브라켓 구조는 어떤 형태를 지지할 수 있도록 만들어진 기계부품의 가장 기본적인 형태입니다. 이번 글에서는 브라켓 구조 설계 관련한 내용을 무료 FEM 해석 프로그램인 PrePoMax 로 진행하는 사례에 대해서 설명드려볼까합니다. 특히 홀 주변부 Node를 선택후, Node 들의 중심점을 선택하는 Bounding Box 처리에 대한 내용도 함께 알아보겠습니다.
PrePoMax & FreeCAD FEM Workbench 해석 사례
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1. 모델 불러오기
PrePoMax 실행 후 모델링을 불러옵니다. PrePoMax에서 제공하는 기본 모델링을 사용하겠습니다.
New 버튼을 눌러 프로퍼티 생성 후, Import 명령을 실행하여 igs, step, stl 등의 모델링 파일을 불러오시면 됩니다.
아래는 프리포맥스 소스안에 포함되어있는 기본 Models 의 경로입니다. PrePoMax 버젼 폴더 -> Models 폴더로 들어가시면 수많은 예제 모델들이 있습니다. 별도의 모델링이 있으신 분도 있겠지만 그렇지 않은 분들을 위해 제공되는 라이브러리라고 보시면 됩니다.
‘Bracket_c’ 모델링을 불러왔습니다. STL 파일입니다.
2. 메시 생성하기
Mesh Setup 에서 우클릭 후, Create를 눌러 메시를 생성해줍니다. 메시 생성하는 이전 강좌에서도 많이 다루었으니 자세한 방법은 생략하겠습니다.
5mm size로 요소를 생성하였고, 2nd order 적용하였습니다.
아래와 같은 메시 요소를 얻게 됩니다.
3. 재질 할당하기
메시를 생성하게 되면 FE Model 탭으로 자동으로 넘어갑니다. 여기서 Material 과 Section 항목에 각각 필요한 재질을 선택해주고 솔리드에 재질을 할당해줍니다.
저는 Material Library 에서 POM을 선택하여 불러왔습니다.
이후에 Section 항목에서 브라켓 모델링을 선택하여 재질을 할당해주었습니다.
4. Constraints 설정
다음으로 해야할 것은 Constraints 설정입니다.
하단에 보이는 홀들을 고정한 후, 가장 상단에 있는 원통 중심에 가상의 점을 만들고 하중을 가해볼 것입니다.
4-1. Node Set 설정
우선 Reference Point 작성시 참조하게 될 Node의 중심점 설정을 위해 Node set을 작성하겠습니다.
Node set 설정 시, 상단부 구조 홀 측면의 실린더 형상의 면을 선택해줍니다.
4-2. Reference point 생성
이제 방금 작성된 Node 를 참조하여 중심 점을 생성할 것입니다.
Features 하위의 Reference point 에 마우스를 갖다대고 우클릭 후 Create 를 눌러줍니다.
아래와 같은 창이 뜰 것입니다. 여기서 Region -> Create by/from 이 Type을 Bounding box center 로 변경해줍니다.
자동으로 좀전에 위해서 생성한 노드셋(Node_set-1) 이 선택되어 중심에 가상의 점이 나타납니다.
Reference Point, 즉 참조점이 생성되었습니다.
4-3. Rigid Body 구속 설정
이제 주어진 참조점과 선택된 Node-set을 하나로 묶을 수 있는 Rigid Body 구속을 걸어주겠습니다.
이 조건을 사용하는 이유는 Node set 전체를 단일 점으로 핸들링 하기 위함입니다.
회전과 같이 중심 축을 기준으로 모멘트나 비틀림 토션이 걸리는 경우에는 Rigid body 구속을 활용하는 것이 효과적입니다.
Constraints 항목 위에 마우스를 갖다대고 Create를 누릅니다.
Constraint 를 만드는 창이 뜨면 Rigid Body type을 선택한 후, 아랫쪽 Region Type을 Node set name으로 변경해줍니다.
OK를 누르면 노란색으로 Rigid body 에 할당된 Node set 과 점이 선으로 묶여있는 모습이 나타납니다.
방금 만든 세가지를 정리해보겠습니다.
5. Step 생성을 통한 경계조건 작업
이제 경계조건 생성을 위한 스텝을 작성해보겠습니다.
아래와 같이 고정 경계조건을 작성해줍니다. 다섯개의 홀이 Fixed 조건으로 고정되며, 고정면을 복수선택하기 위해서 Shift를 이용합니다.
Load에서 하중 경계조건을 Moment 로 작성해줍니다.
해석 결과 확인
이제 연산을 진행하여 해석결과를 확인해보겠습니다.
상단 Hole 부분에서 0.1734mm의 변위 변형(deflection)이 발생하는 것으로 나타납니다.
응력을 확인해보겠습니다.
3.205Mpa 로 POM의 보편적인 항복 강도가 70Mpa 이상인 것을 감안할 때 충분히 안정적인 브라켓 구조입니다.
Color Map을 바꿔서 확인해볼 수도 있습니다. Paraview 만큼 다양하지는 않지만 어느정도의 가시화 기능은 구축되어있는 PrePoMax입니다.
Bounding Box 마무리
지금까지 PrePoMax 오픈소스 유한요소 FEM 프로그램을 활용하여 POM 브라켓 구조를 해석해보았습니다. 무료로 사용할 수 있는 라이센스프리 프로그램으로 한국만 활용빈도가 상당히 낮습니다. 해외에서는 각종 포럼등에서 활발히 개발자들간의 소통이 이루어지고 있으므로, 국내 많은 엔지니어들도 현업에 적용하며 국내 기술 경쟁력을 키워갈 수 있었으면 하는 바램입니다.
지금까지 엔스랩이었습니다.