Compared to traditional mechanical systems, inflatable structures have the advantage of a much lower cost, weight, and packaging volume as well as more favorable thermal gradient and damping characteristics. However, inflated membrane space structures are faced with many challenges, particularly the need to achieve and maintain precise shape. So the reliable maintenance of the surface precision during the mission life is one of the most important technologies for the demonstration of inflatable structures.
In this research, the methodology for maintaining the surface configuration of the inflatable structure using shape memory alloy (SMA) thin film actuators is numerically demonstrated. For the understanding of the nonlinear characteristics of the inflated membrane structures, the numerical algorithm of wrinkling based on Miller-Hedgepeth membrane theory is developed using user material (UMAT) subroutine. Wrinkled area and deformed shape of the inflated membrane structure are investigated by using ABAQUS with UMAT subroutine of wrinkling algorithm. Experiments of inflated cylindrical beam made by Tedlar film are conducted to obtain the load deflection curves at different pressure levels. The wrinkled deformed shape and deflection of inflated cylindrical beam are investigated. To investigate the thermomechanical behaviors of SMAs as an actuator, the numerical algorithm of the 3-D SMA constitutive equations based on Lagoudas model is developed using user material (UMAT) subroutine. For the numerical results, the ABAQUS finite element program has been utilized with UMAT subroutine of the numerical algorithm of SMAs. For the application of thin film of SMA actuator, the general expression of 3-D SMA constitutive equations is modified as plane stress condition. New concept parameters related with thermodynamic energy equation are introduced to describe the specific behaviors of SMA thin film. Thermomechanical behaviors of Ni-Ti shape memory alloy (SMA) ribbon are experimentally and numerically investigated. The evolution of stress-strain curves with different annealing temperatures is observed. To characterize the temperature-induced transformation, differential scanning calorimeter (DSC) is applied. Based on the experimental data, numerical algorithm of SMA is modified and developed and the numerical results are compared with experiments. For the development of methodology to correct local aberrations in the shape of the inflated membrane structures, the interactions between the inflatable structure and SMA thin film actuator are investigated. For the surface configuration control, two inflatable membrane structures such as inflatable boom and reflector are demonstrated. It is also found that the thin film actuator of SMA is very effective to maintain the accurate surface.
팽창형 막 구조물은 일반적인 기계적 시스템에 비하여 매우 적은 비용, 무게 그리고 체적 뿐만 아니라 우주 환경에 적절한 열팽창 그리고 댐팽(damping) 특성을 가지고 있다. 이런 구조물은 매우 적은 무게와 부피로 패킹(packing)이 가능하고 결과적으로 발사체의 요구 무게 및 부피를 줄여주어 전체적인 우주 개발 비용을 상당히 줄여줄 수 있는 장점이 있다. 또한 우주구조물 전개(deployment)의 복잡성을 줄여주어 구조물 시스템의 신뢰성을 증가시키기 때문에 팽창형 막 구조물은 일반적인 기계적 전개식 구조물을 대체할 우주구조물로서 매우 큰 장점을 가지고 있다. 하지만 매우 얇은 재료로 구성된 팽창형 막 구조물은 무게가 가볍다는 장점대신 기계적인 지지 구조물의 부재로 인한 내압, 복사열, 주름(wrinkling) 그리고 경계조건의 조그만 변화에도 쉽게 구조물의 급격한 형상 변화가 나타 날 수 있다. 따라서 구조물의 임무 수행 동안 표면의 정확한 형상을 유지하는 것은 팽창형 막 구조물 개발에 매우 중요한 기술이라 할 수 있다.
본 연구에서는 팽창형 구조물의 정확한 표면 형상을 유지시키기 위하여 SMA thin film 작동기를 이용한 방법 연구를 수행하였다. 주름 해석 알고리즘을 적용한 유한요소해석을 통하여 팽창형 원통형 빔 구조물의 내압에 따른 비선형 특성을 실험 결과와 비교 검증하였다. 작동기로서 형상기억합금(SMA)의 열기계적 특성을 살펴 보기 위하여 Lagoudas 모델을 기본으로 2-D SMA 해석 알고리즘을 개발하여 SMA thin film 작동기의 열기계적 성능 예측에 적용하였다. 또한 Ni-Ti SMA ribbon의 열기계적 특성을 실험적으로 살펴보았고 개발된 해석 알고리즘을 적용하여 비교 검증 연구를 수행하였다.팽창형 붐(boom) 및 팽창형 반사경(reflector)의 정확한 형상 유지를 위한 SMA thin film 작동기의 효율성 및 최적설계의 필요성을 제시하였다.
본연구의 결과를 간략히 정리하면 다음과 같다.
1) 팽창형 원통형 빔 구조물을 수치적으로 모델링 할 때 주름 해석 알고리즘을 적용한 막(membrane) 요소로 모델링한 경우 내압에 따라 구조물의 변형 특성이 실험결과와 잘 일치함을 알 수 있었다. 하지만 기하학적 비선형성을 고려한 쉘(shell) 요소로 모델링한 경우 팽창형 원통형 구조물의 비선형 특성을 예측하는데 어려움이 있었다. 팽창형 원통형 구조물은 내압 뿐만 아니라 slenderness ratio(2L/D)에도 구조물의 비선형 특성이 결정이 된다. 따라서 구조물의 slenderness ratio에 따라 수치적인 모델링을 고려하여 해석을 수행해야 한다.
2) SMA 작동기는 구조물의 형상을 제어할 만한 충분한 작동력을 발생하지만, OWSME (One-Way Shape Memory Effect) 특성을 가지는 SMA 작동기를 이용하여 탄성 구조물의 반복적인 형상 제어 수행에는 어려움이 존재하였다. 따라서 반복적인 적응 구조물의 개발을 위해서는 TWSME (Two-Way Shape Memory Effect) 특성을 가지는 SMA 작동기의 개발과 주 구조물과의 연계 그리고 상호영향 해석이 필수적이라 할 수 있다.
3) SMA thin film 작동기로의 열기계적 특성 연구를 위하여 2-D SMA 해석 알고리즘을 개발하였고 실험결과와 비교 검증하였다. SMA 작동기의 독특한 특성을 모델링 하기 위하여 thermodynamic energy식과 관련된 새로운 매개 변수를 제시하였다.
4) Ni-Ti SMA ribbon 작동기의 열기계적 특성 연구를 실험적 그리고 수치적으로 수행하였다. 열처리에 따른 Ni-Ti SMA 열기계적 특성 변화를 제시하였고, 이에 따른 독특한 특성 변화를 모델링하기 위하여 새로운 매개 변수를 제시하였다.
5) SMA thin film 작동기를 이용한 팽창형 막 구조물의 표명 형상을 유지하기 위한 방법론을 수치적으로 제시하였다. SMA think film 작동기를 팽창형 막 구조물 표면에 부착하여 효과적으로 변형 및 표면 형상을 제어할 수 있었다. 하지만 과도한 SMA의 복원 변형에 의하여 초기 형상으로부터의 과도한 offset 및 주름 발전 현상이 유발되었다. 따라서 효과적으로 SMA 작동기를 이용하기 위해서는 팽창형 구조물의 내부 압력 및 외부 온도 환경을 고려하여 SMA thin film 작동기의 초기 조건을 결정해야 하는 최적 설계 과정이 필요하다.
