기구 설계 후크 구조 체결 조립 구조해석 FEM 시뮬레이션 방법 increment step 100 설정

사출 설계에서 가장 중요한 부분 중 하나가 바로 후크 구조 인데요. 이번 글에서는 기구 설계 후크 구조를 FEM 프로그램인 PrePoMax로 해석하는 방법에 대해 알아보도록 하겠습니다. 아직은 좀 더 정리가 필요한 부분이지만, 일단 확인된 내용까지만이라도 정리를 해드리고자 합니다. 향후 계속해서 업데이트 예정입니다.

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Table of Contents

1. 모델 불러오기

2d surface 로 작업된 모델링을 불러오도록 합니다. 3d가 아니라 2d shell 로 작업되어 있습니다.

기구 설계 후크 구조 체결 조립 구조해석 FEM 시뮬레이션 방법 increment step 100 설정 1 — 기구 설계 후크 구조 모델링 (2d shell surface) 불러오기

저는 무료 파라메트릭 모델링 프로그램인 FreeCAD로 작업하였습니다.

2. 메시 작업

메시 작업은 아래와 같이 진행하였습니다. 나중에 접촉을 하여 만나게 되는 엣지 주변은 Mesh refinement 미세조정 파라미터를 추가하여 보다 더 정밀하게 짜주는 것이 좋겠습니다.

첫번째 지오메트리 파라미터

기구 설계 후크 구조 체결 조립 구조해석 FEM 시뮬레이션 방법 increment step 100 설정 2

두번째 지오메트리 파라미터

기구 설계 후크 구조 체결 조립 구조해석 FEM 시뮬레이션 방법 increment step 100 설정 3

곡면이 들어가 있기 때문에, Elements per edge의 수치가 기본값 2가 아닌 6으로 변경하였습니다.

아래와 같이 미세조정 (refinement) 파라미터를 추가합니다.

기구 설계 후크 구조 체결 조립 구조해석 FEM 시뮬레이션 방법 increment step 100 설정 4

아래는 메시를 진행하고 각도를 살짝 튼 모습입니다.

기구 설계 후크 구조 체결 조립 구조해석 FEM 시뮬레이션 방법 increment step 100 설정 5

3. 재질 및 섹션 할당

ABS 재질을 설정해주고, Sections Type을 Shell Section 으로 2개의 지오메트리 모두 지정해줍니다. (기구 설계 후크 구조 지오메트리와, 상대물인 체결 대상 지오메트리)

기구 설계 후크 구조 체결 조립 구조해석 FEM 시뮬레이션 방법 increment step 100 설정 6

두께는 1mm 로 지정해주었습니다.

기구 설계 후크 구조 체결 조립 구조해석 FEM 시뮬레이션 방법 increment step 100 설정 7

아래는 Shell Section의 개념이 무엇인지 이해시켜드리기 위해 만들어본 영상입니다. 참고해보시기 바랍니다.

4. Contact 조건 추가

이전 Contact 관련 강좌를 보셨으면 아실테지만, 접촉을 위해서는 접촉 쌍에 대한 속성과 대상이 지정되어 있어야 합니다.

아래와 같이 interaction 을 설정해줍니다.

기구 설계 후크 구조 체결 조립 구조해석 FEM 시뮬레이션 방법 increment step 100 설정 8

Contact pairs 에서 우클릭 후 Craete 를 눌러 준 후, 아래와 같이 접촉 쌍을 만들어줍니다.

기구 설계 후크 구조 체결 조립 구조해석 FEM 시뮬레이션 방법 increment step 100 설정 9 — 기구 설계 후크 구조 메시

Master 가 될 부분은 붉은색, Slave가 될 부분은 분홍색입니다.

주로 노드의 변형이 적고 요소의 크기가 큰 쪽을 Master로 설정하는 것이 효율적이며 연산 에러 확률이 적습니다.

Contact 하위에 아래 두가지 항목이 추가되었으며, 이 상태가 되어야 Contact 조건 해석이 정상적으로 작동합니다.

기구 설계 후크 구조 체결 조립 구조해석 FEM 시뮬레이션 방법 increment step 100 설정 10

5. Step 생성

이제 Step을 생성하게 되는데요. Step 생성 시 아래와 같이 NIgeom ‘ON’ 으로 해주시고, Max time increment 를 0.01s 로 변경해줍니다.

