크기효과를 고려한 형상기억합금 미소 외팔보의 구조해석

최재훈(Jae-Hoon Choi),심기동(Gi-Dong Sim) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.4

형상기억합금은 초탄성효과, 형상기억효과 등 독특한 특성 때문에 항공, 자동차, 생체의학 등 다양한 분야에서 각광받고 있다. 최근에는 웨어러블 장치를 위한 마이크로/나노 크기의 센서, 구동기, 제어기 등에 형상기억합금을 활용하고자 하는 연구가 활발히 수행되고 있다[1]. 이에 따라 구조해석을 통해 제품의 거동을 예측하고자 하는 연구도 수행되고 있다[2]. 그런데 마이크로/나노 수준의 형상기억합금은 시편의 크기가 작아짐에 따라 상변태에 필요한 응력이 커지는 것이 관찰되었다[3]. 기존의 해석 방법으로는 이러한 크기효과를 고려할 수 없으며 형상기억합금 마이크로 구조의 정확한 거동 예측을 위해 크기효과를 고려한 새 이론이 필요하다. 본 연구에서는 커플 응력 이론에 기반한 형상기억합금의 해석 기법을 개발하였다. 커플 응력 이론은 구조의 크기가 작아짐에 따라 강성이 커지는 현상을 모사하기 위한 이론이다[4]. 유한요소법과 개발된 이론을 사용하여 외팔보의 굽힘을 해석하였다. 보의 두께가 작아짐에 따라 구조의 굽힘 강성이 커진다. 향후 형상기억합금으로 만들어진 마이크로 구조의 해석에 개발된 이론이 활용될 것으로 기대된다. Shape memory alloys are highlighted in various fields such as aviation, automobiles, and biomedical due to super elasticity and shape memory effect. Recently, studies to utilize shape memory alloys for micro/nano-sized sensors, actuators, and controllers for wearable devices have been actively conducted [1]. Accordingly, studies to predict the structural behavior of devices through computation have been conducted [2]. However, it was observed that the stress required for phase transformation increases as the size of the specimen decreases in the micro/nano-sized shape memory alloy [3]. This size effect cannot be considered by the existing analysis methods, and a new theory considering the size effect is needed to predict an accurate structural behavior of the shape memory alloy. In this study, a theory for shape memory alloys based on the couple stress theory was developed to consider the size effect. The couple stress theory is developed to simulate the phenomenon that the rigidity increases as the size of the structure decreases [4]. The bending of a cantilever beam was analyzed using the finite element method and the developed theory. As the thickness of the beam decreases, the bending rigidity increases. In the future, the developed theory is expected to be utilized in the analysis of microstructures made of shape memory alloys.

형상기억합금을 이용한 가변통기성 지능형의류용 자동개폐장치의 구성방법 연구

김상구(Kim, Sang Gu),유신정(Yoo, Shin Jung) 한국디자인문화학회 2016 한국디자인문화학회지 Vol.22 No.3

온도에 따라 형상이 변하는 형상기억합급(SMA, Shape Memory Alloy)은 주로 냉온수 조절밸브, 전기밥솥 스팀 배출구와 같은 온도감응형 자동 개폐장치나 인공위성 안테나, 수술용 스텐트 등과 같이 온도에 의해 부피조절이 가능한 용도에 사용되어 왔다. 의류제품에는 브레지어 와이어 등을 시작으로 하여 최근에는 환경온도의 변화에 따라 의복면적이나 열차단력, 보온력이 자동으로 변화하는 가변성능 의복의 개발에 응용되기도 한다. 그러나 이러한 형상기억합금의 경우 작동원리가 온도변화에 있으므로 화염이나 극한 추위등의 온도변화에는 적용할 수 있으나 의복 내 습도변화에 대해서는 반응하지 않는다. 본 연구에서는 형상기억합금을 이용하여 운동 시 발한 등과 같이 의복내 습도가 상승하는 상황에서 편의에 의해 의복을 자동 개폐할 수 있는 ‘자동개폐형 가변통기성 의복’을 개발하기 위한 기초연구로, 일방향성 형상기억합금을 응용한 이방향 작동 전기장치의 형태를 고안하고 효과적인 가변 통기성 확보를 위한 개폐 장치를 개발하고자 하였다. 연구는 크게 저전력의 공급으로 형태의 변화가 가능한 형상기억합금의 선정과 의복의 실루엣을 왜곡시키지 않으며 부분적 개폐가 가능한 장치의 고안을 위한 SMA의 형태와 구성방법의 고안으로 이루어졌다. 연구 과정에서 다섯 개의 프로토콜이 제안되었으며 저전력 공급시 전력 효율과 가동범위, 지속력 및 제작의 효율성, 의복 적용에의 적정성이 검토되었다. 연구결과 일방향성 형상기억합금을 사용하여 전력효율이 높고, 작동 범위가 확보된 양방향작동 모듈을 제안하고 바이크용 질렛에 적용해 의복에의 적용가능성을 점검하였다. A shape memory alloy that changes shape with temperature primarily been used in hot and cold water control valve, electric cooker outlet and the steam temperature-sensitive, such as automatic opening and closing device or a satellite antenna, a volume adjustment by the possible use temperature, such as the surgical stent. Recently, clothing apparel product area or train in accordance with the change of environment temperature and the like as a starting beurejieo wire breaking force, this is also applicable to the development of boonryeok variable performance garments to change automatically. However, since the operation principle that the temperature change for such a shape memory alloy can be applied to temperature change, such as flames or extreme cold, but does not respond to changes in humidity within the garment. In this study, the garment by garment convenience in situations where the rise in humidity, such as sweating during exercise in basic research for the development of "automatic resealable variable breathable clothing" that can be automatically opened and closed using shape memory alloy, a directional shape designed in the form of two-way operation, and the application of an electrical device and memory alloy was to develop an effective opening and closing device for securing a variable permeability. Study was conducted to devise a configuration method for the design of the form of SMA does not distort the silhouette of a change in the form of clothing selection and supply of low-power large as possible shape memory alloy device that can be partially opened. Total of five protocols have been designed and their power efficiency, range of motion, shape retension, effeciency of production, and applicability to apparel were screened. As a result, design of a module with one-way shape memory alloy wires was suggested and applicability to apparel was demonstrated.

