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유한 요소 해석을 이용한 Tetra Chiral Honeycomb 구조의 등가 물성치에 대한 연구
Study on equivalent material property of Tetra Chiral Honeycomb structure using finite element method 원문보기

EDISON SW 활용 경진대회 논문집. 제5회(2016년), 2016 Mar. 22, 2016년, pp.190 - 194  

박정훈 (한국과학기술원 기계공학과)

초록
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자연에서 안정적이고 경제성이 높은 구조로 벌집 구조가 많이 언급이 된다. 이러한 벌집 구조의 특징으로 인해 많은 공학자들이 그 구조를 모방하여 적용하고 있다. 벌집 구조에도 다양한 종류가 존재하지만 그 중 음의 푸아송 비(Poisson's ratio)를 갖는 Chiral Honeycomb 구조가 많이 연구되고 있다. 푸아송 비는 물질이나 구조의 고유한 물성치로 종, 횡 방향의 변형율로 나타내며 이 값으로 외부 조건으로부터의 변형을 예측 할 수 있게 된다. 흔히 푸아송 비는 양의 값을 가지지만 Chiral Honeycomb 구조는 음의 푸아송 비를 가져 기존의 구조와는 다른 기계적 성질을 가지게 된다. 이 논문에서는 Chiral Honeycomb 구조 중에서도 4개의 관절(ligament)를 가지는 Tetra Chiral Honeycomb 구조에 대해 EDISON용 CASADsovler 프로그램을 통해 유한 요소 해석을 수행하여 등가 물성치를 구해 보았으며 기존 실험의 값들과 비교를 통해 해석을 위해 필요한 적절한 대표 체적에 대해 확인해 보았다.

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구는 기존의 일반적인 Honeycomb 구조와 다른 Tetra Chiral Honeycomb 구조의 유한 요소 해석을 통한 등가 물성치를 계산해 보았다. 또한 Tetra Chiral Honeycomb 구조는 많은 원들과 관절들이 반복적으로 배치되어 있고 동시에 대칭적인 구조를 가지고 있으므로 구조의 적절한 해석을 위해 필요한 다양한 대표 체적들에 대해서도 연구해 보았다. 대표 체적은 Tetra Chiral Honeycomb 구조의 원들의 수에 따라 총 3가지의 모델들로 구상하였으며 이러한 각 모델들을 하나의 정사각형으로 정의 하여 해석을 실시하였다.
  • 본 연구에서는 음의 푸아송 비를 가지는 Chiral Honeycomb 구조 중 하나의 원(Node)에서 네 개의 관절(ligament)이 뻗어 나가는 Tetra Chiral Honeycomb 구조의 등가 물성을 도출하여 보고자 한다. 또한 등가 물성 도출 시 필요한 다양한 대표 체적들 중 기존의 실험값들(ALDERSON, Andrew, ALDERSON, K.L., ATTARD, D., EVANS, K.E., GATT, R., GRIMA, J.N., MILLER, W., RAVIRALA, N., SMITH, C.W. and ZIED, K 2009)과 본 연구에서 구한 등가 물성 값들과 비교를 통해 가장 적절한 대표 체적 모델에 대해서도 알아보고자 한다.
  • 본 논문에서는 음의 푸아송 비를 가지는 Chiral Honeycomb 구조 중 하나의 원(Node)에서 4개의 관절이 뻗어 나가는 Tetra Chiral Honeycomb 구조의 분석적인 해로 존재하지 않는 등가 물성치를 구하기 위해 유한 요소 해석을 실시하였으며 이를 위해 여러 가지의 대표 체적을 정의하고, 각 대표 체적들의 등가 물성치의 도출을 통해 어떤 대표 체적이 가장 타당한지 고찰한다.
  • 본 연구는 기존의 일반적인 Honeycomb 구조와 다른 Tetra Chiral Honeycomb 구조의 유한 요소 해석을 통한 등가 물성치를 계산해 보았다. 또한 Tetra Chiral Honeycomb 구조는 많은 원들과 관절들이 반복적으로 배치되어 있고 동시에 대칭적인 구조를 가지고 있으므로 구조의 적절한 해석을 위해 필요한 다양한 대표 체적들에 대해서도 연구해 보았다.
  • 본 연구에서는 음의 푸아송 비를 가지는 Chiral Honeycomb 구조 중 하나의 원(Node)에서 네 개의 관절(ligament)이 뻗어 나가는 Tetra Chiral Honeycomb 구조의 등가 물성을 도출하여 보고자 한다. 또한 등가 물성 도출 시 필요한 다양한 대표 체적들 중 기존의 실험값들(ALDERSON, Andrew, ALDERSON, K.

가설 설정

  • Tetra Chiral Honeycomb 구조의 유한 요소 해석을 위해서는 모델의 크기(Geometry)나 반복 구조의 배치(Configuration)를 적절하게 제한시킬 필요가 있다. 본 연구에서는 반복 대칭적인 Tetra Chiral Honeycomb 구조를 하나의 연속체(Continuum)로 이루어져 있다고 가정하고 마주보고 있는 관절들 사이의 거리를 한 변으로 하는 하나의 정사각형으로 대표 체적으로 정의 하였다. 외부 압축 응력에 의해 Tetra Chiral Honeycomb 구조가 얻게 되는 변형에너지는 연속체로 구성된 하나의 정사각형이 갖는 변형에너지로 변환 될 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
음의 푸아송 비를 가지는 구조는 어떤 특징을 갖는가? 음의 푸아송 비를 가지는 Chiral Honeycomb 구조는 양의 푸아송 비를 가지는 기존의 벌집 구조보다 더 향상된 기계적, 물리적 성질을 가지게 된다. 그 예들 중 하나로 음의 푸아송 비를 가지는 구조는 전단 탄성 계수(Shear Elastic Modulus)가 체적 탄성 계수(Bulk Elastic Modulus)보다 더 큰 값을 가지게 된다. 이는 그 구조가 부피 변화에는 쉽지만 전단 응력에 의한 구조의 변화는 잘 나타나지 않아 전단 응력의 항복 및 파손이 덜 일어난다는 것을 말해준다.
Honeycomb Structure는 어떤 특징을 갖는가? 자연의 벌들의 집들에서 유래된 벌집 구조(Honeycomb Structure)는 항공 우주 및 자동차 산업 분야에서 강하고 가벼운 합성물 구조를 위해 널리 이용되고 있다. 벌집 구조는 속이 빈 구조로 힘이 쉽게 분산되는 구조여서 견고하고 안정적이며 최소한의 재료로 최대한의 공간을 확보 할 수 있는 특징을 가지고 있다. 또한 벌집 구조는 충격에 의한 충격 에너지를 잘 흡수 할 수 있는 특징을 가지고 있어 많은 공학 분야에 쓰이고 있다. 이러한 벌집 구조 중 Chiral Honeycomb 구조는 음의 푸아송 비(Negative Poisson’s Ratio)를 가질 수 있다는 것이다.
Chiral Honeycomb 구조는 어떤 특징을 갖는가? 5 사이의 값을 가지게 된다. 음의 푸아송 비를 가지는 Chiral Honeycomb 구조는 양의 푸아송 비를 가지는 기존의 벌집 구조보다 더 향상된 기계적, 물리적 성질을 가지게 된다. 그 예들 중 하나로 음의 푸아송 비를 가지는 구조는 전단 탄성 계수(Shear Elastic Modulus)가 체적 탄성 계수(Bulk Elastic Modulus)보다 더 큰 값을 가지게 된다.
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