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유한요소법을 이용한 형상기억합금 작동기의 3차원 거동 해석 = 3-dimensional behavoior analysis of shape memory alloy actcuator using finite element method
서명 / 저자 유한요소법을 이용한 형상기억합금 작동기의 3차원 거동 해석 = 3-dimensional behavoior analysis of shape memory alloy actcuator using finite element method / 김영진.
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2007].
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초록정보

The explosive separation device has considerable risks such as vibration, pollution, etc. Recently, there are many researches concerned with non-explosive using shape memory alloy (SMA) to solve these problems. SMA is a metal alloy that remembers its geometry. When SMA has been deformed largely, it recovers its original geometry by heating (shape memoryeffect) or, at higher temperatures, simply by unloading (pseudo-elasticity or super-elasticity). These extraordinary characteristics are due to a temperature-dependent and stress-dependent martensitic phase transformation between martensite phase and austenite phase. For this reason, the stress-strain and the thermal relation of SMA must be analyzed to use SMA actuator for non-explosive separation device. However, it is difficult to simulate the mechanical performance of SMA using conventional analysis program. Therefore, in this study, it is explained that the newly developed analysis program based on 1-D Brinson model which can analyze both stress-strain and thermal characteristics of SMA including the recovery forces and the temperature distribution. In Brinson model, a martensite fraction is the most important factor which determines Young's modulus. During investigating 1-D Brinson model, it is found that Brinson model does not agree with the real phase state of SMA in some temperature and stress ranges. Therefore, a modified Brinson model is suggested. Based on modified Brinson model, the newly developed analysis program is implemented to ABAQUS User Material subroutine (UMAT) for finite element analysis of SMA. This program using ABAQUS UMAT can be applied to 2-D as well as 3-D analysis. And, it is used the Von Mises equivalent stress and equivalent phase transformation strain to determine phase transformation in 2-D and 3-D. And then, the numerical simulation and the experiment are performed to validate the accuracy of this analysis program. The results show that this analysis program can calculates the recovery forces and the temperature distribution to design the SMA actuator for non-explosive separation device. Finally, SMA actuator analysis is performed using ABAQUS. And the recovery forces and the temperature distribution are calculated.

분리 장치는 기존의 폭발식 장치를 사용할 경우 위험하고 진동 및 오염원의 발생 등 여러 문제점이 있었다. 이 문제점의 해결을 위해서 분리 장치를 형상기억합금을 이용한 비폭발식으로 대체하기 위한 연구가 많이 진행되고 있다. 형상기억합금은 고유의 형상을 기억하는 금속이다. 형상기억합금은 크게 변형이 되었을 때 온도가 올라가게 되면 본래의 형상을 회복하게 되는 형상기억효과와 고온의 경우에 단순히 응력을 제하여 주는 것만으로 큰 히스테리시스를 보이며 원래의 형상으로 돌아오는 초탄성 효과 두 가지의 특징을 지닌다. 이런 형상기억합금은 응력과 온도 모두의 영향을 받는 상변태에 의해 비선형 거동을 보이기 때문에 기존의 해석 툴로서는 해석이 불가능하고, 형상기억합금의 두 가지 특성 모두를 모사하기도 힘들다. 따라서, 본 연구에서는 1차원 Brinson model을 바탕으로 형상기억효과에 의해서 생기는 회복력과 온도 분포까지 해석이 가능한 프로그램을 만들어 온도 분포와 응력-변형률 관계를 해석해 보고자 하였다. Brinson model에서는 마르텐사이트 분율이 탄성계수를 결정하여 주는 중요한 요소인데, 일부 온도-응력 구간에서 마르텐사이트 분율 값에 오차가 있는 것을 확인 하였고, 이에 따라 수정된 Brinson model을 사용한다. 이 수정된 Brinson model을 바탕으로 ABAQUS user material에 프로그램 코딩을 하여 유한요소해석을 수행하였다. 1차원 구성식을 바탕으로 한 수정된 Brinson model을 통하여 2차, 3차원에서 상변태 여부를 확인하고 해석해주기 위해 Von-Mises equivalent stress와 equivalent phase transformation strain을 이용하였다. Abaqus에서 2차원, 3차원 요소를 이용하여 해석을 한 후, 수치해석 결과와 실험 결과와 비교하여 프로그램이 정확히 작동하고 있음을 검증하였다. 완성된 프로그램을 바탕으로 실제 작동기의 회복력과 온도 분포를 구하여 설계에 적용할 수 있도록 한다.

서지기타정보

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청구기호 {MME 07015
형태사항 vi, 73 p. : 삽화 ; 26 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Young-Jin Kim
지도교수의 한글표기 : 이정주
지도교수의 영문표기 : Jung-Ju Lee
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 기계공학전공,
서지주기 참고문헌 : p. 33-35
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