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ANSYS 블로그

December 2, 2020

FEA 모델 개선을 위한 3단계

성공적이고 효과적인 유한 요소 분석(FEA) 모델을 개발하는 것은 설계 엔지니어에게 실망스러운 경험이 될 수 있습니다. 모형은 단순하고 복제하기 쉬워야 하며, 여전히 복잡해야 유효한 검정 결과를 얻을 수 있습니다. 이로 인해 모형이 종종 너무 단순화되고 근사화되어 정확한 분석을 제공하지 못하거나 모형이 너무 복잡하여 쉽게 처리되지 못하는 문제가 발생합니다. 모델 유형에 따라 다른 유형의 메시 생성도 필요합니다. 마지막으로 정확한 결과를 얻으려면 하중을 정확하게 적용해야 합니다. 각 당면 과제와 솔루션에 대해 논의합니다.
 

FEA 모델을 개선하는 방법: 모델 단순화

FEA 모델을 개선하는 중요한 단계는 모델 단순화입니다. 그러나 정확한 분석을 수행하려면 올바른 방식으로 모델을 단순화해야 합니다.


Ansys Sherlock

의 유한 요소 분석 시뮬레이션 예제

모델 기하학을 생성하는 것은 FEA의 가장 어려운 측면 중 하나입니다. 초보 FEA 사용자들의 일반적인 실수는, 제품 디자인 프로세스의 일부로서 생성된 CAD (computer-aided design) 모델이 직접 FEA 연구에 플러그인될 수 있다고 가정하고 있다. 설계자의 CAD 모델에는 일반적으로 엄청난 세부사항이 포함됩니다. 시뮬레이션 분석에 통합하는 데 몇 시간 또는 며칠이 걸릴 수 있습니다.

자세히 학습하려면 온 디맨드 웨비나 'ECAD to FEA to FEA to FEA' 를 참조하십시오.

그러나 이 세부사항의 대부분은 FEA 에서는 불필요하다. 또한, FEA 모델에 불필요한 세부사항을 포함시키면 품질 저하, 비효율적 시뮬레이션 실행 시간 및 부정확한 결과를 초래할 수 있습니다.

분석가에게는 디자이너가 전달한 모델을 단순화하는 시기와 방법을 이해하는 것이 효과적인 FEA 시뮬레이션을 위한 핵심 기술입니다.

요소 분석 최적화: 불필요한 오브젝트 기능 제거

대부분의 CAD 모델에서 즉시 제거할 수 있는 가장 일반적인 세부사항은 필렛과 라운드입니다. 실제 세계에는 진정한 광장의 가장자리가 거의 존재하지 않는다. 일반적으로, 에지는 둥글고, CAD 모델은 기하학적 구 체의 전부는 아닐지라도 많은 것에 이러한 반올림을 종종 포함할 것이다. 그러나, 정사각형 에지들은 FEA 세계에서의 메싱에 훨씬 더 쉽고, 대부분의 작은 필레들/라운드들은 전역 변위 계산들에 영향을 주지 않을 것이다. CAD 도구에는 일반적으로 Ansys Space클레임의 채우기 명령과 같이 파일렛/라운드를 제거하는 데 도움이 되는 기능이 있습니다. 이러한 기능을 적절하게 사용하면 사용자의 노력이 거의 없어 모델 복잡도를 빠르게 줄일 수 있습니다.


Ansys SpaceClaim에서 증분 라운드 제거
 

유효 Geometry와 제한조건 통합

다른 일반적인 단순화는 중요하지 않은 본문을 제거하거나 유효한 기하학적 또는 제한조건으로 대체하는 것입니다. 예를 들어, 대부분의 기계적인 조립체는 볼트 및 리벳과 같은 패스너를 포함한다. 때때로, 모델에 볼트의 기하학적 구조를 포함해야 할 수도 있습니다. 그러나 많은 경우에, 볼트 기하학적 구조는 매우 단순화된 3D기하학적 구조, 1D빔 요소로 대체되거나 완전히 제거되어 단단한 접촉 제한 조건 또는 고정된 경계 조건과 유사하게 될 수 있습니다.

기계적 충격 결과는 매우 작을 때 전역 및 국소적 결과를 무시할 수 있음
칩 구성요소가 제외될 때 (왼쪽) 포함되어 있습니다 (오른쪽).

예를 들어, 12x12인치 인쇄 회로 보드 어셈블리 (PCBA) 에서 기계적 충격을 시뮬레이션하는 경우 0201저항과 같은 매우 작은 구성요소는 모델의 글로벌 강성에 영향을 주지 않으며 완전히 제거될 수 있습니다. 16 PIN SOIC와 같은 더 큰 구성 요소를 모델링해야 하지만 솔더를 대체하여 리드와 보드 사이의 단단한 접촉과 연결할 수 있습니다. Ansys Sherlock 은 PCBA 제조를 위한 ECAD 정보를 도입하고 단순하고 메쉬화된 FEA 지원 PCBA 모델의 생성을 자동화함으로써 PCBA의 설계 단계에서 사용할 수 있는 정보에서 FEA 지원 모델을 생성하는 데 도움을 줄 수 있는 도구입니다.
 

