[vc_row][vc_column][vc_column_text]
성공적이고 효과적인 유한 요소 분석 (FEA) 모델을 개발하는 것은 설계 엔지니어에게 불만족스러운 경험이 될 수 있다. 모델은 단순하고 복제하기 쉬워야 하며, 복잡한 테스트 결과를 제공할 수 있어야 하는데 이로 인해 모델이 종종 너무 단순화 및 간소화되어 정확한 분석을 제공하지 못하거나 모델이 너무 복잡하여 쉽게 처리할 수 없는 문제가 발생한다. 모델 유형에 따라 다양한 유형의 메쉬 생성도 필요하다. 마지막으로 정확한 결과를 얻으려면 하중을 정확하게 적용해야 한다.
FEA 모델을 개선하는 방법 : 모델 단순화
FEA 모델을 개선하는 중요한 단계는 모델 단순화이다. 그러나 정확한 분석을 위해서는 올바른 방법으로 모형을 단순화해야 한다.
모델 지오메트리 생성은 FEA의 가장 어려운 측면이다. 초급 FEA 사용자들의 일반적인 실수는 제품 설계 프로세스의 일부로 만들어진 CAD 모델을 FEA 연구에 직접 연결할 수 있다고 가정하는 것이다. 설계자의 CAD 모델에는 일반적으로 시뮬레이션 분석에 통합하는 데 몇 시간 또는 며칠이 걸리는 엄청난 세부 정보가 포함되어 있다.
그러나 FEA에서는 이러한 세부 사항의 많은 부분이 종종 불필요하다. 더욱이, FEA 모델에 불필요한 세부 정보를 포함하면 품질이 저하되고 시뮬레이션 실행 시간이 비효율적이며 결과가 부정확해질 수 있다.
분석가에게 있어, 설계자가 전달한 모델을 단순화하는 시기와 방법을 이해하는 것은 효과적인 FEA 시뮬레이션을 위한 핵심 기술이다.
유한 요소 분석 최적화 : 불필요한 객체 기능 제거
대부분의 CAD 모델에서 즉시 제거할 수 있는 가장 일반적인 세부 사항은 fillets와 rounds일 수 있다. 실제 정사각형 모서리는 현실 세계에서는 거의 존재하지 않는다. 모서리는 일반적으로 둥글고 CAD 모델은 종종 전체는 아니더라도 많은 지오메트리 본체에 이 rounding을 포함한다. 그러나 정사각형 모서리는 FEA 세계에서 메슁이 훨씬 더 쉬우며, 대부분의 작은 fillets/rounds는 전역 변위 계산에 영향을 미치지 않는다. CAD 도구에는 일반적으로 Ansys SpaceClaim의 fill 명령과 같이 fillets/rounds를 제거하는 데 도움이 되는 기능이 있기 때문에 사용자의 노력이 거의 필요없이 모델 복잡성을 빠르게 줄일 수 있다.
효과적인 지오메트리와 제약의 통합
또 다른 일반적인 단순화는 중요하지 않은 바디를 제거하거나 효과적인 지오메트리 구조나 제약조건으로 대체하는 것이다. 예를 들어 대부분의 기계적 어셈블리에는 볼트 및 리벳과 같은 고정 장치가 포함된다. 때로는 볼트의 지오메트리를 모델에 포함시켜야 할 수도 있지만, 대부분의 경우 볼트 지오메트리는 매우 단순화된 3D 지오메트리, 1D 빔 요소로 대체되거나 심지어 완전히 제거되고 견고한 접촉 제약 조건 또는 고정된 경계 조건으로 간소화될 수 있다.
chip components are included (left) vs. when they are excluded (right).
예를 들어 12×12인치 인쇄 회로 기판 어셈블리(PCBA)에서 기계적 충격을 시뮬레이션 하는 경우 0201 저항기와 같은 매우 작은 구성 요소는 모델의 전체 강성에 영향을 미치지 않으며 완전히 제거할 수 있다. 16 PIN SOIC와 같은 대형 구성 요소를 모델링해야 할 수도 있지만 납과 보드 사이의 단단한 접촉으로 솔더를 교체하고 근사치를 계산할 수 있다. Ansys Sherlock은 PCBA 제조를 위한 ECAD 정보를 가져오고 단순화된 메쉬형 FEA-ready PCBA 모델의 생성을 자동화하여 PCBA의 설계 단계에서 이용 가능한 정보로부터 FEA-ready 모델을 생성하는데 도움을 줄 수 있는 도구이다.
FEA 모델을 개선하는 방법 : 적절한 메쉬 생성
모델을 무력화하는 것 외에도 적절한 메쉬 생성을 위해 여러 가지 결정을 내려야한다. 일반적으로 Ansys-DfR이 정확한 메쉬를 생성할 때 고려하는 세 가지 영역은 다음과 같다.
