[논문]이중 나선 구조 형상기억합금 스프링 거동 예측

이종구; 안성민; 조규진; 조맹효

doi:10.7734/coseik.2012.25.4.347

이중 나선 구조 형상기억합금 스프링 거동 예측
The Prediction of Nonlinear behavior of Double Coil Shape Memory Alloy Spring 원문보기

한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, v.25 no.4, 2012년, pp.347 - 354

이종구 (서울대학교 기계항공공학부) , 안성민 (서울대학교 기계항공공학부) , 조규진 (서울대학교 기계항공공학부) , 조맹효 (서울대학교 기계항공공학부)

초록
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형상기억합금의 복원력 및 복원량은 열 하중 및 기계적 하중으로 인한 마르텐사이트 상에서 오스테나이트 상으로의 상변이에 의한 상변형률 발생에 기인한다. 복원력 및 복원량은 초기 형상 및 하중 부여 방식에 따라 차이가 발생하는데 적절한 설계 전략없이 상변형률에만 의지한 경우 큰 복원력은 발생할 수 있어도 큰 복원량을 기대하기는 어렵다. 이는 형상기억합금의 큰 복원력과 작은 복원량 간의 비대칭성에 기인하며 형상기억합금의 효율적인 이용에 걸림돌이 된다. 본 연구에서는 형상기억합금의 상변이로 발생하는 복원량을 극대화하는 방안으로 형상기억합금 선이 이중으로 감겨있는 이중 나선 구조 형상기억합금 스프링을 제안한다. 그리고 열 하중에 의해 발생하는 복원량을 예측하고 단일 나선 구조 형상기억합금 스프링과 비교 분석하여 이중 나선 구조 형상기억합금 스프링이 단일 나선 구조 형상기억합금 스프링보다 성능 비대칭성을 보다 완화시킬 뿐만 아니라 복원력 대비보다 큰 복원량을 가짐을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The recovery force and displacement occur due to the phase transformation from the martensite phase to the austenite phase induced by the mechanical loading or thermal loading. These recovery force and displacement depend on an initial geometrical configuration of SMAs and loading conditions. Although the SMAs generally generates large recovery forces, the sufficient recovery displacement cannot be expected without a proper design strategy. The functionality of SMAs is limited due to the unbalance between the large recovery force and the small recovery displacement. This study suggests the double coil SMA spring in order to amplifying the recovery displacement induced by the phase transformation. By predicting the recovery displacement of doble coil SMA springs and one coil SMA springs induced by thermal loading, we show that the double coil SMA spring not only mitigate the unbalance of performance but also have a large recovery displacement for its recovery force than one coil SMA spring.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 기존의 형상기억합금이 가지는 큰 복원력과 작은 복원량 간의 성능 비대칭성을 개선하기 위해 이중 나선 형상기억합금 스프링을 제안하였다. 그리고 이중 나선 형상 기억합금의 성능을 정량화하기 위해 단일 나선 형상기억합금을 비교 군으로 선정하여 열 하중에 대한 복원량을 비선형 해석을 통해 예측하여, 이중 나선 형상기억합금이 단일 나선 형상기억합금보다 형상기억합금의 성능 비대칭성을 개선함을 보였고, 뿐만 아니라 단위 복원력(하중)과 복원량을 비교하여 동일 하중 조건에서 보다 큰 복원량을 발휘할 수 있음을 보였다.
본 연구에서는 형상기억합금의 복원량을 더욱더 증가시키기 위한 방안으로 형상기억합금 선이 단순히 특정 하나의 축을 기준으로 감겨져 있지 않고, 고정된 하나의 축을 기준으로 일정한 반경 및 기울기를 가지고 회전하는 궤적에 대해서 다시 한번 더 일정한 반경 및 기울기로 감아 돌아가는 이중 나선 구조를 가지는 새로운 개념의 형상기억합금 스프링 구조를 제안하였다. 형상기억합금의 3차원 거동 모사를 위해서 Lagoudas가 제안한 구성방정식을 사용하였으며(Boyd 등, 1996; Qidawai 등, 2000) 상변이 중 스프링의 대변형 모사를 위한 기하비선형 해석을 위해 Total lagrangian기법을 유한요소법에 적용하였다.

