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1. 해석.시뮬레이션 소개
고체, 액체, 기체에 대한 모든 물리현상들은 컴퓨터로 구현이 가능해 지고 있다. 컴퓨터 상에 실제 3D 모델을 만들고 실제 환경과 같은 물리적인 조건들을 넣어주고 솔루션으로 해석(Analysis)을 수행하면 물리 현상이 어떻게 작용하는지 볼 수 있다.
이런 모든 과정을 CAE, 해석 또는 시뮬레이션이라고 부른다.
2. 해석.시뮬레이션 종류
- FEA(Finite-Element Analysis, 유한 요소 분석법): 구조해석, 진동해석, 충격해석, 피로해석
- CFD(Computational Fluid Dynamic, 전산 유체 역학): 열해석, 유동해석, 풍동해석, 음향해석, 폭발해석, 전자기해석
3. 해석 프로세스 (CAE Process)
4. CAE 주요 적용분야
- 기계, 자동차, 모바일, 전기, 전자, 반도체, 통신장비
- 도시, 건설, 건축, 토목, 환경, 각종 인프라
- 조선, 해양, 중공업, 에너지, 발전, 플랜트, 공장
- 국방, 무기, 방산, 항공, 우주과학, 첨단장비
- 화학, 화공, 재료, 금속, 신소재
- 바이오, 의료, 약학, 생체역학, 스포츠과학
1. 구조해석
기계요소나 기계요소들을 조합한 기계 등의 구조물이 외력을 받았을 때, 구조물의 강성, 응력분포, 변형량이 어떻게 되는가에 관해서 수치계산을 하여 그 근삿값을 알아내는 것이다.
구조해석은 탄성영역에서의 선형해석과 소성영역에서의 비선형해석으로 대별된다. 수치계산 방법으로는 일반적으로 유한요소법(FEM)을 쓰는 경우가 많다. 최근에는 컴퓨터의 발달에 의하여 퍼스널 컴퓨터로도 용이하게 구조해석을 할 수 있는 범용구조해석 소프트웨어를 이용해서 구조해석을 한다. 그리고 구조해석을 수행한 후 안정성을 평가한 최종 보고서를 제출한다.
2. 유한요소법(FEM)
복잡한 구조체를 삼각형이면 삼각형, 사각형이면 사각형등 간단한 기하학적 모양을 가지는 수많은 작은 단위구조로 나눌 수 있습니다. 이 단위구조를 유한요소(finite element)라고 하는데, 이 단위구조의 기하학적 모양이 단순하므로, 전체 구조에 대해서 이 단위구조에 작용하는 역학적 반응치들(각 절점당 3개의 변위치와 3개의 변위각, 그리고 3개의 반력과 3개의 모멘트)을 의외로 쉽게 구할 수 있습니다. 이렇게 각각의 단위구조에 대해서 구한 역학적 반응치들을 전체 시스템에서 합하여 복잡한 형태의 전체구조의 전체적 역학적 반응치를 구하는 기법을 유한요소법이라고 합니다.
3. 매트릭스 구조해석
2차원 frame 구조를 해석하면서 보다 간편하게 과정을 가져가고자 고안된 기법입니다. 2차원 frame의 경우, 각 요소가 보요소(beam)로 간주됩니다. 이렇게 되면 각 요소의 끝 다른 요소와 만나는 점(이것을 절점, joint라고 합니다)에서의 반력이 모멘트와 전단력이 되고, 변형은 수직변위와 연직변위 그리고 회전각이 됩니다. 이 반력과 변형간의 관계가 각 요소마다 구해질 수 있고, 이것이 전체적인 시스템에서 합해지는데, 이 합해져서 전체적인 시스템에서의 역학적 반응치를 구하는 과정에 매트릭스 연산을 도입해서 보다 능률적으로 가져간 기법입니다.
