시뮬레이션은 다양한 산업에서 중요한 도구입니다. Grand View Research에 따르면, 글로벌 시뮬레이션 시장은 2021년부터 2028년까지 연평균 성장률 (CAGR) 17.1%로 성장할 것으로 예상됩니다. 이는 상당한 증가로, 시뮬레이션 소프트웨어가 제품 개발비, 물리적 시험, 불완전 시제품 등의 절감을 포함한 많은 이점을 비즈니스에 제공하기 때문입니다.
시뮬레이션과 같은 CAE (Computer-Aided Engineering) 활용분야에는 FEA (유한요소해석), CFD (전산유체역학) 및 기타 여러가지 제품 분석용 소프트웨어 종류가 존재합니다. CAE 시뮬레이션 수행을 위한 전처리 (Pre-processing), 연산 (Solving) 및 후처리 (Post-processing)의 세 가지 중요한 분석 단계가 있습니다. FEA 전처리 단계, 특히 양질의 메시 (Mesh)의 중요성에 대해 논의해봅시다.
An example mesh on a gearbox casing part.
FEA에서 메시 생성이란 무엇인가?
유한요소해석 (FEA)은 부품/조립품, 재료 물성 및 경계 조건으로 구성된 물리적 시스템의 수학적 표현입니다. 여러 상황에서 제품의 거동은 간단한 수계산으로 근사하기 어렵습니다. FEA와 같은 일반적인 기법은 편미분방정식을 이용하여 물리적 현상을 정확하게 포착함으로써 복잡한 거동을 표현하는 편리한 방법입니다. 현재 FEA는 설계 엔지니어와 해석 전문가 모두가 사용할 수 있도록 충분히 개량되고 보편화되었습니다.
메시 생성은 FEA를 사용하여 정확한 시뮬레이션을 수행하는 가장 중요한 단계 중 하나입니다. 메시는 지오메트리의 형상을 나타내는 노드 (요소 유형에 따라 달라질 수 있는 공간 상의 좌표 위치)를 포함한 요소 (Element)로 구성됩니다. FEA 솔버 (Solver)의 경우 불규칙 형상에 대해서 작업이 용이하지 않은 반면, 정육면체와 같은 일반적인 형상의 작업은 용이합니다. 메시 생성은 불규칙한 형상을 “요소”라고 불리는 보다 식별이 용이한 볼륨으로 바꾸는 과정입니다.
시뮬레이션 프로세스를 시작하기 위해서는 메시 생성 작업을 시작하기 전, 먼저 지오메트리 또는 CAD 모델을 Ansys Mechanical 등과 같은 어플리케이션에 업로드 해야 합니다.
메시 생성을 위한 CAD/지오메트리 전처리 방법
Mechanical과 같은 FEA 시뮬레이션 소프트웨어를 사용할 때에는 CAD 모델의 어떤 피쳐에 대해 메시를 생성하고, 생성하지 않을지 결정하는 것이 중요합니다. 많은 경우 CAD 형상은 제조 목적 을 이유로 매우 복잡하고 세부적이지만, 시뮬레이션에서는 모든 세부 형상이 필요하지 않을 수 있으므로 시간 절약을 위해 세부 형상을 제외하는 이른 바 디피쳐 (Defeature) 작업을 적용할 수 있습니다.
예를 들어, 제품에 명판이 부착되어 있다면 명판의 물리적 효과는 필요가 없을 수 있습니다. 따라서 명판을 제외하는 것으로 메시 생성 및 해석 시간을 절약할 수 있습니다.
Using Ansys Spaceclaim, the name plate on the geometry was easily defeatured to avoid doing a potential unnecessary analysis on the plate.
시뮬레이션용 CAD 모델 전처리의 또 다른 중요한 측면은 지오메트리에서 둘 이상의 부품 간 관계를 묘사하는 것입니다. 예를 들어, 지오메트리가 공통 면 (또는 모서리) 간에 노드를 공유하는 경우 Conformal 메시를 적용할지 여부를 결정하는 것이 중요합니다. Conformal 메시는 접착제나 용접으로 연결된 부품에 사용되며, Nonconformal 메시는 접촉 또는 조인트에 의해 결합되는 부품에 사용됩니다. Ansys Mechanical에서는 이러한 접근 방식을 필요에 맞게 혼합하여 사용할 수 있습니다.
자세한 내용은 FEA 모델 개선을 위한 3단계 블로그 포스팅을 참조하십시오.
