KR102147603B1 - 형상기억합금 링을 이용한 댐퍼 - Google Patents

형상기억합금 링을 이용한 댐퍼 Download PDF

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최은수
하윤규
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홍익대학교 산학협력단
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    • F16F2224/0258—Shape-memory metals, e.g. Ni-Ti alloys

Abstract

좌굴을 고려하지 않고 인장-압축 거동을 할 수 있고, 큰 복원력과 감쇠효과를 가지며, 인장과 압축에서 대칭 거동을 보이고, 구조가 복잡하지 않아서 만들기 쉽고, 인장과 압축 모두에서 댐핑 성능 및 복원성능을 제공하므로 다양한 구조물에 사용될 수 있는 댐퍼가 개시된다. 상기 댐퍼는 제1부재와 제2부재 상호간에 작용하는 힘을 완충하여 주기 위한 댐퍼에 있어서, 상기 제1부재와 상기 제2부재 사이에 설치되어 상기 제1부재와 상기 제2부재 상호간의 상대적인 이동에 따라 상기 제1부재와 상기 제2부재로부터 힘을 받아 압축되거나 신장되었다가 상기 제1부재와 상기 제2부재에 복원력을 제공하는 형상기억합금 링을 포함하는 구성을 한다.

Description

형상기억합금 링을 이용한 댐퍼{Damper using one or more rings made of shape memory alloy}
본 발명은 댐퍼의 개선에 관한 것으로, 특히 형상기억합금을 이용한 댐퍼의 개선에 관한 것이다.
형상기억합금(Shape Memory Alloy, SMA)은 좋은 변형률 회복능력을 가지고 있기 때문에 토목구조물의 내진장치나 면진장치의 성능 향상에 많이 사용되고 있다. 형상기억합금이 초탄성 특성을 나타내는 오스테나이트(Austenite) 상태에서는 하중을 제거하는 과정에서 복원력이 발생한다. 이는 22.9℃보다 온도가 높을 때 발생한다. 마르텐사이트(Martensite) 상태에서는 열을 가해서 오스테나이트 상태로 돌아갈 때 복원력이 발생한다.
토목분야에서 구조물의 지진에 대한 거동특성을 개선하기 위해서 형상기억합금은 와이어 또는 봉의 형태로 이용되고 있다.
와이어는 특성상 인장에 대해서만 적용이 가능하다.
봉의 형태로 적용된 일례로는, 공개번호 10-2009-0085408호(발명의 명칭: 형상기억합금을 이용한 교량받침, 발명자: 조재열 외 1, 이하, "선출원 발명"이라 함)의 공개특허공보에 개시된 것이 있다. 선출원 발명은 면진장치의 상판과 하판을 형상기억합금 재료로 이루어진 기둥으로 연결하여 구조물의 거동에 대한 에너지 흡수 내지 소산 기능과 거동 후의 복원력을 강화하는 한편 면진 기능을 새롭게 부여하거나 향상시키는 것을 목적으로 하고 있다.
선출원 발명에서 이용되는 봉 형태의 형상기억합금은 인장과 압축에 모두 적용이 가능하나 압축의 경우 좌굴의 위험성 때문에 길이를 제한하거나 길이가 길어지는 경우 중간 부분을 고정해야하는 문제가 발생한다. 학술논문에서는 약 2m의 형상기억합금 봉을 인장과 압축 방향에 대해서 댐퍼로 사용할 수 있다고 언급하고 있으나, 이러한 압축에 의한 좌굴문제를 해결해야 하고, 피-델타(P-delta) 효과에 의해 비대칭 거동을 보인다는 단점이 있다.