4. 유한요소법과 매트릭스 구조해석의 차이점
매트릭스 구조해석이나 유한요소법이나, 그 풀이과정에서 다차원 연립방정식이 도출되어, 이 해를 매트릭스 연산으로 풀어내는 것은 같습니다. 하지만 매트릭스구조해석이 2차원 frame을 대상으로 하는 방법이므로, 수계산 수준으로 가능한 반면, 유한요소밥은 주로 2, 3차원 solid 구조를 대상으로 하므로, 미지수가 많고, 연립방정식 숫자가 워낙 많으므로 컴퓨터를 이용해서만 가능하다는 차이점이 있습니다.
5. 구조계산서, 구조검토서
구조계산에서 하중의 계산은 다음과 같은 계산서의 형식으로 정리된다.
1) 설계기본사항: 평면·단면, 허용응력도, 하중일람표.
2) 설계준비계산:설계방침, 평면과 라멘 기호, 단면적·단면 2차 모멘트·강비(鋼比) 등의 계산.
3) 지진·바람 등에 의한 응력계산.
4) 연직하중에 의한 응력계산.
5) 각 재료의 장기·단기 응력의 일람표 및 응력도와, 압축변형의 검정.
구조계산서 및 구조검토서는 구조해석과 별도로 고객의 요구에 따라 수행된다.
6. 안정성 검토
구조해석을 수행 한 후 재료의 허용응력범위를 기준으로 구조에 대한 안정여부를 평가해 준다.
기계, 장비, 건축, 토목 등의 구조해석을 수행한 후 안정성 검토를 한 다음에 설계에 반영되도록 한다.
안정성 검토 이외에 구조안전진단은 구조해석과 별도로 고객의 요구에 따라 수행된다.
1. 진동
일반적으로 어떤 물체가 기준 위치에 대해 반복운동을 할 때 그 물체는 진동한다고 말한다. 이때 기준 위치에 대해서 다시 그 위치로 돌아오는데 걸리는 시간을 주기라고 말한다. 1초 동안에 완전한 운동 주기가 일어나는 횟수를 주파수라고 말하며, 단위는 Hertz(Hz)를 사용한다.
물리적인 의미의 진동은, 같은 시간 간격으로 되풀이 되는 모든 운동을 주기운동 혹은 조화운동(harmonic motion)이라고 하는데, 이 주기운동을 하는 입자가 운동하는 경로마저 같을 경우 이 운동을 진동이라 한다. 이 진동의 예로는 손목시계의 태엽
바퀴의 진동, 바이올린 줄의 진동, 음파가 통과해 갈 때 일어나는 공기분자의 진동 등을 들 수 있다. 진동신호를 각각의 주파수 성분으로 분리하는 것을 주파수 분석이라고 하는데 이 주파수 분석은 진동을 측정하여 해석하는 기본적인 기술이다.
2. 진동 시험기(Vibration Test System)
일반적으로 진동 시험을 수행하는데 필요한 장치를 일컫는다. 통상적으로 진동시험기에는 가진기(Vibrator or Shaker), 증폭기(Amplifier), 제어기(Controller) 그리고 가속도계(Accelerometer)로 구성된다.
3. 모드 해석 (Mode Analysis)
모드 해석은 임의의 동력학계를 유한개의 자유도를 갖는 수학적 모델로 기술하기 위하여 실험이나 해석을 통해 충분한 모드 인자를 결정하는 과정 또는 그 결과 유도된 수학적 모델을 이용하여 계의 거동을 기술하는 방법론을 일컫는 말이다.
동력학계의 모드 인자는 그 동력학계의 고유진동수, 모드 형상, 고유벡터, 감쇠비 등이 있다. 해석적인 방법에 의한 모드 해석은 모드의 고유벡터로 이루어진 모드 행렬을 변환행렬로 삼아 계의 자유도를 줄이고 각 자유도에 대하여 비연성화 된 운동방정식을 얻는 방식으로 이루어진다.