형상기억합금 비틀림 튜브 작동기의 거동 해석

김준형(Jun Hyoung Kim),김철(Cheol Kim) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集A Vol.34 No.8

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 논문에서는 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 유한요소법으로 풀고 ABAQUS 의 U-MAT 기능을 이용하여 비선형 해석을 수행하였다. 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.

형상기억복합재료의 제조공정 및 신뢰성 평가

이진경,박영철,이규창,최일국,이준현 한국비파괴검사학회 2001 한국비파괴검사학회지 Vol.21 No.6

형상기억복합재료는 복합재료내에 압축잔류응력을 발생시킴으로써 재료의 인장강도를 증가시키는데 사용되어지고 있다. 본 연구에서는 형상기억복합재료를 제조하기 위하여 TiNi 강화재와 A16061 기지재를 사요하였으며 핫프레스 방법에 의해 TiNi/A16061 형상기억복합재료를 제조하였다. 그러나 핫 프레스 방법에 의해 제조된 형상기억복합재료는 하중을 받을시 강화재와 기지재 사이에 계면손상현상이 발생하였으며 이를 위하여 냉간압연을 실시하였다. 냉간압연을 받은 시험편은 냉간압연을 받지 않은 시험편에 비하여 인장강도가 현저히 증가하였다. 또한 본 연구에서는 고온에서 형상기억복합재료의 미시적 손상을 평가하기 위하여 음향방출기법을 이용하였다. Shape memory alloy has been used to improve the tensile strength of composite by the occurrence of compressive residual stress in matrix using its shape memory effect. In order to fabricate shape memory alloy composite, TiNi alloy and Al6061 were used as reinforcing material and matrix, respectively. In this study, TiNi/Al6061 shape memory alloy composite was made by using hot press method. However, the specimen fabricated by this method had the bonding problem at the boundary between TiNi fiber and Al matrix when the load was applied to it. A cold rolling was imposed to the specimen to improve the bonding effect. It was found that tensile strength of specimen subjected to cold rolling was more increased than that of specimen which did not underwent cold rolling. In addition, acoustic emission technique was used to quantify the microscopic damage behavior of cold rolled TiNi/Al6061 shape memory alloy composite at high temperature.