봉 형태의 형상기억합금은 순수한 휨 거동에서만 대칭 거동을 보이며, 구조물에 적용하기 어렵다는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 형상기억합금을 이용하면서도 큰 압축력 작용에 의한 좌굴문제를 해결할 수 있는 댐퍼를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 형상기억합금을 이용하면서도 인장 및 압축(신장 및 수축)의 양 방향으로의 댐핑 능력이 뛰어난 댐퍼를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 형상기억합금을 이용하면서도 인장과 압축(신장과 수축)에서 대칭 거동을 보이는 댐퍼를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 구조가 복잡하지 않고 인장 및 압축(신장 및 수축)의 양 방향으로의 댐핑 능력이 뛰어나서 구조물 적용성이 뛰어난 댐퍼를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 댐핑 특성 조정이 용이하고 다양한 특성으로 만들 수 있는 댐퍼를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 인장 및 압축(신장 및 수축) 시에도 대칭 거동을 나타내는 댐퍼를 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 형상기억합금 링을 이용한 댐퍼는 제1부재와 제2부재 상호간에 작용하는 힘을 완충하여 주기 위한 댐퍼에 있어서, 상기 제1부재와 상기 제2부재 사이에 설치되어 상기 제1부재와 상기 제2부재 상호간의 상대적인 이동에 따라 상기 제1부재와 상기 제2부재로부터 힘을 받아 압축되거나 신장되었다가 상기 제1부재와 상기 제2부재에 복원력을 제공하는 형상기억합금 링을 포함하는 구성을 한다.
상기 형상기억합금 링의 일측을 상기 제1부재에 연결하기 위한 제1연결구 및 상기 일측 반대편의 상기 형상기억합금 링의 타측을 상기 제2부재에 연결하기 위한 제2연결구를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 형상기억합금 링은 제1형상기억합금 링 및 외주면이 상기 제1형상기억합금 링의 외주면과 마주보도록 배치된 제2형상기억합금 링을 포함하고, 상기 형상기억합금 링을 이용한 댐퍼는, 상기 제1형상기억합금 링의 내부로 삽입되는 제1핀;
상기 제2형상기억합금 링의 내부로 삽입되는 제2핀; 상기 제1형상기억합금 링의 내부로 삽입되고 상기 제2핀에 대해 상기 제1핀보다 멀리 떨어져 배치되는 제3핀; 상기 제2형상기억합금 링의 내부로 삽입되고 상기 제1핀에 대해 상기 제2핀보다 멀리 떨어져 배치되는 제4핀; 상기 제1핀과 상기 제2핀을 지지하고 상기 제1부재에 연결하기 위한 제1연결구; 및 상기 제3핀과 상기 제4핀을 지지하고, 상기 제1핀과 상기 제2핀에 대한 유동을 허용하는 슬롯부를 구비하여 상기 제1핀과 상기 제2핀에 대한 상기 제3핀과 상기 제4핀의 간격을 조정할 수 있도록 상기 제1연결구에 대해 상대적인 이동이 가능하며 상기 제2부재에 연결하기 위한 제2연결구를 포함하는 구성을 하는 것이 바람직하다.
상기 제1핀과 상기 제2핀은 상기 제3핀과 상기 제4핀보다 길이가 길고, 상기 제2연결구는 상기 제3핀과 상기 제4핀 바깥으로 상기 제1연결구와 상기 제2연결구 상호 간의 상대적인 위치이동에 따라 상기 제1형상기억합금 링과 상기 제2형상기억합금 링을 내측으로 각각 가압하기 위한 가압부가 설치된 것이 좋다.
상기 제1연결구가 상기 제2연결구에 대해 상기 제1핀 내지 상기 제4핀의 배열방향으로 상대적인 변위를 할 때 상기 제1형상기억합금 링과 상기 제2형상기억합금 링 중 하나는 압축되고 나머지 하나는 인장되는 것이 바람직하다.
상기 제1형상기억합금 링과 상기 제2형상기억합금 링 중 적어도 하나는 초탄성 형상기억합금으로 만들어진 것을 포함하는 것이 좋다.
상기 형상기억합금 링의 적어도 한쪽 외주면에는 평면부가 형성될 수 있다.
상기 형상기억합금 링의 적어도 한쪽 내주면에는 보강부가 형성될 수 있다.
때에 따라, 상기 형상기억합금 링은 제1형상기억합금 링 및 외주면이 상기 제1형상기억합금 링의 외주면과 마주보도록 배치된 제2형상기억합금 링을 포함하고, 상기 제1형상기억합금 링을 상기 제2형상기억합금 링에 연결하여 결합하는 결합구를 포함하는 구성을 할 수 있다.
본 발명에 따른 형상기억합금 링을 이용한 댐퍼는 좌굴을 고려하지 않고 인장-압축 거동을 할 수 있고, 큰 복원력과 감쇠효과를 가진다.
