기계적 결합을 통한 창틀 모양 쌍안정 구조의 구현과 형상 해석

Abstract

쌍안정 구조는 두 가지 형상에서 안정적 상태를 유지할 수 있다는 특징과 에너지 효율 측면의 장점 덕분에 항공기, 생체모방, 에너지 수확 등의 여러 분야에서 각광받고 있다. 기존의 연구들은 적층 복합재를 통해 쌍안정성을 구현해왔다. 이와 달리, 본 연구는 쌍안정 구조를 구현하는 새로운 방법을 제안한다. 긴 변 방향으로 굽어 있는 직사각형 패널 4개를 기계적 결합으로 연결하여 창틀 모양 쌍안정 구조를 형성하였다. 제안되는 방법은 기존의 적층 복합재를 만드는 방법보다 비교적 간단하게 쌍안정 구조를 구현할 수 있고 사용 재료의 폭도 넓다는 장점들을 가진다. 제작 과정과 형성된 창틀 모양 구조의 쌍안정성이 유한요소해석(FEA) 프로그램인 Abaqus를 통해 잘 구현되었다. 또한 본 연구에서 제안된 창틀 모양 구조가 쌍안정성을 띄는 원리를 고찰해보았다. 추가로 많은 시뮬레이션을 통한 매개변수 해석 (parameter study)을 수행함으로써, 창틀 모양 구조의 여러 설계변수들의 최종 쌍안정 형상에 대한 영향력을 알아보았다. 그 결과, 창틀 모양 쌍안정 구조에서 주 곡률은 창틀 변의 길이와 폭에 대해 거의 무관하지만, 보조 곡률은 창틀 변의 길이가 길고 폭이 좁을수록 큰 값을 가진다. 초기 곡률이 클수록 그리고 사용 재료의 탄성 계수가 작을수록 쌍안정 형상의 곡률들이 큰 값을 가진다.

The bistable structure has two stable shapes, and it has advantages of energy efficiency. Due to these features, the bistable structure is in the spotlights in many fields such as the airplane wing, biomimetics, and energy harvesting area. Previous researches have realized the bistability only by making laminates. On the other hand, this research proposes a method realizing bistability. The window-frame-shaped bistable structure is formed by mechanically connecting four rectangular panels bent in the long side direction. The proposed method has advantages that it could realize bistability relatively easily and the range of materials is wider. The manufacture process and two stable shapes of the window-frame-shaped structure was well realized using Abaqus, FEA program. By performing parameter studies through many simulations, the influence of many design variables on the exact bistable shapes of the window-frame-shaped structure was considered. As a result, the main curvature is almost independent of length and width of the window-frame side. As the length of the side is longer and the width is narrower, the sub curvature has a larger value. Both main and sub curvatures are proportional to the initial curvature and inversely proportional to the elastic modulus of the material used.