형상기억합금의 휨거동 및 교량변위제어장치적용 연구

최은수,박주남,김학수,이도형 한국지진공학회 2007 한국지진공학회논문집 Vol.11 No.5

본 논문은 형상기억합금 바의 휨 거동 특성 파악하기 위하여 여러 가지의 휨 거동 실험을 수행하였으며, 형상기억합금 바의 휨 거동분석을 통하여 지진 시에 적용 가능성을 규명하는데 목적이 있다. 이를 위해 단순 휨 및 이중 휨 실험을 재하속도 및 최대변위를 변수로 수행하였다. 힘-변위 곡선에서 추정한 재하 및 제하 시의 강성이 추정되었으며, 등가의 감쇠비도 각 실험결과에서 추정되었다. 단순 휨에서 형상기억합금 바는 32 mm 변위 이후에 강성증가현상을 나타냈으며, 이것은 SIM(Stress-Induced-Martensite) 현상에 의해서 발생하는 것으로 추정된다. 재하속도의 증가는 형상기억합금 휨 강성 증가에 영향을 주지 않는 것으로 나타났다. 이중 휨 거동에서 형상기억합금 바는 단순 휨에 비해 강성이 약 5배정도 크게 나타났으며, 감쇠비는 유사하게 나타났다. 휨 거동의 형상기억합금 바를 지진 변위 제어장치로 사용하여 3경간 단순지지 교량에 적용하여 지진해석을 수행하였다. 이러한 지진변위 제어장치는 매우 효과적인 것으로 나타났으며, 실용적인 것으로 판단된다. 본 논문의 의미는 형상기억합금 바의 휨 거동에 대한 기초 지식을 제공하는데 있다. The goal of this study is to perform several bending tests on a shape memory alloy bar and to analyze the characteristics of the bending behavior. The other goal is to verify the seismic performance of an SMA bar bending application. Single and double bending tests were conducted with varying loading speeds and maximum displacement. The loading and the unloading stiffness were estimated from the force-displacement curves and the equivalent damping ratio of each test was also assessed. In single bending, the SMA bar showed the stiffness hardening after the displacement of 32 mm. It is assumed that this phenomenon is due to the stress-induced-martensite hardening. The increasing loading speed did not influence on the stiffness of the single bending SMA bar. The stiffness of the double bending bar is about 5 times of that of the single bending. This study introduced a seismic application of SMA bending bars as seismic restrainers for bridges and showed its practicality. SMA bars in bending are used for seismic restrainers in a three-span-simply-supported bridge. They showed the effectiveness to reduce the responses of the bridge and the applicability for a seismic restrainer. The significance of this study is to provide basic knowledge of SMA bending and its seismic applications.

양방향 형상기억 선형 작동기의 실험적 연구

유영익(Youngik Yoo),이정주(Jungju Lee) 한국자동차공학회 2009 한국자동차공학회 학술대회 및 전시회 Vol.2009 No.11

본 연구에서는, NiTi 선형 작동기를 개발하기 위해 Ni-54.5 at.% Ti 합금의 양방향 형상기억효과를 실험적으로 연구하였다. 양방향 형상기억효과는 4가지의 연속적인 과정으로 구성된 압축 하중 사이클에 의해 유도 되었다: (1) 최대 변형까지 하중을 부하; (2) 제하; (3) 가열; (4) 냉각. 같은 외경을 갖고 있는 6가지의 시편 (실린더형 1개, 튜브형 5개)이 양방향 형상기억변형률과 양방향 회복력을 얻기 위해 사용되었으며, 각각의 작동기성능을 평가하였다. 양방향 형상기억 변형률은 최대 변형이 같을 때 7~8번의 사이클 후에 수렴하는 경향을 보였으며, 최대 변형 7%에서 양방향 형상기억 변형률은 시편의 형상에 관계없이 최대 값을 보였다. 양방향 형상기억 변형률과 양방향 회복력은 각각 최대 변형과 양방향 형상기억 변형률의 함수로 비례하여 증가하였으며 시편의 형상은 양방향 회복력에 영향을 주었다. 결론적으로, 본 연구에서 사용된 형상기억합금은 일방향 형상 기억효과에 의한 것과 마찬가지로 양방향 형상기억 효과에 의해 충분한 회복력을 발생시킬 수 있으며 일방향보다 쉽게 작동기에 적용할 수 있음을 보여주었다.

형상기억합금을 이용한 복합재료 구조물의 저속충격특성 향상

김은호(Eun-Ho Kim),임미선(Mi-Sun Rim),이인(In Lee),김형원(HyungWon Kim) 한국추진공학회 2009 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2009 No.11

복합재료 구조물의 충격 특성을 향상시키기 위해 형상기억합금을 삽입한 복합재료 평판의 충격실험을 수행하였다. 형상기억합금은 일반 금속 재료에 비해 큰 극한 변형율과 강도를 가질 뿐 아니라 변형시에 상변화를 통해서 많은 변형에너지를 흡수할 수 있는 특징을 가진다. 이러한 형상기억합금을 복합재료에 삽입하여 충격에 약한 복합재료의 충격 저항성을 향상시키기 위한 연구를 수행하였다. 먼저 여러 온도에서 형상기억합금의 인장실험을 수행하여 형상기억합금의 열-기계학적 특성을 파악하였다. 이후 형상기억합금, 철, 알루미늄 선을 삽입한 복합재료 평판의 충격 실험을 통하여 보강재에 따른 충격 특성을 파악하였다. 또한 형상기억합금의 두께 방향으로의 삽입위치에 따른 충격 특성을 파악하였다. Impact resistance of shape memory alloy hybrid composite(SMAHC) plates were experimentally investigated. Shape memory alloy(SMA) have large failure strain and failure stress and can absorb large strain energies through phase transformation. SMA wires were embedded in composite plates to improve their weak impact resistance. Tensile tests of SMA wires were performed at various temperature to investigate their thermo-mechanical properties. Low-Velocity impact tests of several types of composite plates with SMA/Al/Fe were performed. Embedding SMA wires was most effective to improve impact resistance of composite plates. The effects of SMA position on impact resistance were also investigated.