본 발명에 따른 형상기억합금 링을 이용한 댐퍼는 콘크리트 기둥의 내진성능 증가, 파이프 접속 부, 강재 프레임의 브레이싱 역할 및 복원능력 제공에 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 형상기억합금 링을 이용한 댐퍼는 인장과 압축에서 대칭 거동을 보이고, 구조가 복잡하지 않아서 만들기 쉽고, 인장과 압축 모두에서 댐핑 성능 및 복원성능을 제공하므로 다양한 구조물에 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 형상기억합금 링을 이용한 댐퍼는 형상기억합금 링의 두께, 내경, 외경, 재질, 형상 등을 다양하게 변형함으로써 다양한 특성을 가지도록 만들 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 형상기억합금 링을 이용한 댐퍼의 일례를 나타낸 사시도,
도 2는 오오스테나이트로 이루어진 초탄성 형상기억합금으로 된 형상기억합금 링의 힘-변위의 관계를 나타낸 그래프,
도 3은 마르텐사이트로 이루어진 형상기억합금 링의 힘-변위의 관계를 나타낸 그래프이고,
도 4는 본 발명에 따른 형상기억합금 링을 이용한 댐퍼의 다른 예를 나타낸 정면도,
도 5는 도 4의 제1연결구와 제2연결구를 신장시킨 상태를 나타낸 도면,
도 6은 도 4의 제1연결구와 제2연결구를 수축시킨 상태를 나타낸 도면,
도 7 내지 9는 도 4에 나타낸 본 발명에 따른 형상기억합금 링을 이용한 댐퍼의 에너지소산(Energy dissipation) 능력, 댐핑 비(Damping ratio) 및 복원력(Displacement Recovery Ratio)에 대한 실험 결과를 각각 나타낸 그래프,
도 10 내지 도 12는 본 발명에 따른 형상기억합금 링을 이용한 댐퍼의 또 다른 예들을 각각 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 형상기억합금 링을 이용한 댐퍼의 일례를 나타낸 사시도이고, 도 2는 오오스테나이트로 이루어진 초탄성 형상기억합금으로 된 형상기억합금 링의 힘-변위의 관계를 나타낸 그래프이고, 도 3은 마르텐사이트로 이루어진 형상기억합금 링의 힘-변위의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 형상기억합금 링을 이용한 댐퍼(100)는 제1부재(10)와 제2부재(20) 사이에 설치되어 제1부재(10)와 제2부재(20) 상호간에 작용하는 힘을 완충하여 주기 위한 것으로, 형상기억합금 링(110)을 가진다.
형상기억합금 링(110)은 바람직하게 그 일측이 제1연결구(130)를 통해 제1부재(10)에 연결되고, 일측 반대편의 형상기억합금 링(110)의 타측이 제2연결구(150)를 통해 제2부재(20)에 연결된다.
때에 따라, 형상기억합금 링(110)은 용접이나 볼트체결 등 여타의 결합수단을 통해 제1부재(10) 또는 제2부재(20)에 연결될 수 있다.
특별한 경우, 예를 들어, 큰 압축력을 한 번만 완충하여주기 위한 댐퍼로만 사용되는 경우, 형상기억합금 링(110)은 제1부재(10)와 제2부재(20) 중 어느 하나에만 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 형상기억합금 링을 이용한 댐퍼(100)에서는 형상기억합금 링(110)이 제1부재(10)와 제2부재(20) 사이에 설치된 상태에서 제1부재(10)와 제2부재(20) 상호간의 상대적인 이동방향에 따라 제1부재(10)와 제2부재(20)로부터 힘을 받아 압축되거나 신장되었다가 제1부재(10)와 제2부재(20)에 복원력을 제공하는 역할을 한다.
형상기억합금 링(110)은 힘을 받는 지점을 중심으로 좌우측으로 배치되는 반원호형은 휘어지는 방향이 정해져 있고 또 좌우측의 것이 서로 일체로 그리고 대칭으로 연결되어 있으므로 압축력을 받더라도 봉의 형태로 된 것에서 발생하는 좌굴 문제가 발생하지 않는다.
오스테나이트로 이루어진 형상기억합금 링(110)은 도 2의 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 수축(압축) 및 신장(인장) 모두에서 우수한 복원능력을 보인다.