FEA 모델을 개선하는 방법: 적절한 메시 생성

모델을 배변하는 것을 넘어서, 적절한 메시 생성을 위해 많은 결정이 필요합니다. 일반적으로 Ansys-DfR이 정확한 메시를 작성할 때 고려하는 세 가지 영역이 있습니다.

  • 쉘 및 솔리드 요소 선택
  • 16진 (벽돌) 대 tet (피라미드) 요소 선택
  • 적절한 메시 크기 및 메시 순서 선택


쉘 VS. 솔리드 요소

자주 사용하지 않는 CAD 기하학적 구조는 전체적으로 3차원으로 구성됩니다. 그러나, FEA 모델에서는 솔리드 3D요소가 아닌 쉘 요소를 사용하여 해당 본문 중 일부를 메쉬기하는 것이 유리할 수 있습니다.

쉘 요소는 신체의 두께를 물리적 특성으로 저장하는 3D지오메트리의 2D근사입니다. 이들은 차체의 두께보다 훨씬 더 큰 길이를 갖는 얇은 벽의 기하학적 형태로 사용될 수 있고, 그리고 전단 변형이 무의미할 때 (예를 들어, 시트 금속 샤시 또는 소다 상의 벽들). 또한 인쇄 회로 기판 (PCB) 내부에 얇은 구리층을 모델링하는 데 사용할 수 있는 특수 쉘 및 빔 보강 요소도 있습니다.

쉘 및 빔 지원군으로 모델링된 동축 PCB 기능

Ansys 셜록의 새로운 기능은 이러한 강화 기하학적 구조를 신속하게 생성할 수 있도록 합니다. 이러한 지원을 통해 사용자는 추적이 보드 변형에 미치는 영향을 효율적으로 캡처할 수 있습니다.

또한, FEA 모델에 쉘 요소를 적절하게 통합하면 시뮬레이션 런타임과 결과의 정확성을 모두 향상시킬 수 있습니다. 적절하게 사용될 때, 쉘 요소는 전형적으로 더 낮은 요소 카운트를 갖는 얇은 벽 구조 (예를 들어, 시트 금속) 상에서 더 높은 품질의 메시를 생성할 수 있고, 결과적으로 상당히 감소된 계산 비용으로 더 정확한 결과를 초래할 수 있다. "Ansys Space클레임의 미드표면 생성 기능" 과 같은 CAD 도구는 쉘 메싱의 기하학적 구조를 준비하는 데 도움을 줄 수 있습니다.


Ansys SpaceClaim Midsurface 툴을 사용하여 SSD (왼쪽) 가 표면 바디 (오른쪽) 로 교체되었습니다.

3D메싱이 보다 상세한 결과를 제공한다고 가정하는 것이 직관적으로 보일 수 있습니다. 그러나 항상 그렇지는 않다. 특히, 큰 굽힘의 경우에, 고체 요소는 종종 얇은 벽의 기하학적 형태로 사용될 때 인공적으로 뻣뻣한 구조를 생성하여, 부정확한 시뮬레이션을 초래한다. 또한 정확한 변위 및 스트레스 결과를 얻기 위해 얇은 벽 구조의 두께를 통해 메시를 정제하고 충분한 요소를 생성하는 것은 매우 어려울 수 있습니다.

또한, 기하학적 구조가 충분히 복잡한 경우, 얇은 벽 구조의 구조는 솔리드 요소가 사용될 때 불량한 메시를 초래하여, 좋지 못한 측면 비율을 갖는 슬리버 유사 요소를 생성하여 결과에 부정적인 영향을 줄 수 있습니다.
 

Hex VS. Tet 요소

FEA 모델 구성에서 헥사면체 (헥스) 요소 또는 사면체 (tet) 요소를 사용할지 여부를 결정할 때, 오브젝트 자체의 전체적인 모양과 복잡도를 기억하는 것이 중요합니다. 엄지의 일반적인 규칙은 가능하다면 헥사면체의 원소들과 메시를 형성하는 것이다. Hex 또는 " 브릭 요소는 일반적으로 사면체 요소보다 더 낮은 요소 카운트에서 더 정확한 결과를 초래한다. 그러나 오브젝트가 예각 또는 기타 복잡한 기하학적 구조를 포함하는 경우에는 반면체 요소와 함께 필요할 수 있습니다.


16진수 요소(왼쪽)와 테트 요소가 맞물린 동일한 차체입니다.

모델을 전체적으로 벽돌로 만들기에 충분한 모델을 단순화하는 것이 바람직합니다. 그러나 이는 항상 실행 가능하지는 않습니다. tet 메쉬를 필요로 하는 복잡한 기하학적 구조의 경우, 메시가 부정확한 결과를 초래하지 않도록 주의하라. 이는 보통 더 높은 요소 수, 높은 순서 요소 및 더 긴 런타임을 의미합니다.

이러한 이유로 필릿 제거 또는 차체 분할과 같은 모델 단순화를 통해 형상을 크게 변경하지 않고 육각 메시를 수행할 수 있도록 하는 것이 좋습니다.
 