제안 방법

이중 나선 구조 형상기억합금 스프링의 열 하중에 따른 복원량 예측에 앞서 스프링을 이완시켜 마르텐사이트 체적분율 부여하였다. 스프링 이완 시 이중 나선 구조를 유지하기 위해 적절한 변위 량으로 18mm를 선정하였다.
이중 나선 구조 형상기억합금의 성능을 정량화하기 위한 비교 군으로 단일 나선 구조 형상기억합금 스프링을 채택하였다. 단일 나선 구조 형상기억합금 스프링은 복원량 증폭을 목적으로 사용하는 일반적인 장치이다.
이중 나선 형상기억합금의 성능을 정량화하기 위해 선정한 단일 나선 형상기억합금의 해석 시 와이어의 동일한 단면 직경과, 거시적인 관점(주축)에서 볼 때 동일한 스프링 직경을 가지는 단일 나선 스프링을 선정하여 해석하였다.
해석에 앞서 스프링의 강체 회전을 막기 위해 그림 2에서 보듯이 90도 주기마다 표시되어 있는 검은색 점 위치에 스프링이 반경 방향으로만 움직일 수 있는 경계조건을 부여하였다. 해석 시 사용된 형상기억합금의 물성은 표 1과 같다.

대상 데이터

모델은 전체 모델이 아닌 한 주기 형태를 가지는 모델을 사용하였다. 해석에 사용된 요소는 3차원 8절점 요소이며, 총 1600개의 요소를 사용하였다.
이중 나선 구조 형상기억합금 스프링의 열 하중에 따른 복원량 예측에 앞서 스프링을 이완시켜 마르텐사이트 체적분율 부여하였다. 스프링 이완 시 이중 나선 구조를 유지하기 위해 적절한 변위 량으로 18mm를 선정하였다.
단일 나선 구조 형상기억합금 스프링은 복원량 증폭을 목적으로 사용하는 일반적인 장치이다. 해석에 사용된 단일 나선 구조 스프링의 단면 직경 또한 이중나선 구조 스프링과 같으며 각각 0.5mm, 0.75mm, 1mm의 단면 직경을 가진다. 주축에 대한 회전 반경 역시 동일하게 4mm로 스프링 직경을 선정하였다.
모델은 전체 모델이 아닌 한 주기 형태를 가지는 모델을 사용하였다. 해석에 사용된 요소는 3차원 8절점 요소이며, 총 1600개의 요소를 사용하였다. 그리고 스프링은 강체회전으로 인한 대변형을 일으키는 구조물이므로, 대변형 해석을 위해 Total Lagrangian기법을 유한요소해석에 적용하였다.
해석에 사용된 이중나선 구조 스프링의 단면형상은 그림 3과 같으며 각각 0.5mm, 0.75mm, 1mm의 단면 직경을 가진다. 이중 나선 구조 스프링은 주 스프링 기준으로 1.

이론/모형

해석에 사용된 요소는 3차원 8절점 요소이며, 총 1600개의 요소를 사용하였다. 그리고 스프링은 강체회전으로 인한 대변형을 일으키는 구조물이므로, 대변형 해석을 위해 Total Lagrangian기법을 유한요소해석에 적용하였다.
그리고 이 때 해를 찾아가는 방식으로 Newton-Raphson 법을 적용하는데, 앞의 식 (8)로부터 기울기(Tangent modulus)를 구하여 물질 비선형 강성행렬을 구축하는데 이용한다.
스프링은 이완 및 수축 시 발생하는 강체 회전으로 인해 대변형이 유발되기 때문에 스프링 해석 시에는 대변형이 고려된 비선형 해석이 반드시 수반되어야 한다. 본 연구에서는 비선형을 고려하기 위해 Total lagrangian 기법을 적용하였다. Total largrangian 기법은 가상 일률 원리(Virtual Power Principle)로부터 유도된다.
본 연구에서는 형상기억합금의 복원량을 더욱더 증가시키기 위한 방안으로 형상기억합금 선이 단순히 특정 하나의 축을 기준으로 감겨져 있지 않고, 고정된 하나의 축을 기준으로 일정한 반경 및 기울기를 가지고 회전하는 궤적에 대해서 다시 한번 더 일정한 반경 및 기울기로 감아 돌아가는 이중 나선 구조를 가지는 새로운 개념의 형상기억합금 스프링 구조를 제안하였다. 형상기억합금의 3차원 거동 모사를 위해서 Lagoudas가 제안한 구성방정식을 사용하였으며(Boyd 등, 1996; Qidawai 등, 2000) 상변이 중 스프링의 대변형 모사를 위한 기하비선형 해석을 위해 Total lagrangian기법을 유한요소법에 적용하였다. 수치 예제에서는 단일 나선 형상기억합금 스프링과 이중 나선 형상기억합금 스프링에 동일한 열 하중 가하여 각 스프링의 복원량을 비교·분석하여 이중 나선 구조 형상기억합금이 성능 비대칭성 개선 측면 및 복원량 증폭 측면에서 우수함을 보였다.

