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ANSYS 블로그

June 23, 2021

Ansys 메커니즘을 사용한 Mesh및 Simulate Weld 방법

이전 블로그 The Fundamentals of FEA Meshing for Structural Analysis에서, 유한 요소 분석 (FEA) 메싱, 메싱 메소드의 유형 및 시뮬레이션의 정확성에 좋은 품질의 메쉬가 중요한 이유를 설명했습니다.

해당 블로그에서 오토바이 프레임 예를 다시 한 번 사용해 보겠습니다.용접 또는 볼트 연결부가 지오메트리에 위치하는 다양한 메싱 전략 을 사용하여 전체 모델 대신 특정 위치에 보다 정교한 메쉬를 만들 수 있으며, 이를 해결하는 데 시간이 더 오래 걸릴 수 있습니다. 이 블로그에서는 용접 메시와 용접 분석을 위해 우수한 품질의 메시를 갖는 것이 중요한 이유에 대해 설명합니다.

모터사이클 프레임 지오메트리는 서로 다른 유형의 용접 연결을 표시합니다.

Motorcycle frame geometry shows different types of welded connections.

 

용접된 구조에서 사용되는 요소 유형

용접은 열을 사용하여 국부화된 영역에서 재료를 용융시키고 결합되는 기본 금속을 융합하는 데 사용되는 편리한 제조 공정입니다. 용접은 엔진 블록과 같은 두꺼운 캐스트 부품 및 자동차의 프레임과 같은 얇은 벽 부분 모두에서 공통적으로 사용됩니다.

시뮬레이션은 널리 사용되고 있으며 이러한 용접 구조의 강도와 내구성을 분석하는 잘 확립된 방법입니다. 용접의 메싱에 주의 깊게 주의하여 용접의 유용한 수명을 정확하게 계산하고 충돌 또는 소음, 진동 및 심각도 (NVH) 분석을 위한 구조의 강성을 표시할 수 있습니다.

용접 구조의 분석을 위해 솔리드, 쉘 및 빔 요소의 혼합이 일반적으로 사용됩니다.

솔리드 요소는 주조 및 단조 공정에 의해 제조된 부피가 큰 부품을 모델링하는데 사용될 수 있지만, 쉘 및 빔 요소는 시트 금속 성형, 롤링 및 그리기 작업에 의해 제조된 얇은 벽의 기하학적 형태를 나타내기에 편리하다. 빔 및 쉘 요소에서의 곡률의 변화를 균주에 연결시킴으로써, 얇은 부분은 보다 작은 크기의 매우 정확한 모델로 편리하게 표현될 수 있습니다. 

쉘 요소 및 빔 요소로 시뮬레이션된 용접

Welds simulated as shell elements (right) and welds simulated as beam elements (left).

 

Welds Meshing및 Simulating Weld

구조화된, 구조화되지 않은 Mesh를 사용하여 Weld 시뮬레이션

복잡하고 얇은 벽의 기하학적 구조를 위한 메싱 기술이 비약적으로 발전하여 복잡한 기하학적 구조에서도 구조적인 메쉬를 가능하게 만들었습니다. 몇몇 응용에서, 변형 패턴 및 변형값의 변화는 바람직한 방향을 갖는 구조화된 메쉬를 갖는 바람직한 방향을 갖는다.  

구조화되지 않은 메쉬와 비교할 때 상대적으로 큰 요소를 사용하여 정확하고 메쉬 크기의 독립적인 솔루션을 얻기 때문에 구조화된 메쉬가 편리합니다. 이는 특히 용접 각각의 수명을 평가할 때 유용합니다. 

용접된 기하학적 구조로 구성된 구조화되지 않은 구조

Structured (left) vs. unstructured (right) mesh shown on welded geometry.

 

Welds를 시뮬레이트하는 이유

용접 구조 분석의 특별한 과제는 분석을 위한 용접부의 생성 및 맞물림입니다. 예를 들어, 일반적인 자동차 프레임 구조에는 수천 개의 개별 스폿 용접이 포함될 수 있으며, 오프로드 차량의 섀시 구조에는 수십 개의 심 용접이 포함될 수 있습니다.   