반면에, 마르텐사이트 형상기억합금 링(110)은 도 3에 나타낸 바와 같이 높은 에너지소산 효과를 제공하는 반면, 신장 시의 변형경화가 수직 시보다 더 높은 결과를 나타내었으며 신장과 수축이 대칭거동을 하지 않는 특징을 나타냄을 알 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 형상기억합금 링을 이용한 댐퍼의 다른 예를 나타낸 정면도이고, 도 5는 도 4의 제1연결구와 제2연결구를 신장시킨 상태를 나타낸 도면이고, 도 6은 도 4의 제1연결구와 제2연결구를 수축시킨 상태를 나타낸 도면이다.
이 실시 예는 형상기억합금 링(110)으로 제1형상기억합금 링(111)과 제2형상기억합금 링(116)을 가지는 것을 예시한다. 이 실시 예의 형상기억합금 링을 이용한 댐퍼(100)는 제1형상기억합금 링(111)과 제2형상기억합금 링(116)이 서로 외주면을 마주보도록 배치한 구성을 가진다.
도 4 내지 6에서 알 수 있는 바와 같이 형상기억합금 링을 이용한 댐퍼(100)는 제1형상기억합금 링(111)과 제2형상기억합금 링(116)을 인장시키거나 압축하기 위한 제1핀(131), 제2핀(132), 제3핀(151), 제4핀(152), 제1연결구(130) 및 제2연결구(150)를 가진다.
제1연결구(130)와 제2연결구(150)는 앞 실시 예에서와는 다른 형태의 구성을 한다. 도시된 바와 같이, 제1핀(131)과 제2핀(132)은 제1연결구(130)에 간격을 두고 고정되어 있고, 제1연결구(130)를 통해 제1부재(10)에 연결되어 있다. 제1핀(131)은 제1형상기억합금 링(111)의 내부로 삽입되고, 제2핀(132)은 제2형상기억합금 링(116)의 내부로 삽입된다. 제1핀(131)과 제2핀(132)의 마주보는 외주면의 간격은 이 실시 예에서와 같이 제1형상기억합금 링(111)과 제2형상기억합금 링(116)의 두께를 합한 것과 같게 하는 것이 바람직하지만, 필요에 따라 조금 크게 형성하는 것도 가능하다.
제3핀(151)과 제4핀(152)은 제1핀(131)과 제2핀(132)을 사이에 두고 제1핀(131)과 제2핀(132) 바깥으로 배치되어 제2연결구(150)에 지지되어 있다.
제3핀(151)은 제1형상기억합금 링(111)의 내부로 삽입되고 제2핀(132)에 대해 제1핀(131)보다 멀리 떨어져 배치되고, 제4핀(152)은 제2형상기억합금 링(116)의 내부로 삽입되고 제1핀(131)에 대해 제2핀(132)보다 멀리 떨어져 배치된다.
제1핀(131)과 제3핀(151)은 제1형상기억합금 링(111)의 내주면에 접촉되도록 즉, 제1핀(131)과 제3핀(151)의 원거리측 외주면의 간격이 제1형상기억합금 링(111)의 내주면의 지름과 같게 하는 것이 바람직하지만, 필요에 따라 제1형상기억합금 링(111)의 내주면의 지름보다 작게 형성될 수 있다. 이는 제2핀(132) 및 제4핀(152)과 제2형상기억합금 링(116)과의 관계에서도 마찬가지이다.
제1연결구(130)는 T-형 강재의 상면에 좌우로 간격을 두고 강판을 설치하여 제1핀(131)과 제2핀(132)을 상하로 간격을 두고 설치한 구성을 한다.
제2연결구(150)는 T-형 강재에 4개의 볼트를 이용하여 판을 하방으로 이격하여 연결한 구성을 하고 있다. 이러한 제2연결구(150)는 제1핀(131)과 제2핀(132)에 대한 상하 유동을 허용하는 슬롯부(154)를 구비하여 제1핀(131)과 제2핀(132)에 대한 제3핀(151)과 제4핀(152)의 간격을 조정할 수 있도록 제1연결구(130)에 대해 상대적인 이동이 가능하게 설치되며, 제3핀(151)과 제4핀(152)을 제2부재(20)에 연결하는 역할을 한다. 제1연결구(130)와 제2연결구(150)에 대해서는 뒤에서 보충하여 설명한다.
