무료 FEM 프로그램인 PrePoMax를 사용하여 Contact 해석을 하는 기초 강좌에 대한 내용입니다. 아바쿠스나 엔시스 없이도 어느정도의 해석이 가능하다는 것을 보여드리고 싶어서 작성해보았습니다. 일반 정적 해석 과정과 동일하지만 접촉에 대한 조건이 추가되어야 한다는 점, 그리고, Step에서 증분설정이 들어가야 한다는 점에서 약간 차이가 있습니다. 이번 글에서는 이 부분에 대해 중점적으로 설명드리도록 하겠습니다. 단일 파트 해석에 대한 내용은 아래에서 선행학습을 하고 오시길 권해드립니다.
모델링 불러오기
아래와 같은 모델링을 불러왔습니다.
저는 FreeCAD로 모델링 Part 2개를 그려서 합쳤습니다만.. 알고보니 PrePoMax의 설치 기본 경로에도 슬로베니아 대학의 마테이 교수님(PrePoMax 개발해주신 고마운 분)이 만들어놓은 지오메트리가 있더군요. 그 모델을 이용하셔도 동일한 결과값을 얻으실 수 있습니다. 어려우니 잘 따라오셔야 합니다.
메시 요소 생성
모델링을 불러왔으니 요소를 생성해줍니다.
저는 Meshing Parameters를 사용하여 원통 파이프를 3mm size로 조정해주었습니다.
이것은 모델링마다 차이가 있을 수 있으니 각자 상황에 맞게 조정하시면 됩니다.
메시 생성의 경우, 경험치 의존도가 큰 영역이기 때문에 케이스별로 생성 방법이 딱 정해져있는 것은 아닙니다. 따라서 상세히 다루지는 않겠습니다.
메시가 생성된 화면은 아래와 같습니다.
Contact 해석에서 중요한 부분은 만나는 부분의 격자의 괴리가 너무 커서는 안된다는 것입니다. 이후에 다시 설명드리겠습니다.
재질 추가 및 섹션 할당
재질을 추가해주도록 하겠습니다. Material 에서 우클릭 후, create를 누릅니다.
저는 S420과 ABS 두가지 재질을 불러왔습니다.
Solid section 명령을 통해 솔리드에 각각의 재질을 할당해줍니다.
ABS는 파이프를 잡는 후크부분으로 설정하였습니다.
S420은 원형 파이프의 솔리드 섹션에 할당하였습니다.
4. Contact 조건 적용
이제 가장 중요한 Contact (접촉) 조건 적용하는 부분입니다.
우선 Contact 라는 항목 아래의 Surface interactions와, Contact pairs 2가지 항목이 보일 것입니다. 각각 우클릭하고 알맞는 조건을 생성해주어야 합니다.
4-1. Surface interactions
Surface interactions 에서 우클릭 후 create 를 눌러줍니다.
Surface Behavior 조건을 아래와 같이 중앙의 화살표 버튼으로 끌어옵니다.
Friction 에 대한 조건도 마찬가지로 화살표 버튼을 눌러 가져오도록 합니다.
Surface interaction 에 대한 조건은 2가지가 지정된 것입니다.
이제 방금 설정한 Surface interactions, 즉 면과 면의 상호작용이 어떤 면의 쌍에서 발생하게 될지를 정의 해주는 Contact pairs 를 지정해줍니다.
4-2. Contact pairs
Contact 항목 하위에 보이는 Contact Pairs 항목으로 마우스를 가져가 우클릭 후 Create를 누릅니다. 어떤 면끼리 쌍을 이룰지 정의해주는 것입니다.
Contact Pair 에서는 Master Region , Slave Region 2가지를 선택할 수 있게 되어있습니다. Master region type의 selection 을 눌러 아래 원통을 선택해줍니다.
아래와 같이 Master가 될 면을 선택해줍니다.
Slave 면을 아래와 같이 선택해줍니다. 보라색 면으로 나타납니다.
엄밀히 따지면 Master 면과 Slave 면을 설정하는 기준도 어느정도 정해져있는 것이 있으나, 이번 예제는 단순하므로 이에 대한 설명은 생략합니다.
5. Step 생성
이제 Step을 생성합니다. 이후 부터는 일반 정적해석 시 경계조건을 생성하는 방법과 동일합니다.
아래 면을 Fixed 조건으로 설정하여 노드가 움직이지 못하도록 고정합니다.
원형 파이프 측면에 있는 평면 2개소를 선택하고, Displacement/Rotation 조건으로 U1 -20mm 를 설정해주었습니다. (아래 사진 참고)
중요한것은 움직이는 방향을 제외한 나머지 방향 (U2,U3)는 노드가 움직이지 못하도록 고정시켜주어야 한다는 것입니다. 떄에 따라서는 UR1~UR3 도 고정해주어야 하겠지만, 이번 사례는 회전방향까지 구속할 필요는 없겠습니다. 참고로 말씀드리면 지금 하는 전 과정은 무료 fem 프로그램 뿐만 아니라 대부분의 fem 구조해석, 유한요소 SW에서 동일한 프로세스로 작업을 하게 됩니다.
이제 중요한 작업을 하나 해주셔야 합니다.
Step-1에서 우클릭 후 Edit을 눌러줍니다.
처음에 Static Step을 만드실 때 보셨던 화면입니다. 접촉해석의 경우 여기서 증분 설정을 해줘야합니다. 증분 설정을 충분히 하지 않으면 이상한 결과값이 나옵니다.
NIgeom을 활성화, Type을 Default 에서 Automatic으로 변경하고, 아래 파라미터를 참고하여 입력해줍니다. 대부분의 해석에서는 1s 동안의 기간 동안 0.01s~ 0.05s 정도 마다 상태를 도출할 수 있도록 작업을 해주시면 안정적인 결과값이 나옵니다. 20회에서 50회의 결과가 도출됩니다.
무료 fem 프로그램 접촉 해석 결과 (Contact)
해석 결과를 확인하면 애니메이션을 통해 접촉이 되는 상황을 시뮬레이션 해볼 수 있습니다. 최대 응력값도 도출됩니다.
ABS에서 최대 응력값이 45.81MPa 로 나타납니다. 이는 ABS 항복 응력값에 준하는 수치이므로, 살을 보강하여 강도를 개선해야 할 필요가 있다고 판단할 수 있습니다.
메일만 주셔도 FEM/ CFD 무료 오픈소스 설치 방법에 대한 PDF를 발송 드리고 있습니다.
(anslab007@gmail.com)
Step에서 Increasement 값을 변경하여 증분을 사용하지 않았을 때와 증분을 사용했을 때를 비교해보셔도 좋겠습니다.
문의사항은 언제든 연락주시면 되겠습니다.
마무리
지금까지 무료 FEM 프로그램인 PrePoMax를 활용하여 Contact 해석하는 방법과 절차에 대한 핵심을 소개드렸습니다.
개별 파트 지오메트리가 존재해야 하며, Contact 조건 설정 및 Step을 통해 충분한 증분 값이 설정되어야 올바른 해석 결과값이 도출됩니다.