서 제시된 해석 모델 결과와 비교하였다. 본 연구에서 제시된 변형률-속도에 따른 형상기억합금의 해석 모델이 실험결과 값을 잘 예측함을 알 수 있다.
개발된 형상기억합금 해석 모델에 기초하여, 실험을 통한 형상기억합금 선의 열-기계적 물성치를 이용하여 해석 결과와 시험결과를 비교하였다. Fig.

이론/모형

Eqs. 11-13의 해를 구하기 위하여 Fourth-Order Runge-Kutta Method를 이용하여 변형률-속도에 따른 응력, 온도 그리고 상변화 값을 얻을 수 있다.

성능/효과

변형률-속도가 2 × 10-2s-1으로 매우 빠른 경우, 본 논문에서 제시된 해석 모델이 매우 효과적임을 확인할 수 있다.
변형률-속도가 매우 작은 준정적인 하중 상태에서는 형상기억합금의 온도 변화는 매우 작아 초탄성 거동 변화에 영향을 미치지 못함을 알 수 있었다. 하지만, 변형률-속도가 큰 동적인 하중을 받는 조건에서는 형상기억합금내의 온도 변화가 크게 일어나게 되며, 형상기억합금의 전체적인 초탄성 거동에 큰 영향을 미침을 예상할 수 있다.
변형률-속도가1 × 10-4s-1인 경우 (Fig. 10) 온도변화가 2℃ 정도로 그 변화가 미비하여, 측정 및 수치적인 오차가 나타나는 것으로 판단되지만, 변형률-속도에 따른 전체적인 온도 변화 경향성을 잘 예측하고 있음을 확인할 수 있다.
7, 8, 그리고 9는 서로 다른 변형률-속도에서의 형상기억합금의 응력-변형률 선도를 실험, Brinson 모델 그리고 본 연구에서 제시된 해석 모델 결과와 비교하였다. 본 연구에서 제시된 변형률-속도에 따른 형상기억합금의 해석 모델이 실험결과 값을 잘 예측함을 알 수 있다. 변형률-속도가 2 × 10^-2s^-1으로 매우 빠른 경우, 본 논문에서 제시된 해석 모델이 매우 효과적임을 확인할 수 있다.
변형률 속도를 고려한 1-D 형상기억합금의 구성방정식을 유도하였고, 해석 모델을 새롭게 개발하였다. 형상기억합금의 열-기계적 실험 결과를 바탕으로 해석모델을 이용하여 형상기억합금의 초탄성 거동 특성 변화를 예측하였으며, 실험결과와 잘 일치함을 확인할 수 있었다. 변형률-속도에 따른 형상기억합금의 열-기계적 특성 변화는 준정적인 하중 상태에서는 큰 영향이 없지만, 동적인 하중을 받는 조건에서는 큰 차이를 보여주게 되므로, 구조물의 진동 제어를 위한 작동기 및 감쇠기로의 응용 연구를 위해서는 반드시 고려해 주어야 하는 매우 중요한 특성이라 정의 할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	형상기억합금이란 무엇인가	형상기억합금(SMAs)은 비교적 최근에 많은 응용 연구가 수행되어지고 있는 스마트 재료로서, 하중 및 온도 변화에 따라 기계적 성질이 변하는 재료로 정의될 수 있다. 형상기억효과(shape memory effect)와 초탄성(superelasticity) 거동 특성을 가지는 형상기억합금은 큰 힘과 변형을 일으키고 외부 하중과 온도에 따라, 기하학적 형상, 재료의 강성 및 감쇠(damping) 특성의 변화 때문에 구조물의 형상[1] 및 진동[2, 3] 제어를 위한 많은 응용 연구가 수행되고 있다.
	외부 하중 및 형상기억합금의 변형에 따라 발생되는 열을 무시하면 안되는 이유는 무엇인가	하지만, 대부분의 모델이 준정적(quasi-static) 하중이 가해질 때의 열-기계적 특성을 고려할 뿐, 형상기억합금의 변형 및 외부 하중에 따라 발생되는 열을 무시하고 있다. 외부에서 가해지는 변형률-속도(strain-rate)에 따라 형상기억합금의 온도 변화가 발생되고, 이는 형상기억합금의 열-기계적 특성에 큰 영향을 미치게 된다. Mukherjee et al.
	형상기억합금이 구조물의 형상 및 진동 제어를 위한 많은 응용 연구가 수행된 이유는 무엇인가	형상기억합금(SMAs)은 비교적 최근에 많은 응용 연구가 수행되어지고 있는 스마트 재료로서, 하중 및 온도 변화에 따라 기계적 성질이 변하는 재료로 정의될 수 있다. 형상기억효과(shape memory effect)와 초탄성(superelasticity) 거동 특성을 가지는 형상기억합금은 큰 힘과 변형을 일으키고 외부 하중과 온도에 따라, 기하학적 형상, 재료의 강성 및 감쇠(damping) 특성의 변화 때문에 구조물의 형상[1] 및 진동[2, 3] 제어를 위한 많은 응용 연구가 수행되고 있다.

참고문헌 (10)

Roh, J. -H., Han, J. -H., Lee, I.,

상세보기
Roh, J. -H., Kim, E. -H., Lee, I., "Low
Hill, J., Roh, J. -H., Wang, K. -W.,
Nashif, A. D., Jones, D. I., and
Mukherjee, K., Sircar, S., and Dahotre, N.

상세보기
Entemeyer, D, Patoor, E., Eberhardt, A.,

상세보기
Tobushi, H., Nakahara, T., Shimeno, Y.,

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Zhu, S., and Zhang, Y., "A

상세보기
노진호, “변형률 효과를 고려한 형상기억합금의 열-기계적 특성”, 한국항공우주학회지, 38(2), 2010, pp. 129-134.

원문보기 상세보기
Brinson, L. C., "One-Dimensional

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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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