4. 구조물의 진동제어 방법
지진하중에 대하여 구조물이 부여된 성능 수준을 만족하도록 설꼐 도는 보강하기 위해서는 구조물 자체의 강 성이나 연성능력 으로 조정하는 방법과, 구조물에 부가의 감쇠기 혹은 진동제어장치를 설치하고 건물에 부가적 인 강성, 감쇠 또는 연성을 적절히 부여하여 구조물에 미치는 외력의 영향을 감쇠기의 에너지 소산으로 변화시켜 구조물의 구조적 성능을 보존하는 방법 등 크게 두가지로 나눌 수 있다.
이러한 방법 중 구조물에 부분적으로 감쇠기와 같은 부가적인 진동제어 장치를 설치하여 감쇠기의 에너지 소산을 통한 구조물의 감쇠력을 높여주는 것은 매우 효과적인 방법으로 알려져 있다.
충돌과 같은 순간적으로 발생하는 동적거동에 대한 비선형 해석을 해석한다.
낙하충격, 준정적 해석문제, 급격한 접촉조건해석, 급격한 재료 변화 및 파손/손상 해석 등이 제공됩니다.
- Shock Wave Propagation
- Complex Contact
- Large Deformations and Strains
- Fragmentation
- Non-liner Buckling
- Non-liner Material Behavior
폭발해석
비선형성이 큰 동력학 문제가 발생 할 경우에 대변위/대변형 문제를 해결하 해석이다.
Lagrange Solver와 Euler Solver간의 Coupling 으로 유체와 고체간의 연성문제를 해결 할 수 있는 장점을 가지고 있다.
충격, 관통, 폭발 등의 비선형이 강한 역학 문제들을 주요 해석한다.
해석 대상이 되는 하나의 문제에 여러 가지 Solver를 선택적으로 적용할수 있음
• 다양한 종류의 물성 라이브러리와 물성모델을 제공
• 사용자가 자신의 물성라이브러리와 물성모델을 추가로 저장, 참조, 수정 가능
물성모델
- 표준 물성 라이브러리 : Element, Compounds, Alloy, Synthetics, SESAME, Tillotson, HULL, Zerilli-Armstrong, Puff, Steiberg-Guinian, Johnson-Cook, Lee-Tarvar
- 재료 거동표현 물성
:
상태방정식,
: 강성모델,
: 파손모델,
• Laglange Solver에서 발생할 수 있는 요소의 외곡특성에 대한 해석 가능
: 아주 큰 병형이나 자료의 관통등를 해석 가능
: 외곡이 적용된 양보다 클 경우 외곡이 일어나는 절점을 모델에서 탈락시킴으로써 파손형태로 형상화
• 다양한 폭약 모델 제공
- Wave shaper
를 같는 것과 같이 복잡한 형상의 폭양에 있어서도 폭발순서를 자동으로 계산
- 임계에너지에 도달한 폭발이 자동으로 발생하는 Lee-Tarvar 모델 제공
1. 유동해석
유동해석은 컴퓨터를 이용하여 성형 조건과 게이트 위치 등을 연속적으로 변경시키므로 적정흐름 형상을 찾을 수 있도록 도와주는 기법이다.
2. 유동해석과정
유동해석과정은 우선 부품의 컴퓨터 모델을 만들고 초기 게이트 위치를 선정한다.
수지가 예상된 형태로 캐비티 내를 흐르는 것을 도식화하여 수치적으로 나타내어지며 동일한 온도와 압력분포가 전 제품에 계산되어 나타나지고 부수적으로 웰드라인 위치나 과충전 같은 바람직하지 않은 현상들이 관찰되어 진다. 이 반복적인 접근 방법에 의해 실제로 금형을 제작하기 전에 여러 가지 방법으로 분석하여 성형의 어려움을 파악하고 설계단계에서의 수정을 가능하게 한다.
3. 전산유체역학(CFD, Computational Fluid Dynamics)
유체의 물리적 움직임을 수학식으로 표현한 편미분방적식 또는 적분방적식들을 사람의 수작업 등으로 간단히 구해지지 않는 복잡한 유동현상에 대한 유체운동 방정식을 컴퓨터를 이용하여 수치적 방법으로 풀어 시뮬레이션하는 방법이다.