Ansys Mechanical 는 사용자가 효율적이고 자동화된 방식으로 부분 및 경계선 용접을 하고 모델링할 수 있도록 합니다. 사용자는 CAD(Computer-Aided Design) 시스템에서 용접 위치를 가져와 스폿 용접 연결을 신속하게 만들 수 있습니다. 여기에는 정확한 표현을 위해 개별 용접부의 강성을 제어할 수 있는 기능이 포함됩니다. 편리한 메쉬 도구를 사용하여 용접 루트 위치 및 열 영향 구역 영역에서 적절한 메쉬 패턴을 가진 심 용접을 만들 수 있습니다. 이는 피로 수명을 예측하는 데 매우 중요합니다.

용접부의 메시 품질과 수명의 중요성

용접된 구조물은 조화롭거나 랜덤하게 변화하는 하중, 탱크 가압 및 감압, 자동차 섀시 가속, 제동 및 도로 범프 등 다양한 하중 조건에 따릅니다.

이러한 피로 부하 하에서 용접 수명을 평가하는 경우, 기본 재료 특성을 변경하는 용접 프로세스를 고려해야 합니다. 용접 풀의 신속한 냉각은, 낮은 연성 (ductility) 을 갖지만, 경도를 증가시킬 수 있다. 용접 공정 동안의 불순물은 또한 개별 용접의 강도에 해로울 수 있다. 정확한 수명 예측을 위해서, 용접 과정 후에 베이스 재료에 있는 상기 및 임의의 잔류 스트레인에 대해서도 설명할 필요가 있습다. 

피로 계산을 위해 용접 연결에서 열에 영향을 받는 구역을 유지합니다.

Maintain heat affected zones in weld connections for fatigue calculations.

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<! -- [gte mso 9]> 정상 0 거짓 (false) 거짓 (false) 거짓 (false) EN-US X-NONE X-NONE <! [endif] -->

 

이러한 요인은 다음과 같은 계산 중에 고려될 수 있습니다. 피로 도구를 사용한 용접의 수명 생명 예측이 민감하기 때문입니다. 용접된 열에 영향을 미치는 영역에서의 응력 구배에 대해, 이는 필수적인 것이다. 상기 메쉬는 이 영역에서 적절한 크기로 되어 있습니다.  

구조화된 사각형 메쉬는 이러한 유형의 상황 이는 용접된 토우에서의 피크 스트레스를 포착하는 데 적합합니다. 상기 영역 주변의 급격한 응력 구배를 제공합니다. 규칙적인 모양의 메시 (graded mesh) 크기는 용접의 내구성을 평가하기에 이상적이며, 요구사항은 다음과 같습니다. 충돌 안전 분석을 위해서 다릅니다. 여기에서, 균일한 크기의 메쉬가 바람직하다. 연산 효율을 위한 것이다.

등급이 낮은 메쉬 크기는 솔루션 시간을 증가시킬 수 있습니다. 발명의 내용 충돌 및 NVH 분석 모두에 대해, 정확한 용접 강성의 표현이 가장 중요하다. 이것은 동적인 구조에 의한 에너지 흡수의 정확한 계산 모달 및 고조파 분석에서 충돌하는 로드 또는 자연 주파수 모드에 필수적입니.

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용접 루트 및 토우 위치를 유지하기 위해 육각 요소로 시뮬레이션된 이음매 용접

Seam welds simulated with hex elements to maintain weld root and toe locations.

 

Ansys Mechanical은 용접 구조의 매개변수 설계를 허용하는 고유한 장점을 가지고 있습니다. 설계 변경으로 용접부를 자동으로 재생하는 기능은 생산성을 크게 향상시킵니다. 충돌, 내구성 및 NVH 워크플로우에 대한 최소한의 설정을 사용하여 메쉬를 생성하는 편리함, 피로 수명을 계산하기 위한 Ansy nCode DesignLife 로의 원활한 연결과 함께 강력한 사용자 경험을 제공합니다.

On-Demand 웨비나 FEA (Ansys Mechanical) 의 FEA Preprocessing Productivity 개선방안을 참조하십시오.

또한 Ansys Learning Hub에서 Ansys Explicit Dynamics 과정을 사용할 수 있습니다.

 



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