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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 Hyper-elastic 모델에 응력-변형률 완화 현상을 모사할 수 있는 뮬린스 효과(Mullins effect)를 결합한 유한요소해석 모델을 이용하여 Ni-Ti 형상기억합금 선재의 변형 및 형상회복 거동을 예측하였다. Hyper-elastic 모델을 통해 Ni-Ti 선재의 인장변형거동을 모사하고, 선재의 형상회복거동은 뮬린스 효과 모델을 사용해 나타내었다.
제안 방법
- (3) 본 연구에서 제안한 Hyper-elastic 및 뮬린스효과 모델을 결합한 유한요소해석 모델을 직경 1 mm 선재의 인발 공정에 적용하였다. 성형해석과 인발 실험을 수행한 결과, 성형된 선재의 직경은 설계치수인 0.
- 선재에 가해지는 하중을 제거하면 역방향의 변태가 발생하고 형상기억 효과에 의하여 본래의 상으로 되돌아오는데, 이를 형상회복(Shape recovery)이라고 한다. Ni-Ti 선재의 상변태 변형률과 초탄성거동에 의해 발생하는 형상회복거동을 확인하고 유한요소해석 모델에 대입할 물성을 획득하기 위해 만능재료시험기(MTS)를 이용하여 인장실험과 부하-제하 실험을 실시하였다.
- 본 연구에서 제안한 해석 모델 및 성형해석결과의 타당성을 검증하기 위하여 해석과 동일한 조건하에서 인발 실험을 수행하였다. Fig.
- 본 연구에서는 Ni-Ti 형상기억합금의 형상회복을 예측할 수 있는 유한요소해석 모델을 제안하였으며, 다음의 결론을 도출하였다.
- Hyper-elastic 모델을 통해 Ni-Ti 선재의 인장변형거동을 모사하고, 선재의 형상회복거동은 뮬린스 효과 모델을 사용해 나타내었다. 제안된 유한요소해석 모델의 검증을 위해 450˚C에서 30분간 풀림처리 후 노냉하여 형상기억 특성을 부여한 Ni-Ti 선재(φ1mm)의 인장 실험, 부하-제하(Loading-unloading) 실험 및 인발 실험을 실시하였다.
대상 데이터
- 실험에 사용된 Ni-Ti 형상기억합금 선재의 화학적 조성은 Nikel-50.0at%, Titanium-50.0at%이다. 초기 오스테나이트 상태의 형상기억합금은 외부 하중에 의해 마르텐사이트로 변화되면서 상변태 변형률을 가진다[8].
- 10 은 실험에 사용된 인발기(1ton, 50mm/s)를 나타내었다. 인발 다이의 소재는 다이아몬드이고, 선재와 금형의 마찰 감소를 위해 고체윤활제인 스테아르산 나트륨을 사용하였다.
데이터처리
- 본 연구에서 제시한 Ni-Ti 형상기억합금의 변형거동을 모사할 수 있는 해석 모델의 타당성을 검증하기 위해 인발공정에 대하여 성형해석을 실시하였다. Fig.
- 유한요소해석에 적용할 뮬린스 효과 모델의 재료상수 값을 결정하기 위해 부하-제하 해석을 실시하여 실험과 동일한 형상회복거동을 나타내는 r, m, β를 도출하였다. 변형률이 0.
이론/모형
- 따라서 본 연구에서는 Hyper-elastic 모델에 응력-변형률 완화 현상을 모사할 수 있는 뮬린스 효과(Mullins effect)를 결합한 유한요소해석 모델을 이용하여 Ni-Ti 형상기억합금 선재의 변형 및 형상회복 거동을 예측하였다. Hyper-elastic 모델을 통해 Ni-Ti 선재의 인장변형거동을 모사하고, 선재의 형상회복거동은 뮬린스 효과 모델을 사용해 나타내었다. 제안된 유한요소해석 모델의 검증을 위해 450˚C에서 30분간 풀림처리 후 노냉하여 형상기억 특성을 부여한 Ni-Ti 선재(φ1mm)의 인장 실험, 부하-제하(Loading-unloading) 실험 및 인발 실험을 실시하였다.