스마트 웨어러블용 NiTi계 선형 형상기억합금을 이용한 소프트 텍스타일 액추에이터 제작 및 동적 특성 측정

김상운 ( Sang Un Kim ),김상진 ( Sang Jin Kim ),김주용 ( Jooyong Kim ) 한국의류학회 2020 한국의류학회지 Vol.44 No.6

In this study, the soft textile actuator is produced for a smart wearable with the shape memory effects from linear shape memory alloys of Nickel and Titanium using the driving force through the fabrication process. The measurement model was designed to measure dynamic characteristics. The heating method, and memory shape of the linear shape memory alloy were set to measure the operating temperature. A shape memory alloy at 40.13℃, was used to heat the alloy with a power supply for the selective operation and rapid reaction speed. The required amount of current was obtained by calculating the amount of heat and (considering the prevention of overheating) set to 1.3 A. The fabrication process produced a soft textile actuator using a stitching technique for linear shape memory alloys at 0.5 mm intervals in the general fabric. The dynamic characteristics of linear shape memory alloys and actuators were measured and compared. For manufactured soft textile actuators, up to 0.8 N, twice the force of the single linear shape memory alloy, 0.38 N, and the response time was measured at 50 s.

NiTi-형상기억합금 차동식 액츄에이터의 동특성연구

정상화,김현욱,장우양,김경석,차경래,나윤철 朝鮮大學校 機械技術硏究所 2001 機械技術硏究 Vol.4 No.2

최근 전 세계적으로 초소형 정밀 기계 기술에 관한 연구 및 개발이 활발하게 이루어지면서 형상기억합금(Shape Memory Alloy : SMA)을 이용한 초소형 액츄에이터(Micro Actuator)에 관한 관심이 증대되고 있다. 형상기억합금을 액츄에이터에 응용하기 위해서는 동적 특성의 분석이 필수적이지만 지금까지의 연구에서는 형상기억합금의 물질 및 재료적 특성은 많이 보고되고 있으나 동적 특성에 대한 연구는 매우 부족한 실정이다. 본 논문에서는 비저항(resistivity)이 큰 NiTi합금 와이어(wire)를 이용하여 나선형 스프링(helical spring)을 제작하여 디지털 힘 측정기(Digital force gauge)와 적외선 온도센서(Infrared themometer) 그리고 레이저 변위 센서(Laser displacement sensor)를 이용하여 이 NiTi 스프링의 힘의 크기와 반응속도, 온도와 변위를 측정하여 형상기억합금의 동적 특성을 분석하였다. 또한 형상기억합금을 이용하여 차동식 액츄에이터를 제작하여 그 동적 성능을 실험하였다. In the recent years, as the research and the development of micro and precision machinery become active, the interest of micro actuators using SMA(Shape Memory Alloy) has been increased. The dynamic characteristic analysis of SMA is necessary for actuator application and many common researches report the material characteristics of SMA sufficiently. However, the research on dynamic characteristics is very deficient. In this paper, the helical spring are fabricated with NiTi SMA wire of high resistivity. The force, response speed, temperature, and displacement are measured by digital force gauge, infrared thermometer, and laser displacement sensor so that the dynamic characteristics of this SMA is analyzed. Also, bidirectional actuator was fabricated and experimented for its performance.

형상기억합금 비틀림 튜브 작동기의 거동 해석

김준형(Jun Hyoung Kim),김선명(Seon Myeong Kim),김철(Cheol Kim) 대한기계학회 2010 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2010 No.3

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 논문에서는 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 유한요소법으로 풀고 ABAQUS의 U-MAT기능을 이용하여 비선형 해석을 수행하였다. The shape memory alloy (SMA) is smart materials. The SMA unique characteristics producing large force and displacement can be used for many applications such as an actuator, an active structure-acoustic controller, dynamic tuning, and shape control. A SMA torque tube actuator consisting of SMA tubes and superelastic springs is proposed and behaviors of the actuator are investigated. From heat transfer analysis it is proved that the performance of the SMA tube actuator with both resistive heating of SMA itself and a separate normal heating rod in the tube core is much improved. The behavior of an actuator system was analyzed by contact analysis and the twisting motion was noticed in the actuation check. 3D SMA nonlinear constitutive equations was formulated numerically and implemented by U-MI\T of ABAQUS with a nonlinear analysis.