- shell 대 solid 요소 선택
- hex(벽돌) 대 tet(피라미드) 요소 선택
- 적절한 메쉬 크기 및 메쉬 순서 선택
Shell vs. Solid Element
CAD 지오메트리는 종종 3차원 바디로 구성된다. 그러나 FEA 모델에서는 솔리드 3D 요소가 아닌 쉘 요소로 일부 바디를 메쉬하는 것이 유리할 수 있다.
Shell 요소는 바디의 두께를 물리적 속성으로 저장하는 3D 지오메트리의 2D 근사치이다. 길이가 본체 두께보다 훨씬 큰 얇은 벽 지오메트리 또는 전단 변형이 미미할 때(예: 한 장의 금속 또는 소다 캔의 벽) 사용할 수 있다. 인쇄 회로 기판(PCB) 내부의 얇은 구리 층을 모델링하는 데 사용할 수 있는 특수 shell 및 beam 보강 요소도 있다.
Ansys Sherlock의 새로운 특징들은 이러한 보강 지오메트리의 빠른 생성을 가능하게 한다. 이러한 보강을 통해 사용자는 trace가 보드 변형에 미치는 영향을 효율적으로 포착할 수 있다.
또한 FEA 모델에 shell 요소를 적절히 통합하면 시뮬레이션 실행 시간과 결과의 정확성을 크게 향상시킬 수 있다. 적절하게 사용할 경우 shell 요소는 일반적으로 훨씬 더 적은 요소 수를 가진 얇은 벽 구조(예: 판금)에서 더 높은 품질의 메쉬를 생성할 수 있으며, 따라서 훨씬 더 적은 계산 비용으로 더 정확한 결과를 얻을 수 있다. Ansys SpaceClaim의 “Create Midsurface” 기능과 같은 CAD 도구는 shell 메슁을 위한 지오메트리를 준비하는 데 도움이 될 수 있다.
Solid body (left) replaced with surface body (right) using the Ansys SpaceClaim Midsurface Tool.
3D 메슁이 더 자세한 정보를 제공하며 더 자세한 정보를 산출한다고 가정하는 것은 일반적이나 그렇지는 않다. 벽이 얇은 지오메트리를 메쉬하는 데 사용될 때 종종 인위적으로 solid 요소를 만들어 부정확한 시뮬레이션을 생성한다. 또한 정확한 변위 및 응력 결과를 얻기 위해 메쉬를 미세 조정하고 얇은 벽 구조의 두께를 통해 충분한 요소를 생성하는 것이 매우 어려울 수 있다.
더욱이, 지오메트리가 충분히 복잡하면 벽이 얇은 구조로 인해 solid 요소를 사용할 때 메쉬 품질이 낮아져 종횡비가 낮은 은색과 같은 요소가 생성되어 결과에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
Hex 대 Tet 요소
FEA 모델 구성에서 육면체(hex) 요소를 사용할지 사면체(tet) 요소를 사용할지 결정할 때 개체 자체의 전체적인 모양과 복잡성을 염두에 두는 것이 중요하다. 여러 번의 경험에서 나온 일반적인 규칙은 가능하면 육면체 요소로 메쉬하는 것이다. hex 또는 “벽돌”요소는 일반적으로 tet 요소보다 적은 요소 수에서 더 정확한 결과를 가져온다. 그러나 물체에 예각 또는 기타 복잡한 지오메트리가 포함된 경우 사면체 요소와 메쉬해야 할 수 있다.
모델을 벽돌로 완전히 매끄럽게 만들 수 있을 정도로 단순화하는 것이 바람직하지만, 이것이 항상 실현 가능한 것은 아니다. Tet 메쉬가 필요한 복잡한 지오메트리의 경우 메쉬가 부정확한 결과를 초래하지 않도록 주의해야 하는데 이는 일반적으로 더 많은 요소 수, 높은 순서 요소 및 더 긴 실행 시간을 의미한다.
이러한 이유로 인해 지오메트리를 크게 변경하지 않고 hex 메쉬를 허용하는 fillet 제거 또는 차체 분할과 같은 모든 모델 단순화가 권장된다.
메쉬 크기 및 순서.
유한 요소 분석에서 정확한 결과와 합리적인 실행 시간 사이의 균형을 찾는 데는 메쉬 순서와 크기를 올바르게 이해하는 것이 중요하다.
메쉬 크기는 요소의 특징적인 가장자리 길이를 나타내는데 메쉬 크기가 작을수록 모델에 요소가 많아져 실행 시간이 길어지고 결과가 정확 해진다. 순서는 요소 변위를 계산하는 데 사용되는 형상 함수를 설명한다.
1차 요소는 요소의 모서리에만 노드를 가지며 노드 간에 변위를 선형으로 계산한다. 2차 요소는 모서리 사이의 중간 노드를 포함하며 변위를 4차적으로 계산한다. 2차 요소에 대한 추가 세부 정보는 일반적으로 정확성을 높이지만 계산 비용이 크게 증가한다.
Note the midside nodes in between the corners on the second-order element.