- Hyper-elastic 및 뮬린스 효과 모델을 결합한 유한요소해석 모델을 이용하여 Ni-Ti 형상기억합금 선재의 인장 및 형상회복 거동을 예측하였다. 앞서 수행한 인장실험 결과인 응력-변형률 선도를 Hyper-elastic 모델의 물성치로 대입하였다.
- 8은 Ni-Ti 형상기억합금 선재 인발 공정의 해석 모델을 나타낸 것이다. 성형해석은 상용 S/W인 ABAQUS를 이용하였으며, 대칭면을 고려하여 1/2 단면에 대하여 수행되었다. 유한요소의 개수는 약 650개이고 최소사이즈는 약 0.
- Hyper-elastic 및 뮬린스 효과 모델을 결합한 유한요소해석 모델을 이용하여 Ni-Ti 형상기억합금 선재의 인장 및 형상회복 거동을 예측하였다. 앞서 수행한 인장실험 결과인 응력-변형률 선도를 Hyper-elastic 모델의 물성치로 대입하였다. 여기서 뮬린스 효과란 초탄성재료가 반복적인 변형 또는 하중이 가해질 때 발생되는 현상으로 재료의 탄성이력 손실로 인해 발생되는 일종의 연화 현상을 의미한다.
성능/효과
- (1) Ni-Ti 형상기억합금의 인장 실험 및 부하-제하 실험 결과, 선재의 초탄성 변형률, 항복응력, 최대 연신율 및 인장강도은 각각 0.074, 750MPa, 20%, 1248MPa 로 나타났다.
- (2) 응력변형률 선도 및 연화비의 비교를 이용하여 뮬린스 효과의 재료 상수인 r, m, β 를 각각 1.4, 3, 0.5 로 정의하였다.
- 6는 유한요소해석에서의 응력-변형률 선도 결과와 Ni-Ti 형상기억합금의 인장실험을 통해 얻은 응력-변형률 선도를 비교하여 나타낸 것이다. Hyper-elastic 모델에 뮬린스 효과를 적용한 유한요소해석의 결과, 변형률이 0.07인 지점까지 상변태 변형률이 나타나는 것과 이후 소성영역에서의 변형거동이 Ni-Ti 형상기억합금의 인장실험 결과와 잘 일치함을 확인할 수 있었다.
- 007mm 의 차이를 보였지만, 형상기억합금 선재를 인발한 후의 형상회복 현상을 모사하고 있다. 따라서 본 연구에서 제시한 해석 모델을 적용할 경우, 인발 후의 변형거동 및 형상회복을 예측할 수 있음을 확인할 수 있다.
- (3) 본 연구에서 제안한 Hyper-elastic 및 뮬린스효과 모델을 결합한 유한요소해석 모델을 직경 1 mm 선재의 인발 공정에 적용하였다. 성형해석과 인발 실험을 수행한 결과, 성형된 선재의 직경은 설계치수인 0.94mm 보다 큰 0.98mm 와 0.973mm 로 나타났다. 이상의 결과로부터 본 연구에서 제시한 해석모델을 적용할 경우, Ni-Ti 형상기억합금의 형상회복을 효과적으로 예측할 수 있을 것으로 사료된다.
- 1인 지점에서 제하한 경우에서도 해석과 실험이 거의 일치하는 결과를 나타내었다. 이를 통해 Hyper-elastic 및 뮬린스 효과 모델을 결합한 유한요소해석 모델이 Ni-Ti 형상기억합금의 소성변형률을 예측하는데 유용함을 확인하였다.
후속연구
- 973mm 로 나타났다. 이상의 결과로부터 본 연구에서 제시한 해석모델을 적용할 경우, Ni-Ti 형상기억합금의 형상회복을 효과적으로 예측할 수 있을 것으로 사료된다.
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