유한요소해석에 적용할 수 있는 수준의 CAD 모델을 가지고 있다면, 해석 업무는 훨씬 쉬워질 것입니다. 대부분의 설계 해석자는 전체 설계 업무에 대한 책임자이므로, 유한요소해석 모델의 생성고가 품질도 관리합니다. 설계 해석자들은 모든 책임에 대한 부담감을 느끼는 한편, 보수적인 설계에 따른 위험 부담을 최소화할 수 있는 권한도 함께 가지고 있습니다.
그러나 대부분의 해석자들은 부분적 또는 전체적으로 다른 설계자들이 개발한 CAD 모델에 의존합니다. 이러한 상황에서 유한요소해석이나 다른 업무 부서에서 필요로 하는 형상을 적절히 준비하기 위해, 형상 제공자뿐만 아니라 해석자에 대한 교육도 중요합니다. 따라서 모델 제공자나 모델 사용자는 나중에 문제가 될 수 있는 형상의 불일치와 쟁점들을 미리 파악하고 있어야 합니다.
1. 무결함 형상 생성
무결함 형상이란 정확한 해석을 위해 필요한 특징 형상들이 잘 정의되어 있어, 요소망 생성에 용이한 CAD 모델이라고 할 수 있습니다. 여기서 두 가지 주요 사항이 고려되어야 합니다.
첫째, 특징 형상은 요소망 생성을 방해해서는 안됩니다. 또한 형상 종횡비가 큰 요소 또는 정확도를 떨어뜨릴 수 있는 요소 사이에 급격한 천이가 발생하지 않도록 일관된 크기의 면과 형상비를 유지해야 합니다.
둘째, 형상을 정리할 목적으로 수행하는 특징 형상의 단순화 또는 조정 작업이 부품의 구조적 완성도를 떨어뜨려서는 안됩니다. 최상의 요소망은 최소의 요소 개수로 원하는 수준의 해를 제공하는 모델입니다.
따라서 관심 영역에서 멀리 떨어진 치수를 수정하거나 특징 형상을 제거하는 모델링 작업은 국부 영역에서의 단순화가 구조체 전체 거동에 영향을 주지 않는 한 허용됩니다. 그러나 관심 영역 근처에서 모델을 조정할 경우에는 주의를 기울여야 합니다.
2. 짧은 변 생성 제한
모델 크기 또는 공칭 요소망 크기와 비교하여 변의 길이가 짧을 경우, 그 변의 길이는 삼각형이나 사변형 요소의 한 변의 길이가 되므로 모델에서 오류의 원인이 될 수 있습니다.
본질적으로 자동 요소망 생성은 먼저 부품의 바깥 면을 삼각형으로 나눈 다음 중심 방향으로 채워 들어갑니다. 이 짧은 변은 사면체 유한요소 모델에 있어 적어도 두 깨 이상의 인접한 요소에 영향을 주며, 영향을 받는 인접 요소의 개수는 천이를 처리하는 알고리즘에 좌우됩니다.
이론적으로 짧은 변의 길이는 요소 크기의 1/3보다 작지 않도록 제한하는 것이 좋지만 실무적으로는 상당히 어렵습니다. 유한요소해석의 요구에 맞도록 형상 제공자들을 교육시키고, 그들이 생성할 특징 형상들을 적절하게 계획하고 평가하는 것도 짧은 변의 생성을 예방하는 데 도움이 됩니다. 짧은 변이 생성되는 주요 원인은 특징 형상들이 제대로 정렬되지 않았거나 필렛 변 근처에 다른 변이 있기 때문입니다.
3. 세장면 생성 제한
세장면은 부품에서 형상 종횡비가 큰 면이다. 종종 짧은 변과 세장면이 함께 나타납니다. 짧은 변을 생성하면 세장면을 피할 수 없고, 또한 요소망 생성에도 어려움을 가져옵니다. 요소망 생성기는 두 면의 변 사이에서 가장 짧은 거리를 사용하여 짧은 변을 생성하거나, 극도로 평탄한 요소를 생성합니다. 이러한 상황은 모델 내에 부정확성을 유발시킬 수 있습니다.
4. 솔리드 내 기공 생성 제한
형상 내부에 존재하는 기공(void)은 찾아내기 힘들고, 해석 결과에 미치는 영향을 예측하는 것도 불가능합니다. 대부분 기공은 형상 정렬이 제대로 되지 않은 결과로, 짧은 변이나 세장면을 포함하는 경향이 있습니다. 만약 기공의 크기가 작고 관심 영역으로부터 멀리 떨어져 있으면 해석 결과에 영향을 미치지 않을 수도 있습니다.
기공으로 인한 부정확한 질량 값은 동해석에 영향을 줄 수 있고, 기공이 클 경우에는 부품의 강성에 심각한 영향을 가져옵니다. 구멍이나 절단된 부분을 특징 형상의 재정의를 통해 제대로 채우지 못한 조잡한 모델링 때문에 기공들이 발생합니다.
5. 고차 곡면과 변의 복잡성 제한
곡면 모델링 도구와 곡면들을 솔리드로 변환하는 기능이 강력해짐에 따라 스타일링(styling)을 CAD 모델에 반영하는 것이 용이하게 되었습니다. 곡면이나 곡선의 정의가 복잡할 수록 갭이나 물결 형태의 형상 불일치 문제가 발생할 가능성도 높아집니다. 이러한 문제는 요소망이 생성되고 난 후에야 확인할 수 있습니다. 쉐이딩 이미지를 이용한 시각적인 검증 방법은 불일치 부분을 정확하게 찾도록 도와줍니다.
😥 미리 보기는 여기까지!
내용을 이어서 보고 싶다면,
아래 정보를 입력해 주세요.