CFD는 실제로 우리가 알고 싶은 선박, 자동차, 항공기 주위와 내부 그리고 다양한 기계, 화학공업장치, 전자기기 내부에 대한 복잡한 유동현상에 대한 시뮬레이션이 가능하다. 이러한 점에서 CFD는 시간을 절감할 수 있는 경제적인 방법이고 시뮬레이션 과정에서 대부분의 우체 운동정보를 모두 얻을 수 있어서 효과적인 방법이라고 할 수 있다.
4. 전산유체역학 적용분야
자동차의 경우 엔진소음분야의 소음수준이 많이 감소함에 따라 고속에서의 발생하는 주요 공력소음에 대한 연구, 연소해석, 자동차 엔진 실린더 헤드 내의 회전유동해석 등에 CFD가 적용되고 있다. 전제제품에 CFD가 적용된 예로서 잉크젯을 설계하는데 부품이 작아서 실험이 어려운 잉크 액정의 생성, 크기, 형상해석과 컴퓨터의 냉각 장치 해석 등이 있다.
항공분야에서는 무중력 상태에서의 연소특징 해석에 CFD를 이용하고 있으며, 연료 탱크에서 연료 흐름과 항공기와 우주선이 받는 추진려고가 토크의 크기해석과 연료혼합 문제해석 등에도 적용되고 있다. 이외 자연과학 분야 등 여러 분야에서 다양하게 CFD해석법이 이용되고 있다.
5. 적용 사례
1. 풍압해석
풍압해석은 바람에 의한 구조물에 어떤 영향을 받는지를 해석하는 것이다. 3D모델링을 가지고 해석용 격자를 생성하고 구속조건과 재료의 물성치를 넣은 다음 해석프로그램으로 해석을 수행한다. 그리고 해석결과를 분석한 후 최종 보고서를 제출하면서 안정성을 검토해 준다.
적용 사례
2. 풍동해석
풍동해석은 공기가 흐르는 현상이나 공기의 흐름이 물체에 미치는 힘 또는 흐름 속에 있는 물체의 운동 등을 파악하기 위해 3D모델링을 가지고 해석용 격자를 생성하고 구속조건과 재료의 물성치를 넣은 다음 해석프로그램으로 해석을 수행한다. 그리고 해석결과를 분석한 후 최종 보고서를 제출하면서 안정성을 검토해 준다.
3. 플러터해석
공기 흐름에서 에너지를 받아 일어나는 진동으로, 비행기의 속도가 빨라졌을 때 주날개와 꼬리날개가 공기 힘에 의하여 심한 진동을 일으키는 현상을 말한다. 비행속도가 느릴 때는 날개에 생기는 미소한 교란으로 인하여 날개의 탄성진동이 발생하여도 날개의 진동에 따라 일어나는 공기 힘에 의하여 감쇠된다.그러나 비행속도가 빨라지면 날개의 진동에 따라 일어나는 공기 힘이 날개에 진동을 일으켜 심한 진동이 생긴다. 일단 플러터가 발생하면 진동이 급속히 퍼져 비행기는 공중분해되므로 비행기를 운행할 때는 이러한 플러터가 발생하지 않도록
그 속도를 제한한다.
4. 내풍구조
예측풍압력(豫測風壓力)에 대해서 안전하고, 동시에 바람에 의한 진동이 거주환경으로서 지장이 없게 설계된 구조로, 병풍 모양의 초고층 빌딩과 가볍고 휘기 쉬운 현수구조(懸垂構造), 공기막구조(空氣模構造) 등의 구조설계에서 중요하다.
A. 내풍해석 및 설계 흐름도
5. 고풍 속에서의 내풍안정성 해석 및 설계기술 개발
-장대교량 공탄성해석기술 개발
-가설 중 내풍안정화 설계기술 개발
-풍동실험과 내풍해석을 연계한 설계기술 개발
-실교량 풍 계측자료 활용기술 개발
-전산유동장해석 활용기술개발
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