효과적인 FEA 메쉬를 생성하기 위한 핵심은 분석 중인 특정 문제에 대해 순서와 크기 사이에서 적절한 균형을 맞추는 것이다. 가능하면 2차 요소를 사용하고 결과가 수렴될 때까지 메쉬를 반복적으로 다듬어야 한다. 그러나 고성능 컴퓨팅을 사용하더라도 며칠 만에 해결되는 훨씬 더 큰 문제의 경우에는 불가능할 수 있다. 이러한 경우 분석가는 메쉬 크기와 순서에 대한 적절한 결정을 위해 자신의 경험을 활용해야 한다.
FEA 모델 개선 방법: 적절한 부하 애플리케이션
적절한 부하 애플리케이션을 결정하는 것은 중요한 FEA 단계이다. 부하 애플리케이션은 열 주기, 낙하 충격, 진동 또는 정적 굴곡과 같은 특정 이벤트와 같이 물체를 테스트하는 모델 입력이다. 하중을 가하는 방법의 미묘한 차이를 이해하는 것은 물체가 실제 환경에서 직면할 사건을 시뮬레이션하는 데 필수적이다.
한 가지 일반적인 예는 부하가 정적 또는 일시적으로 적용되어야 하는지 여부를 결정하는 것이다. 예를 들어, 엔지니어가 조립 중 구조물의 굴곡을 시뮬레이션 하는 경우 변형률이 훨씬 느리고 결과 시간에 영향을 받지 않기 때문에 하중을 정적 변위로 모델링하는 것이 허용될 수 있다. 그러나 엔지니어가 동일한 어셈블리를 떨어뜨려 발생하는 유사한 모델을 모델링하는 경우, 부하의 적용 시간이 훨씬 빠르고 시간 종속적 효과가 더 빨라야 하기 때문에 과도 모델을 사용하여 관련 관성 효과를 포착해야 할 수 있다.
전자 시뮬레이션 세계에서 우리는 종종 열 순환을 시뮬레이션 할 때 비슷한 경우를 다룬다. 예를 들어, 부품 수준이 아닌 보드 수준에서 열 팽창을 조사 할 때 선형 재료 속성 근사값을 자주 사용할 수 있으며 온도에 대한 정적, 시간 독립적 램프가 합리적 일 수 있다. 이는 기판 수준 변위 및 탄성 응력 / 변형이 크리프 변형 / 에너지가 아닌 분석의 초점 일 때 허용된다. 그러나 부품 수준의 솔더 피로를 조사 할 때는 시간에 따른 솔더 크리프 특성을 포함해야한다. 이 경우 단순히 온도를 선형으로 올리는 것보다 열 사이클의 램프 및 드웰 시간을 정확하게 적용하는 것이 중요하다. 크리프 모델에는 시간 종속 속성이 포함되며
원하는 분석 결과에 따라 동일한 실제 이벤트가 FEA 세계에서 항상 같지는 않다. 객체가 직면 할 수있는 실제 스트레스 요인과 이러한 스트레스 요인이 관심 요소에 어떤 영향을 미칠 수 있는지 항상 염두에 두는 것이 중요하다. 이러한 뉘앙스를 올바르게 입력하면 정확하고 타당하며 실행 가능한 분석 결과를 얻을 수 있다.
올바른 전처리를 통해 정확도에 영향을주지 않고 FEA의 속도를 크게 높일 수 있다.
전자 시뮬레이션 세계에서는 열 순환을 시뮬레이션 할 때 종종 비슷한 경우를 다룬다. 예를 들어, 보드 레벨(부품 레벨보다는)에서 열팽창을 조사할 때 선형 재료 속성 근사값을 자주 사용할 수 있으며 온도에 대한 정적, 시간 독립적 램프가 합리적일 수 있다. 이는 기판 수준 변위 및 탄성 응력 / 변형이 크리프 변형 / 에너지가 아닌 분석의 초점 일 때 허용된다. 단, 부품 수준의 솔더 피로를 조사할 때는 시간 의존적인 솔더 크리프 특성을 포함해야 한다. 이 경우 단순히 온도를 선형적으로 상승시키기보다는 열 주기의 램프와 드웰 시간을 정확하게 적용하는 것이 중요하다. 크리프 모델에는 시간 종속 특성이 포함되므로 시뮬레이션 된 사이클 전체를 모델링하여 솔더 피로 예측을 하는 데 사용되는 크리프 변형률/에너지 결과를 가장 정확하게 계산해야 한다.
원하는 분석 결과에 따라 동일한 실제 이벤트가 FEA 세계에서 항상 동일하지는 않다. 물체가 직면할 가능성이 있는 실제 스트레스 요인들과 그러한 스트레스 요인이 관심 요소에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지를 항상 염두에 두는 것이 중요하다. 이러한 뉘앙스를 올바르게 입력하면 정확하고 타당하며 실행 가능한 분석 결과를 얻을 수 있다.
올바른 전처리를 통해 FEA의 정확성에 영향을 주지 않으면서 FEA의 속도를 크게 높일 수 있다.
출처 : Ansys 3 Steps to Improve FEA Models
[/vc_column_text][/vc_column][/vc_row]