성능/효과

본 연구에서는 기존의 형상기억합금이 가지는 큰 복원력과 작은 복원량 간의 성능 비대칭성을 개선하기 위해 이중 나선 형상기억합금 스프링을 제안하였다. 그리고 이중 나선 형상 기억합금의 성능을 정량화하기 위해 단일 나선 형상기억합금을 비교 군으로 선정하여 열 하중에 대한 복원량을 비선형 해석을 통해 예측하여, 이중 나선 형상기억합금이 단일 나선 형상기억합금보다 형상기억합금의 성능 비대칭성을 개선함을 보였고, 뿐만 아니라 단위 복원력(하중)과 복원량을 비교하여 동일 하중 조건에서 보다 큰 복원량을 발휘할 수 있음을 보였다.
또한 복원력을 비교하면 표 3에서 보듯이 단일 나선 형상기억합금 스프링의 복원력이 이중 나선 형상기억합금 스프링의 복원력보다 약 3배 크다는 것을 알 수 있다.
수치 예제에서는 단일 나선 형상기억합금 스프링과 이중 나선 형상기억합금 스프링에 동일한 열 하중 가하여 각 스프링의 복원량을 비교·분석하여 이중 나선 구조 형상기억합금이 성능 비대칭성 개선 측면 및 복원량 증폭 측면에서 우수함을 보였다.
해석 결과, 동일한 거시적 형상 내에서 이중 나선 형상기억합금 스프링과 단일 나선 형상기억합금 스프링의 복원량은 유사하였지만 표 2에서 보듯 모든 단면 직경에서 이중 나선 형상기억합금 스프링의 복원량이 단일 나선 형상기억합금 스프링의 복원량을 약 1∼2mm 정도 상회함을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	최근 기본적인 형상기억합금의 응용에서 벗어나 형상기억합금의 복원량 증가를 유도하고, 이를 응용하는 연구가 증가하는 이유는?	이러한 작동소자로의 응용에 있어서 형상기억합금의 큰 복원력은 매우 매력적인 요소라 할 수 있다. 하지만 최근에는 불필요한 큰 복원력 보다는 큰 복원량을 요구하는 사례가 증가하고 있다(Salsedo 등, 1989; Lee 등, 1999; Koh 등, 2010). 이러한 이유로 기본적인 형상기억합금의 응용에 머물지 않고 특수한 초기형상을 구현하여 형상기억합금의 복원량 증가를 유도하고, 이를 응용하는 연구가 경주되고 있다(Kohl 등, 2002; Khan 등, 2004).
	형상기억합금의 복원력 및 복원량은 무엇에 기인하는가?	형상기억합금의 복원력 및 복원량은 열 하중 및 기계적 하중으로 인한 마르텐사이트 상에서 오스테나이트 상으로의 상변이에 의한 상변형률 발생에 기인한다. 복원력 및 복원량은 초기 형상 및 하중 부여 방식에 따라 차이가 발생하는데 적절한 설계 전략없이 상변형률에만 의지한 경우 큰 복원력은 발생할 수 있어도 큰 복원량을 기대하기는 어렵다.
	형상기억합금은 무엇으로 인해 변화하는 대표적인 지능 재료인가?	형상기억합금은 열 하중 및 기계적 하중을 받아 마르텐사이트(Martensite)의 상변이로 인해 결정구조가 변화하여 오스테나이트(Austenite) 상으로 변화하는 대표적인 지능 재료로서, 5∼8%정도의 상변형률을 보이며 약 800Mpa의 큰 복원력을 가진다. 형상기억합금은 열적·기계적 작동 환경에 따라 형상기억효과, 초 탄성 거동, 양-방향 거동으로 그 특성이 구분된다.

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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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