위 제1핀(131)과 제2핀(132)은 제3핀(151)과 제4핀(152)보다 길이가 길다. 그리고 제2연결구(150)는 제3핀(151)과 제4핀(152) 바깥으로 제1연결구(130)와 제2연결구(150) 상호 간의 상대적인 위치이동에 따라 제1형상기억합금 링(111)과 제2형상기억합금 링(116)을 내측으로 각각 가압하기 위한 가압부(153a, 153b)가 설치된다. 가압부(153a, 153b)는 제1형상기억합금 링(111)과 제2형상기억합금 링(116)의 외주면에 각각 접촉된 상태로 만드는 것이 바람직하지만, 필요에 따라, 예를 들어, 온도 변화에 따른 신축 등의 상시변형의 자유로운 허용 등을 위해 제1형상기억합금 링(111)과 제2형상기억합금 링(116)의 외주면과 간격을 두고 각각 또는 둘 중 어느 하나에 대해서만 간격을 두고 설치될 수 있다.
이 실시 예에서, 제1, 제2연결구(130, 150)로는 두 개의 형상기억합금 링을 끼울 수 있도록 2개의 T-형 강재, 4개의 강봉, 3개의 강판으로 구성한 것을 예시한다. 제1연결구(130)를 구성하는 하단의 T-형 강재는 두 개의 강판과 연결하여 Y-형으로 구성하였다.
그리고 제2연결구(150)를 구성하는 상단의 T-형 강재는 4개의 볼트와 강봉을 이용하여 판과 연결되며 T-형 강재의 가압부(153b)와 하단 가압부(153a)를 구성하는 판사이의 거리는 두 개의 형상기억합금 링 외경의 합과 같게 하였다.
제1, 제2형상기억합금 링(111, 116)은 T-형 강재의 가압부(153b)와 하단 가압부(153a)를 구성하는 판사이서 제1핀(131) 내지 제4핀(152)과 결합된다. 4개의 볼트와 강봉은 각각 전후와 좌우로 간격을 두고 배치되어 제1핀(131)과 제2핀(132)의 방해를 받지 않고 상하로 이동할 수 있도록 슬롯부(154)를 형성한다.
아래에서 설명되는 실험 예에서, 제1연결구(130)를 구성하는 Y-형 강재는 고정되는 부분이며, 제2연결구(150)를 구성하는 상단부는 하중을 받고 상하로 움직이는 부분이다.
도 4에 나타낸 바와 같은 본 발명에 따른 형상기억합금 링을 이용한 댐퍼(100)에서, 제2부재(20)가 도 5에 나타낸 바와 같이 위로 상승하면, 제2연결구(150)도 상승하고, 제2연결구(150)에 설치된 가압부(153a, 153b), 제3핀(151) 및 제4핀(152)이 상승한다. 제4핀(152)은 상승하면서 제2형상기억합금 링(116)을 상방으로 당겨주고, 제1핀(131)에 걸려 있는 제2형상기억합금 링(116)은 인장된다.
한편, 제2연결구(150)가 상승함에 따라 하단의 가압부(153a)는 제1형상기억합금 링(111)의 저면을 상방으로 가압하고, 제1형상기억합금 링(111)은 제2핀(132)에 걸려 있는 제2형상기억합금 링(116)에 걸려 압축된다.
한편, 제2부재(20)가 아래로 하강하면, 도 6에 나타낸 바와 같이, 제2연결구(150)가 하강하고, 제3핀(151)이 제1핀(131)에 걸려 있는 제1형상기억합금 링(111)을 아래로 밀어주어 제1형상기억합금 링(111)은 인장된다.
또한, 제2연결구(150)의 상측의 가압부(153b)는 제2형상기억합금 링(116)의 상측 외주면을 하방으로 가압한다. 이에 따라 제2형상기억합금 링(116)은 제2핀(132)에 걸려 있는 제1형상기억합금 링(111)에 지지된 상태로 가압되어 압축된다.
즉, 이 실시 예에 따른 형상기억합금 링을 이용한 댐퍼(100)에서는 제1연결구(130)가 제2연결구(150)에 대해 상방향 또는 하방향으로 상대적인 이동을 함에 따라 제1형상기억합금 링(111)과 제2형상기억합금 링(116) 중 하나는 압축되고 하나는 인장된다.
