이전 블로그의 구조해석을 위한 FEA 메시 생성 기초에서, 우리는 유한요소해석 (FEA) 메시 생성이 무엇인지, 메시 생성 방법의 유형에는 무엇이 있는지, 그리고 시뮬레이션의 정확도를 위해 좋은 품질의 메시가 왜 중요한지를 다루었다.
해당 블로그에 사용했던 모터사이클 프레임 예제를 다시 한번 사용해보자. Weld나 Bolted connection가 포함된 형상에 다양한 메시 생성 전략을 사용하면 더 긴 연산시간을 요하는 전체 모델 대신 특정 위치에 보다 세밀한 메시를 만들 수 있다. 이번 블로그에서는 용접부 메시 생성 및 용접해석을 위해 좋은 품질의 메시가 필요한 이유에 대해 이야기해보고자 한다.
Motorcycle frame geometry shows different types of welded connections
해당 블로그에 사용했던 모터사이클 프레임 예제를 다시 한번 사용해보자. Weld나 Bolted connection가 포함된 형상에 다양한 메시 생성 전략을 사용하면 더 긴 연산시간을 요하는 전체 모델 대신 특정 위치에 보다 세밀한 메시를 만들 수 있다. 이번 블로그에서는 용접부 메시 생성 및 용접해석을 위해 좋은 품질의 메시가 필요한 이유에 대해 이야기해보고자 한다.
용접 구조물에 사용되는 요소 (Element) 유형
용접은 복수 개의 부품을 연결하기 위해 열을 사용하여 국소 부위의 재료를 녹이고 모재를 융접하는 편리한 제작 공정이다. 용접은 엔진 블록과 같은 두꺼운 주조품이나 자동차용 프레임과 같은 박막 부품에 모두 사용된다.
시뮬레이션은 이러한 용접 구조물의 강도 및 내구성을 분석하기 위해 널리 쓰이고 확고히 자리매김한 방법이다. 용접부 메시 생성에 각별히 주의함으로써 용접의 유효 수명을 정확하게 계산할 수 있으며, 충돌 또는 NVH (소음, 진동 및 불쾌감) 해석에 대한 구조물의 강성을 나타낼 수 있다.
용접 구조물 해석에는 통상적으로 솔리드, 쉘, 빔 요소가 혼합되어 사용된다.
솔리드 요소는 주조 및 단조 공정으로 제조된 부피가 큰 부품을 모델링하는 데 사용되는 반면, 쉘 및 빔 요소는 판금성형, 압연 및 인발 공정으로 제조된 박막 형상을 표현할 때 편리하다. 빔 및 쉘 요소의 곡률 변화를 변형률에 연결함으로써, 작지만 매우 정확한 모델로 얇은 단면을 편리하게 표현할 수 있다.
Welds simulated as shell elements (right) and welds simulated as beam elements (left).
용접 구조물 해석에는 통상적으로 솔리드, 쉘, 빔 요소가 혼합되어 사용된다.
정형 vs. 비정형 메시를 이용한 용접부 메시 생성 및 시뮬레이션
복잡한 박막 형상을 위한 메시 생성 기술은 상당한 발전을 이루었고, 복잡한 기하학적 형상임에도 구조화된 (정형) 메시 사용이 가능해졌다. 다양한 어플리케이션에서 변형 패턴과 변형률 값의 변화는 선호되는 방향을 갖기 때문에 구조화된 메시가 바람직하다.
구조화된 메시는 구조화되지 않은 메시에 비해 상대적으로 큰 요소를 가지고도 메시 크기에 무관한 정확한 해를 얻을 수 있기 때문에 편리하며, 이는 개별 용접부의 수명을 평가할 때 특히 유용하다.
Structured (left) vs. unstructured (right) mesh shown on welded geometry.
용접 시뮬레이션이 어려운 이유
용접 구조물 해석에서 특히 어려운 점은 해석을 위한 용접부의 생성과 메시 생성이다. 예를 들어, 일반적인 자동차 프레임 구조는 수천 개의 개별 스폿 용접 (점 용접)을 포함하는 반면, 오프로드 차량의 섀시 구조에는 수십 개의 심 용접을 쓰기도 한다.
Ansys Mechanical은 효율적이며 자동화된 방식으로 스폿 및 심 용접을 생성하고 모델링할 수 있도록 지원한다. 사용자는 CAD 시스템으로부터 용접 위치를 가져와 스폿 용접 연결을 신속하게 만들 수 있으며, 여기에는 정확한 표현을 위해 개별 용접의 강성을 제어하는 기능이 포함된다. 간편한 메시 생성 도구를 사용하여 용접 루트 위치와 열영향부에 적절한 메시 패턴을 가진 심 용접을 생성할 수 있으며, 이는 피로 수명을 예측하는 데 매우 중요하다.
용접부 메시 품질과 수명의 중요성
용접 구조물은 하모닉 (조화)/랜덤가변하중, 탱크의 가압/감압, 가속/제동/도로 요철의 영향을 받는 차량 섀시 등을 포함한 다양한 하중 조건에 노출된다.
이러한 피로 하중을 받는 용접의 수명을 평가할 때는 모재 물성이 변하는 용접 공정을 고려해야 한다. 용융부를 급속하게 냉각하면 연성은 낮아지는 반면, 경도를 높일 수 있고, 용접 공정 중의 불순물도 개별 용접 강도에 악영향을 미칠 수 있다. 정확한 수명 예측을 위해 위의 영향인자는 물론, 용접 공정 후 모재에 남은 잔류 변형도 고려해야 한다.
Maintain heat affected zones in weld connections for fatigue calculations.
이러한 인자들은 피로 도구를 사용한 용접부 수명 계산 시 고려 가능하다. 수명 예측은 용접 열영향부의 응력 구배에 민감하므로 이 영역의 메시 크기를 적절하게 조절하는 것이 중요하다.
구조화된 사각형 메시는 이러한 유형의 상황에 이상적이며, 용접 끝단 (Weld toe)의 피크 응력과 해당 부위 주변의 가파른 응력 구배를 포착하는 데 적합하다. 용접부의 내구성 평가에는 일반적인 모양의, 점진적으로 변화하는 메시 크기가 이상적이나, 충돌 안전성 해석의 요건은 다르다. 이 경우에는 연산 효율성을 위한 균일한 크기의 메시가 선호된다.
점진적으로 변화하는 메시 크기는 Explicit 솔버의 계산 시간을 증가시킬 수 있다. 충돌이나 NVH 해석 모두에서 용접 강성의 정확한 표현이 가장 중요하다. 이것은 동적 충돌 하중 또는 모달 및 하모닉 해석에서의 고유진동모드 하에서 구조물에 의한 에너지 흡수의 정확한 계산을 위해 필수적이다.
Seam welds simulated with hex elements to maintain weld root and toe locations.
Ansys Mechanical은 용접 구조물의 파라메트릭 설계를 위한 차별화된 이점을 가지고 있다. 설계 변경 시 용접 부위를 자동으로 재 생성하는 기능은 생산성을 크게 향상시킨다. 충돌, 내구성 및 NVH 워크플로우에서 최소한의 설정만으로 메시를 생성하는 편리함과 더불어, Ansys nCode DesignLife와의 원활한 연동을 통한 피로 수명 평가로 강력한 사용자 경험을 제공한다.
출처 : Ansys How to Mesh and Simulate Welds with Ansys Mechanical
