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초록

본 연구는 대변형 조건에서 형상기억합금(SMA) 기반 편성(knitted) 소프트 액추에이터의 거동을 해석하기 위한 구성-구조 연성 수치모델링 방법론을 제시한다. 기준 구조로 평직(plain) 패턴의 P-루프를 채택하고, 실제 액추에이터 기하 치수에 기반한 위사 편성 기하 생성 절차를 통해 3 × 3 P-루프 유닛셀을 구성하였다. 실험 기반 SMA 편사에서는 폴리에스터로 피복된 NiTi 코어 와이어에 전류 가열이 적용되어 마르텐사이트-오스테나이트 상변태와 이에 따른 회복 수축이 발생한다. 본 연구에서는 전기-열 연성을 직접 모델링하지 않고, SMA 구성요소에 온도 증가(25°C → 90°C)를 부여하는 방식으로 구동 효과를 구현하였다. 수치해석은 ANSYS의 SMA 재료 모델과 기하학적 비선형 대변형 해석을 결합하여 수행되었으며, 루프 재구성과 면외 변형을 정확히 포착하였다. 또한 주요 열구동 변형 메커니즘에 집중하기 위해 실 간 접촉 및 자기접촉은 제외하였다. 해석 결과, SMA 회복 변형에 의해 루프 조임(loop tightening)이 유도되고, 편성 구조의 기하학적 특성으로 인해 면외 변형이 증폭됨을 확인하였다. 제안된 유닛셀 기반 모델링 방법은 다양한 편성 패턴의 구동 성능을 효율적으로 비교･평가할 수 있는 실용적 도구를 제공하며, 향후 접촉 효과, 전기-열 연성, 그리고 실험 검증을 포함하는 고정밀 모델로 확장될 수 있다.

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