위에서 설명한 제1형상기억합금 링(111)과 제2형상기억합금 링(116)으로는 설치장소나 사용목적에 따라 둘 모두 마르텐사이트로 된 형상기억합금으로 된 것, 둘 중 하나는 마르텐사이트로 된 형상기억합금으로 되고 나머지 하나는 초탄성 형성기억합금으로 된 것 또는 둘 모두 초탄성 형성기억합금으로 된 것이 사용될 수 있다. 하지만, 둘 중 적어도 하나는 초탄성 형상기억합금으로 만들어진 것을 포함하는 것이 바람직하고, 둘 모두 초탄성 형상기억합금으로 만든 것이 더욱 바람직하다.
도 7 내지 9는 도 4에 나타낸 본 발명에 따른 형상기억합금 링을 이용한 댐퍼의 에너지소산(Energy dissipation) 능력, 댐핑 비(Damping ratio) 및 복원력(Displacement Recovery Ratio)에 대한 실험 결과를 각각 나타낸 그래프이다.
도 4 내지 6을 통해 설명한 본 발명에 따른 형상기억합금 링을 이용한 댐퍼(100)를 압축 및 신장할 수 있는 장치에 설치한 상하로 상태에서에서, 제1연결구(130)는 고정하고 제2연결구(150)는 아래로 미는 동작(수축)과 위로 당기는 동작(신장)을 상하 대칭으로 반복하는 실험을 하였다.
실험에 사용된 제1, 제2형상기억합금 링(116)으로 마르텐사이트(MA)와 초탄성(SE) 형상기억합금 링 두개씩을 이용하여 MA-MA, MA-SE, SE-SE 조합을 만들어 실험을 진행하였다. 실험에 사용된 제1, 제2형상기억합금 링(116)은 두께 10mm, 외경 80mm, 내경 60mm의 제원을 가진다.
두 형상기억합금 링(110)은 도 9에 나타낸 바와 같이 밀고(수축) 당기는 동작(신장)에서 대칭거동을 나타낸다.
도 7을 참고하면, 제1형상기억합금 링(111)과 제2형상기억합금 링(116) 둘 모두 초탄성 형상기억합금으로만 된 것(SE-SE)의 경우 초기 강도는 7.2kN/mm 이며 당기는 동작일 때 1.89mm 변위에서 12.4kN의 경화 힘(hardening force)을 가진다. 또한, 당기는 동작에서 경화 강성은 3~5mm 변위 사이에서 2.7kN/mm 이고, 미는 동작에서 경화 강성은 3~5mm 변위 사이에서 2.78kN/mm 이므로 경화 강성의 비는 0.97이다. 이는 밀고 당기는 동작이 거의 완벽한 대칭 거동을 한다고 할 수 있다.
제1형상기억합금 링(111)과 제2형상기억합금 링(116) 둘 모두 마르텐사이트로 된 것(MA-MA) 또한 대칭 거동을 나타냈으며 미는 동작에서 경화 강성은 2.27kN/mm, 당기는 동작에서 2,43kN/mm 이다.
제1형상기억합금 링(111)과 제2형상기억합금 링(116) 중 하나는 초탄성 형상기억합금으로 된 것을 사용하고 나머지 하나는 마르텐사이트로 된 형상기억합금을 사용한 것(SE-MA)도 마찬가지로 대칭 거동을 나타냈으며 미는 동작에서 경화 강성은 2.45kN/mm, 당기는 동작에서 2.41kN/mm 이다.
참고로, 단일 MA 링은 초기 범위 내에서 탄성 거동을 보였고, 그 후 연화 작용을 보였다. 단일 SE 링은 5.0 kN/mm의 탄성 강성을 가졌고, 연화 부분의 강성은 각각 당김 및 밀기 동작에서 약 1.7 및 1.3 kN/mm였다. MA-MA의 경우, 초기 단계에서 탄성 거동을 보였고, 그 다음 강성이 2.5 kN/mm인 연화 거동을 나타내었으며 당기기와 밀기 작업 모두에서 동일했다. 마찬가지로, SE-SE는 두 가지 동작 모두에서 유사한 동작을 보였고, 탄성에서 연화까지의 변형 점을 약 2.0 mm의 변위로 파악되었다. 연화 강성은 2.8 kN/mm이었다. MA-SE는 대칭적인 거동을 나타내었고 변위가 약 1.6mm에 도달 할 때까지 탄성을 나타내었고, 그 다음 연화가 발생하고, 이 경우의 강성은 2.6kN/mm이었다.
