유한요소법을 이용한 형상기억합금 작동기의 3차원 거동 해석

Abstract

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 의해여 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.