기구 설계 후크 구조 체결 조립 구조해석 FEM 시뮬레이션 방법 increment step 100 설정 11

위 설정의 의미는 총 연산은 Time period (1s) 만큼 진행이 될 것이며, 초기 시작 증분은 0.01s, 이후 증분은 설정은 Max time increment (0.01s) 지정된 간격을 넘지 않도록 연산이 진행된다는 의미입니다.

최대 100번으로 나누어 연산이 진행된다는 의미입니다. 이번 기구 설계 후크 구조 접촉 (Contact) 시뮬레이션과 같이 변형을 수반하는 규모가 큰 해석은 단번에 해석하는 것이 아니라, 증분을 이용하여 해석하는 것이 필수입니다.

이제 위 조건으로 Step 을 생성한 후 fixed 조건 과 Displacemnet 조건을 추가해줍니다.

Fixed 조건은 아래와 같이 후크의 대상물이 될 부분에 적용해주었습니다.

기구 설계 후크 구조 체결 조립 구조해석 FEM 시뮬레이션 방법 increment step 100 설정 12

Displacement 조건입니다. U1 방향으로 15mm 를 이동할 것입니다. (모델링 사이즈를 고려)

이후 강좌에서는 증폭에 대한 이야기도 해볼 것이나, 우선 이번 강좌에서는 자세한 설명을 생략하도록 하겠습니다.

기구 설계 후크 구조 체결 조립 구조해석 FEM 시뮬레이션 방법 increment step 100 설정 13

중요한 것이 UR1,UR2,UR3 를 0rad 으로 고정시켜주었다는 것입니다. U1,U2,U3 만 구속할 것이 아니라, UR1~3 회전에 대한 부분도 0rad으로 고정시켜주는 것이 좋습니다. 그렇지 않으면 연산 중 z 방향으로 값이 튈 수 있습니다.

모든 조건 입력이 완료되었습니다. 이제 아래 그림과 같이 Analysis 에서 우클릭 Run 을 눌러 연산을 진행합니다.

기구 설계 후크 구조 체결 조립 구조해석 FEM 시뮬레이션 방법 increment step 100 설정 14

해석 결과

아래와 같이 후크가 이동하면서 응력이 변화하는 것을 볼 수 있습니다.

기구 설계 후크 구조 — 최대응력 19.19MPa ABS 소성 한도 내로 안전하다고 판단할 수 있음.

연산 전에 History output 으로 노드를 설정하고 RF (반력 파라미터)를 집어넣어주면 아래와 같이 후크 체결시 반력에 대한 그래프도 얻으실 수 있습니다.

기구 설계 후크 구조 체결 조립 구조해석 FEM 시뮬레이션 방법 increment step 100 설정 15 — Node output 지정

RF(x방향) 시간에 따른 반력그래프

기구 설계 후크 구조 체결 조립 구조해석 FEM 시뮬레이션 방법 increment step 100 설정 16 — 시간에 따른 반력 값 산출 history output

애니메이션 설정을 통해 시각화 작업도 가능합니다.

아래와 같이 슬라이드바를 옮겨가며 increment 별 step 장면들을 보면서 시간에 따른 경향성을 확인할 수도 있습니다.

기구 설계 후크 구조 fem 시뮬레이션 — fem 시뮬레이션 결과 애니메이션 시각화

마무리

지금까지 기구 설계 후크 구조를 FEM 해석 프로그램을 사용하여 라이센스 부담없이 시뮬레이션 해보았습니다.

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오픈소스 FEM 시뮬레이션 사례

FAQ

접촉 해석 시 increment 증분 설정을 안 하면 안되나요?

증분설정을 하지 않고 Contact 해석 시 값이 튀어 정상적인 해석이 불가능합니다.

Contact 조건 해석이 무엇인가요?

Contact 는 두 면, 두 엣지간의 접촉을 해석하는 FEM 기법입니다. 알고리즘이 복잡하지만, Calculix와 PrePoMax를 사용하면 몇가지 설정을 통하여 가시화가 가능합니다.