메시 생성 방법의 종류: 사면체 (Tetrahedral) vs. 육면체 (Hexahedral)
메시 생성 방법에는 두 가지 주요 유형이 있습니다.
- 사면체 요소 메시 또는 “Tet”
- 육면체 요소 메시 또는 “Hex”
Hex 또는 “Brick” 요소는 일반적으로 Tet 요소보다 적은 요소 수로 더 정확한 결과를 나타내지만, 복잡한 형상에는 Tet 요소가 최선의 선택일 수 있습니다. 이러한 디폴트 또는 자동 메시 생성 방법으로도 충분할 수 있지만 더 많은 추가적인 메시 제어 방법이 있습니다.
하이브리드 메시
Mechanical에서는 Multizone 방법을 사용할 수 있는데, 이는 Hex 및 Tet 요소가 혼합된 하이브리드 형태로써 지오메트리의 서로 다른 부품을 서로 다른 방법의 메시로 생성할 수 있습니다. 이를 통해 지오메트리 준비작업을 줄이고도 더 많은 로컬 제어 메시를 사용할 수 있습니다.
A pipe connection geometry using Ansys Mechanical’s hybrid meshing capabilities
스윕 메시
스윕 메시 생성 방법을 사용하면 볼륨과 면을 연결하여 메시를 “스윕”하여 규칙적인 사이즈로 효율적인 메시를 생성할 수 있습니다.
어떤 메시 방법을 쓸지 결정하는 것은 대체로 해석의 종류 (Explicit/Implicit) 또는 물리영역 및 달성하고자 하는 정확도 수준에 따라 다릅니다. 적층 제조와 같은 특정 해석에 사용되는 직교좌표계 메시 및 레이어된 Tet 메시와 같은 몇 가지 다른 옵션도 있습니다.
메시 생성 컨트롤
메시 생성 컨트롤을 사용하면 보다 정밀한 메시를 얻을 수 있습니다. Ansys Mechanical에서 동일한 방법으로 전체 CAD에 대해 메시를 생성하는 전역 메쉬 대신 로컬 메시 제어가 가능합니다. 로컬 메시 컨트롤의 몇 가지 예로 로컬 사이즈 조정, Refinement 및 지오메트리 디피쳐링 영향 영역 설정 등이 포함됩니다.
예를 들어 모터사이클 프레임을 살펴보겠습니다. 전체 형상에 일반 메시 접근 방식을 적용할 수 있지만 용접 및 볼트 연결이 있는 부분에 다른 전략을 구사할 수 있습니다. 로컬 메시 컨트롤을 사용하면 이러한 부분에 보다 정교한 메시를 생성할 수 있고 부품 전체에 대해 더 작은 요소로 메시를 생성함으로써 발생하는 연산 시간 증가를 막을 수 있습니다.
A motorcycle frame geometry meshed showing welded joints.
좋은 품질의 메시가 중요한 이유
간단히 말해서, 좋은 품질의 메시는 더 정확한 결과를 의미합니다. 낮은 품질의 메시는 수렴을 어렵게 만들기 때문에 부정확한 결과와 잘못된 결론으로 이어질 수 있습니다. 메시의 품질은 다음과 같은 몇 가지 시나리오에 따라 다릅니다.
- 수행하고자 하는 해석의 유형
- 메시 생성에 투입 가능한 시간
- 연산에 투입 가능한 시간
경우에 따라서는 설계 의사결정을 명확히 하고자 빠른 솔루션이 필요할 수 있습니다. 이 경우 메시를 설정하는 데 많은 시간을 소모하고 싶지 않을 것입니다. 또다른 경우에는 다른 방법과 컨트롤을 사용하여 메시 설정 시간과 노력을 충분히 들여야 하는 매우 정확한 솔루션이나 결과가 필요할 수도 있습니다.
좋은 메시에는 요소 품질 및 종횡비 (Aspect ratio)와 같은 요구 조건 (해석 유형, 정확도 수준, 시간)에 맞는 품질 기준이 있습니다. 궁극적으로 지오메트리에 대한 이해를 바탕으로 메시 컨트롤을 사용하여 최상의 메시를 얻을 것을 권장하며, 이는 결국 제품 설계 개선으로 이어집니다.
보다 상세한 내용은 Ansys Learning Hub의 Intro to Meshing Course를 통해 알아보십시오.
출처 : Ansys The Fundamentals of FEA Meshing for Structural Analysis