메쉬 크기 및 순서

올바른 요소 분석에서 정확한 결과와 합리적인 런타임사이의 균형을 찾는 데는 메시 순서와 크기를 올바르게 이해하는 것이 중요합니다.

메쉬 크기는 요소의 특징적인 에지 길이를 의미합니다. 더 작은 메쉬 크기는 모델에서 더 많은 요소를 초래하여, 더 긴 런타임 및 보다 정확한 결과를 초래할 것입니. 순서는 요소 변위를 계산하는 데 사용되는 모양 함수를 설명합니다.

첫 번째 요소는 요소의 모서리에만 노드를 갖고 있으며 노드 간에 선형적으로 변위를 계산합니다. 2차 요소에는 모서리 사이에 있는 중간 노드가 포함되어 있으며 변위가 4대로 계산됩니다. 두 번째 순서 요소의 추가 세부사항은 일반적으로 정확도가 향상되지만 계산 비용이 크게 증가합니다.


2차 요소 (왼쪽) 와 선형 요소 (오른쪽) 입니다. 노드는 녹색으로 강조표시됩니다.
두 번째 주문 요소의 모서리 사이에 있는 미드사이드 노드를 참고하십시오.

효과적인 FEA 메쉬 생성의 핵심은 분석 중인 특정 문제에 대해 주문과 크기 간에 적절한 균형을 맞추는 것입니다. 가능한 경우 2차 요소를 사용하고 결과가 수렴될 때까지 망사를 반복적으로 세분화합니다. 그러나 고성능 컴퓨팅으로도 며칠에 걸쳐 해결할 수 있는 훨씬 더 큰 문제의 경우 이는 실현 가능하지 않을 수 있습니다. 이러한 경우 분석가는 경험을 활용하여 메시 크기와 주문에 대한 적절한 결정을 내려야 합니다.
 

FEA 모델을 개선하는 방법: 로드 응용프로그램의 올바른 로드

적절한 로드 응용프로그램 판별은 중요한 FEA 단계입니다. 로드 애플리케이션은 오브젝트를 테스트 중인 모델 입력 (예: 열 주기와 같은 특정 이벤트, 드롭, 진동 또는 정적 굴곡의 충격) 입니다. 오브젝트가 실제 환경에서 직면하게 될 이벤트를 시뮬레이션하려면 로드를 적용하는 방법에 대한 뉘앙스를 이해하는 것이 중요합니다.

한 가지 공통 예제는 적용된 로드가 정적 또는 임시로 적용되어야 하는지 여부를 판별하는 것입니다. 예를 들어, 엔지니어가 조립 중 구조체의 굴곡부를 시뮬레이션하는 경우, 변형율이 훨씬 더 느리고 결과적으로 시간-독립적이기 때문에 하중을 정적 변위로 모델링하는 것이 허용될 수 있다. 그러나 엔지니어가 동일한 어셈블리를 삭제하여 발생한 유사한 변형을 모델링하는 경우 로드의 애플리케이션 시간이 훨씬 빠르고 시간에 따른 영향을 파악해야 하므로 연관된 관성 효과를 캡처하기 위해 임시 모델을 사용해야 합니다.

전자 시뮬레이션 환경에서는 열 순환을 시뮬레이션할 때 유사한 사례를 자주 처리합니다. 예를 들어, (구성요소 레벨이 아니라) 보드 수준에서의 열팽창을 조사할 때, 선형 재료 특성 근사치가 종종 사용될 수 있고, 온도에 대한 시간 독립적인 램프가 합리적일 수 있다. 이것은 보드-레벨 변위 및 탄성 응력/변형이 크리프 균주/에너지보다는 분석의 초점인 경우에 허용된다. 그러나, 구성요소-레벨의 솔더 피로를 조사할 때, 시간-의존적 솔더 크리프 특성이 포함되어야 한다. 이 경우에, 단순히 온도를 선형으로 상승시키는 것이 아니라, 열 사이클의 램프 및 드웰 시간을 정확하게 적용하는 것이 중요하다. 크리프 모델에는 시간 종속적 특성이 포함되므로, 시뮬레이션된 주기는 솔더 피로 예측을 하는 데 사용되는 크리프 변형률/에너지 결과를 가장 정확하게 계산하도록 전체적으로 모델링되어야 합니다.

분석의 원하는 결과에 따라 동일한 실제 이벤트가 FEA 세계에서 항상 동일하지는 않습니다. 객체가 직면할 가능성이 있는 실제 스트레스 요인과 이러한 스트레스요인이 관심있는 구성요소에 영향을 미칠 수 있는 방법을 항상 염두에 두는 것이 중요합니다. 이러한 뉘앙스를 올바르게 입력하면 정확하고 유효하며 실행 가능한 분석이 발생합니다.

적절한 사전 처리를 통해 정확성에 영향을 주지 않고 FEA의 속도를 상당히 증가시킬 수 있습니다.

자세한 내용을 보려면 온 디맨드 웨비나 ECAD에서 FEA로 FEA로 이동하십시오. 를 확인하십시오.

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