도 7과 도 8을 참고하면, 본 발명에 따른 형상기억합금 링을 이용한 댐퍼(100)는 이력(Hysteretic) 거동을 보이기 때문에 감쇠율을 사용하여 표현되는 에너지 소산(Energy dissipation)을 감쇠비 방정식을 이용해 다음의 수학식 1로 표현할 수 있다.
Figure 112019051678810-pat00001
여기에서, Ed는 에너지 소산, Ee는 형상기억합금 링의 에너지 저장 능력이다.
SE-SE는 가장 작은 에너지 소산 능력 과 감쇠비를 보였고, MA-MA는 가장 큰 에너지 소산 능력 과 감쇠비를 보였다. MA-MA는 6mm 변위에서 25%의 감쇠율을 보였고, MA-SE는 동일한 변위에서 15% 감쇠율을 보였다. 따라서 감쇠의 특성은 마르텐사이트 링에 의해 지배된다.
도 9를 참고하면, 본 발명에 따른 형상기억합금 링을 이용한 댐퍼(100)의 복원능력은 변위 회복 비율(Displacement Recovery Ratio)을 통해 결정된다. SE-SE는 동일한 변위에서 가장 높은 변위 회복 비율을 보였으며 MA-MA는 가장 작은 변위 회복 비율을 나타냈다. SE-SE는 하나의 초탄성 형상기억합금 링을 사용했을 때 보다 복원능력이 좋았으며 또한, 대칭으로 장치되어있기 때문에 복원능력이 더 좋아졌다. MA-MA는 4mm의 변위 이상에서 낮은 변위 회복 비율을 보였으며 잔류변형이 남아 있다. MA-SE는 SE-SE와 MA-MA의 값 사이에 있다.
도 10 내지 도 12는 본 발명에 따른 형상기억합금 링을 이용한 댐퍼의 또 다른 예들을 각각 나타낸 도면이다.
때에 따라, 본 발명에 따른 형상기억합금 링을 이용한 댐퍼(100)에서의 형상기억합금 링(110)은 제1형상기억합금 링(111) 및 외주면이 제1형상기억합금 링(111)의 외주면과 마주보도록 배치된 제2형상기억합금 링(116)을 결합구(170)를 통해 서로 연결하여 결합한 구성을 할 수 있다. 결합구(170)로는 제1형상기억합금 링(111)과 제2형상기억합금 링(116)의 강도가 저하되지 않도록 제1형상기억합금 링(111)과 제2형상기억합금 링(116)의 마주보는 부분을 감싸서 하나로 연결되도록 하는 것이 바람직하다. 때에 따라서는 연결부위를 두껍게 하는 보강부(117)를 형성하고, 볼트와 너트 또는 용접 등을 통해 제1형상기억합금 링(111)과 제2형상기억합금 링(116)을 결합할 수 있음은 물론이다.
때에 따라, 본 발명에 따른 형상기억합금 링을 이용한 댐퍼(100)를 구성하는 형상기억합금 링(110)의 적어도 한쪽 외주면에는 넓은 면적을 통해 하중을 전달하기 위한 평면부(118)가 형성될 수 있고, 바람직하게 형상기억합금 링(110)의 반대쪽으로 배치되는 양쪽의 바깥쪽 외주면에 평면부(118)가 각각 형성되는 것이 좋다.
때에 따라, 형상기억합금 링(110)의 내주면에는, 바람직하게, 타 구성요소와 연결되는 연결부위에 보강부(117)가 형성될 수 있다.
위에서 설명한 본 발명에 따른 형상기억합금 링을 이용한 댐퍼(100)는 형상기억합금 링(110) 여러 개를 병렬로 배치한 구성을 가질 수 있다.
본 발명은 두 구조물 또는 두 부재 사이에 설치되어 두 구조물 또는 두 부재 상호간에 작용하는 충격력을 완충하여 주고 복원력을 제공하기 위한 댐퍼를 만드는 데 이용될 가능성이 있다.
