이번시간에는 PrePoMax 무료 FEM 프로그램을 활용해 집중하중을 적용하고 하중이 부여됨에 따라 구조물의 응력분포가 어떤식으로 나타날 수 있는지 살펴보겠습니다.
메일만 주셔도 FEM/ CFD 무료 오픈소스 설치 방법에 대한 PDF를 발송 드리고 있습니다.
(anslab007@gmail.com)
1.모델 불러오기
모델은 아래와 같습니다. 시편 모양으로 모델링을 하였습니다. FreeCAD 모델링으로 5분도 안되어 작업을 했습니다.
메시 작업을 진행해보겠습니다.
Mesh setup -> 우클릭 -> Create를 누르면 아래와 같은 화면이 나타납니다.
Meshing Parameter에서 모델을 선택 한후, Max element size를 적당하게 변경해주도록 합니다. (메시 작업에 대한 내용은 나중에 기회가 되면 포스팅해보도록 하겠습니다)
아래와 같이 메시 작업이 완료되었습니다
2.재질 설정
메시 작업이 완료되었으니 재질을 설정해보겠습니다.
아래와 같이 Material Library 에서 우클릭한 후 Material Library 를 누릅니다.
S420을 불러오겠습니다.
Solid Section 에서 우클릭 후, Create를 눌러 Solid에 방금 전 불러온 S420 재질을 할당합니다.
아래와 같이 Solid section 를 선택 후, 모델을 선택하고 OK를 누르시면 됩니다. (Material 에 S420이 기본값으로 설정되어있음)
3.STEP 생성
이제 STEP을 설정해보겠습니다.
이전 강좌에서도 몇 차례 말씀드렸지만 Step이라는 것은 경계조건과 하중을 설정하는 단계입니다.
3-1. BCs 설정
우선 경계조건인 BCs 설정해보겠습니다.
BCs라는 항목에서 우클릭 후, Fixed 조건을 설정해줍니다. (아래 화면 참고)
Fixed 선택 후, 화면을 돌려 좌측 Surface를 선택하고 OK를 누르면 됩니다.
고정(Fix) 조건이 설정되면 아래와 같은 상태가 됩니다.
3-2. Load 조건 설정 (집중하중)
다음은 Load 조건을 설정해보겠습니다.
Loads에서 우클릭 후, Create를 눌러줍니다.
Concentrated Force로 지정 한 후, 1000N을 입력해줍니다. 이렇게 입력하게 되면, 특정 질점노드에 1000N의 하중값이 부여됩니다.
바로 우측 Set Selection 창에서 More 버튼을 누르면 Node를 선택할 수 있게 됩니다. 일종의 스냅기능이라고 보시면 되겠습니다.
이렇게 선택 후, 시편의 고정단 반댓면의 아래와 같은 4가지 지점을 선택해주도록 합니다.
이렇게 선택을 했다면, 4점에서 각 1000N씩 화살표의 방향으로 하중이 부여됩니다.
총 4000N이 적용되는것입니다.
결과확인을 위해 Run을 해보겠습니다.
4. 결과 검토
FE Model 탭 가장 아랫쪽에 보이는 Analysis 항목 위에 마우스를 갖다대고 우클릭, Run을 눌러줍니다.
연산이 완료되었습니다.
대략적으로 아래와 같은 상태가 됩니다.
질점에 하중을 부여했기 때문에 그 지점만 상당히 왜곡되는 모습이죠.
시편 중앙부에 걸리는 하중값은 약 3.084Mpa 부근입니다. 이 값을 기억해두시기 바랍니다.
4-1. Load 조건 변경 : 질점 수 증가
이제 하중을 다르게 적용해보겠습니다.
500N을 적용한 후, 아래 사진과 같이 질점을 선택해보겠습니다.
이렇게 된다하더라도 직전 사례와 비교했을 때 Load의 총합은 같습니다.
아래는 8개의 질점으로 설정했을 때의 결과값입니다.
3.096MPa 로 직전 값과 거의 동등한 수준의 값이 나타납니다.
4-2. Load 조건 변경(Surface Traction)
마지막으로 해볼 것은 면하중으로 변경해보는 것입니다.
총합 4000N가 면으로 하중이 작용한다고 가정해보겠습니다. Surface Traction 에 대한 강좌글을 살펴보시면 쉽게 이해가 되실겁니다.
다음은 위 조건에 대한 결괏값입니다.
약 3.084MPa이 도출되었습니다.
3가지 경우 모두 근사한 값이 나왔습니다.
- 4개의 질점에 4000N을 각 1000N 으로 분산 : 3.084MPa
- 8개의 질점에 4000N을 각 500N으로 분산 : 3.096MPa
- 1개의 면에 4000N을 면하중으로 설정 : 3.084MPa
이것이 바로 셍비낭의 원리라고 불리는 이론인데요.
힘이 작용된 위치에서 멀리 떨어진 곳이라면, 그 힘이 어떤식으로 부여되더라도, 충분히 먼 지점에서는 크게 영향을 주지 않는 다는 것입니다.
마무리
지금까지 개별 질점을 선택하고 집중하중(Concentrated Force)을 설정하는 방법에 대해 알아보았습니다. 실제 물리 현상에서는 하나의 점에서 집중적인 하중이 걸리는 일이 불가능에 가깝겠지만, 이론적으로 어떤 값을 도출하고 비교해보고자 할 때는 유용한 기능이라고 할 수 있겠습니다.
지금까지 엔스랩이었습니다.