본 연구는 대변형 조건에서 형상기억합금(SMA) 기반 편성(knitted) 소프트 액추에이터의 거동을 해석하기 위한 구성-구조 연성 수 치모델링 방법론을 제시한다. 기준 구조로 평직(plain) 패턴의 P-루프를 채택하고, 실제 액추에이터 기하 치수에 기반한 위사 편성 기 하 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 모델링 하지 않고, SMA 구성요소에 온도 증가(25°C → 90°C)를 부여하는 방식으로 구동 효과를 구현하였다. 수치해석은 ANSYS의 SMA 재 료 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 포 함하는 고정밀 모델로 확장될 수 있다.

Shape memory alloy (SMA)-integrated knitted actuators can generate large, compliant deformation through temperature-induced phase transformation; however, their response is strongly nonlinear owing to loop kinematics and large rotations. This study develops a constitutivestructural modeling methodology for an SMA-driven knitted soft actuator unit cell under large deformation, with emphasis on the plain-pattern P-loop as a baseline architecture. In experimentally reported knitted SMA actuators, a NiTi (55wt% Ni-45wt% Ti) core wire wrapped with polyester fibers is heated by electrical current, thus resulting in martensite-to-austenite transformation. In the present numerical study, electrical heating is not modeled explicitly; instead, thermally driven actuation is represented by a prescribed thermal load. A 3 × 3 P-loop unit cell is constructed using a weft-knit geometry pipeline and imported into ANSYS for nonlinear analysis. The SMA response is captured using the built-in SMA material capability in ANSYS under a temperature increase from 25°C to 90°C, and the structural problem is solved with large-deformation kinematics to capture out-of-plane loop deformation. Contact and self-contact between yarn segments are disregarded in the current model to isolate the primary thermally driven deformation coupling. The simulations reproduce the expected loop-level tightening and geometry-driven amplification of deformation in the out-of-plane direction, thus demonstrating that the unit-cell model can quantify actuation-induced shape changes in knitted architectures. The proposed methodology provides a practical approach for evaluating and comparing knitted patterns at the unit-cell level. Additionally, it serves as a basis for future extensions, including contact, electro-thermal coupling, and experimental validation.

Abstract
1. Introduction
2. Methodology
    2.1 Unit-Cell Geometry
    2.2 Constitutive modeling of SMA-driven actuation
    2.3 Actuation of P-loop Unit Cell
3. Results and Discussion
4. Conclusion
Acknowledgement
References
요 지

• 무함마드 우마르 일라히(동국대학교 기계로봇에너지공학과 박사과정) | Muhammad Umar Elahi (Ph.D. Student, Department of Mechanical, Robotics and Energy Engineering, Dongguk University, Seoul, 04620, Korea)
• 김흥수(동국대학교 기계로봇에너지공학과 교수) | Heung Soo Kim (Professor, Department of Mechanical, Robotics and Energy Engineering, Dongguk University, Seoul, 04620, Korea) Corresponding author