10: 제1부재 20: 제2부재
100: 형상기억합금 링을 이용한 댐퍼 110: 형상기억합금 링
111: 제1형상기억합금 링 116: 제2형상기억합금 링
117: 보강부 118: 평면부
130: 제1연결구 131: 제1핀
132: 제2핀 150: 제2연결구
151: 제3핀 152: 제4핀
153a, 153b: 가압부 170: 결합구

Claims (9)

  1. 제1부재와 제2부재 상호간에 작용하는 힘을 완충하여 주기 위한 댐퍼에 있어서,
    상기 제1부재와 상기 제2부재 사이에 설치되어 상기 제1부재와 상기 제2부재 상호간의 상대적인 이동에 따라 상기 제1부재와 상기 제2부재로부터 힘을 받아 압축되거나 신장되었다가 상기 제1부재와 상기 제2부재에 복원력을 제공하는 형상기억합금 링을 포함하고,
    상기 형상기억합금 링은 제1형상기억합금 링 및 외주면이 상기 제1형상기억합금 링의 외주면과 마주보도록 배치된 제2형상기억합금 링을 포함하고,
    상기 댐퍼는,
    상기 제1형상기억합금 링의 내부로 삽입되는 제1핀;
    상기 제2형상기억합금 링의 내부로 삽입되는 제2핀;
    상기 제1형상기억합금 링의 내부로 삽입되고 상기 제2핀에 대해 상기 제1핀보다 멀리 떨어져 배치되는 제3핀;
    상기 제2형상기억합금 링의 내부로 삽입되고 상기 제1핀에 대해 상기 제2핀보다 멀리 떨어져 배치되는 제4핀;
    상기 제1핀과 상기 제2핀을 지지하고 상기 제1부재에 연결하기 위한 제1연결구; 및
    상기 제3핀과 상기 제4핀을 지지하고, 상기 제1핀과 상기 제2핀에 대한 유동을 허용하는 슬롯부를 구비하여 상기 제1핀과 상기 제2핀에 대한 상기 제3핀과 상기 제4핀의 간격을 조정할 수 있도록 상기 제1연결구에 대해 상대적인 이동이 가능하며 상기 제2부재에 연결하기 위한 제2연결구를 포함하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 링을 이용한 댐퍼.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에서, 상기 제1핀과 상기 제2핀은 상기 제3핀과 상기 제4핀보다 길이가 길고, 상기 제2연결구에는 상기 제3핀과 상기 제4핀의 바깥으로 상기 제1연결구와 상기 제2연결구 상호 간의 상대적인 위치이동에 따라 상기 제1형상기억합금 링과 상기 제2형상기억합금 링을 내측으로 각각 가압하기 위한 가압부가 설치된 것을 특징으로 하는 형상기억합금 링을 이용한 댐퍼.
  5. 제1항에서, 상기 제1연결구가 상기 제2연결구에 대해 상기 제1핀 내지 상기 제4핀의 배열방향으로 상대적인 변위를 할 때 상기 제1형상기억합금 링과 상기 제2형상기억합금 링 중 하나는 압축되고 나머지 하나는 인장되는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 링을 이용한 댐퍼.
  6. 제1항, 제4항 및 제5항 중 어느 한 항에서, 상기 제1형상기억합금 링과 상기 제2형상기억합금 링 중 적어도 하나는 초탄성 형상기억합금으로 만들어진 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 링을 이용한 댐퍼.
  7. 제1항, 제4항 및 제5항 중 어느 한 항에서, 상기 형상기억합금 링의 적어도 한쪽 외주면에는 평면부가 형성된 것을 특징으로 하는 형상기억합금 링을 이용한 댐퍼.
  8. 제1항, 제4항 및 제5항 중 어느 한 항에서, 상기 형상기억합금 링의 적어도 한쪽 내주면에는 보강부가 형성된 것을 특징으로 하는 형상기억합금 링을 이용한 댐퍼.
  9. 제1항, 제4항 및 제5항 중 어느 한 항에서,
    상기 제1형상기억합금 링을 상기 제2형상기억합금 링에 연결하여 결합하는 결합구를 포함하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 링을 이용한 댐퍼.
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