크기효과를 고려한 형상기억합금 미소 외팔보의 구조해석

국문 초록 (Abstract)

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.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

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.