SW Simulation을 이용한 실무 활용과 최적화 설계044813][1].pdf · Your Dreams, in 2 nodeDATA AGENDA 1. 유한요소 해석 기초 2. 실무 적용사례 Design Optimization

Your Dreams, in nodeDATA

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SW Simulation을 이용한 실무 활용과 최적화 설계

nodeDATA 기술부


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AGENDA

1. 유한요소 해석 기초

2. 실무 적용사례 Design Optimization Analysis

Glass 처짐량 최적화 해석

Bolt Connector

Motion Simulation

3. 성공사례

4. Summary


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1. 유한 요소 해석 기초


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설계에서 고려해야 할 문제들

제품은 재료의 변형 및 파손을 유발하는 단순 하중부터 진동, 피로 좌굴, 열 등의 다양한 외부 하중에 노출 될 수 있다

항복 영구 변형

파손

진동 외부충격

흔들림

피로

지속 가능성

좌굴

갑작스런

변형

열 열변형, 온도


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유한요소 해석이란?

구조물을 단순한 모양의 작은 조각들로 나누어 복잡한 하나의 문제를 동시에 해결 할 여러 개의 단순한 문제로 수식화 하여 문제를 해결하는 방법

평형 방정식 구성

[K]{u}={f}

변위 계산 (역 행렬) {u}=[K]-1{f}

변형률 계산 (B : 형상) {ε}=[B]{u}

응력 계산 (C : 물성) {б}=[C]{ε}


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유한요소의 선정 기준

Solid와 Shell 요소는 각 절점 사이에 절점을 추가 할 수 있다

구조물의 형상에 적합한 요소를 선정하는 것이 중요하다

Thin Walled Structures

Structural Members

Solid Element

Shell Element

Beam Element

Large Chunky Structures

Mixed Mesh

Solid Element Shell Element Beam Element


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유한요소의 수렴성

분할된 요소의 형태가 실제 형상과 유사한지 확인 한다

요소가 조밀할 수록 신뢰성은 높아지지만 많은 시간이 소요된다

Coarse Mesh 2,002 nodes

Moderate Mesh 29,677 nodes

Fine Mesh 170,552 nodes


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Moderate Mesh Coarse Mesh Fine Mesh


분할된 요소의 형태가 실제 형상과 유사한지 확인 한다

요소가 조밀할 수록 신뢰성은 높아지지만 많은 시간이 소요된다

Study Max Stress(Mpa) Displacement(mm) Solving Times(s)

Coarse Mesh 6.845 0.147 0.5

Moderate Mesh 7.932 0.149 2

Fine Mesh 8.393 0.149 13


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모든 부분이 동일한 정확성을 요구하는 것은 아니다

필요한 부분에 신뢰성을 높일 수 있도록 요소를 적절히 분배하는 것이 중요 하다

Times

Number of DOF

신뢰성

시간

최적조건


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2. 실무 적용 사례


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Design Optimization Analysis

최적화 해석이란?

최적화된 설계란 문제에 대한 응답을 정의된 구속 조건 범위 안에서 변수를 변경하여 목표 값을 최대화 하거나 최소화 하는 것

최적화 해석 구성 요소

설계 조건

설계 변수

목표


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컨베이어 부속품의 최적설계


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컨베이어 부속품의 최적설계

“설계 조건”을 만족하는 최적의 설계는?


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설계 조건

최대 응력은 50Mpa 보다 작아야 한다

최대 변위는 0.5mm 보다 작아야 한다

1차 고유 진동수는 300 Hz 보다 커야 한다

설계 변수

변수 1 : 1.5 ~ 3.5mm(A)

변수 2 : 1.25 ~ 6.5mm(B)

변수 3 : 2.5 ~ 9.5mm(C)

변수 4 : 2.5 ~ 9.5mm(D)

목표

원가 절감

변수3

변수2

변수1 변수4


Static Analysis

Frequency Analysis


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경계 조건

Material : 탄소강

구속

Motion 에서 구한 하중 적용


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Static Analysis Result

최적화 해석의 변수

Stress

Displacement

최대 : 23.45(Mpa)

최대 : 0.39mm


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Frequency Analysis Result

최적화 해석의 변수

1차모드 2차모드 3차모드


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최적화 해석 생성

최적화 스터디 추가 (오른쪽 클릭)


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모델 치수를 이용하여 변수 설정

변수 : 치수, 하중 및 구속 조건 등의 요구 사항

변수3

변수2

변수1 변수4


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구속 조건 및 Goal

구속 조건 : 무게, 응력, 센서, 변위, 고유 진동수, 온도 등의 해석 결과에서 부터 물성치와 치수에 이르기 까지 다양하게 선택 가능

구속조건 Goal


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변수, 구속 조건 및 Goal 설정

치수의 최소 값과 최대 값의 범위를 지정

시뮬레이션 Data를 이용한 구속조건 이용

Goal은 무게의 최소화 비용의 최소화


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Design Results

변수 값과 구속 조건을 이용하여 25개의 시나리오 작성

각 조건에 만족하는 최적의 형상 확인

* 변수 변수 1 – 1.25mm 변수 2 – 6.0 mm 변수 3 – 2.5 mm 변수 4 – 2.5 mm

* 구속조건 Stress – 28.06 N/m^2 Displacement – 0.49 mm Frequency – 303.06 Hz

* Goal Mass : 7.78Kg


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Design results

기존 대비 약 29% 무게 감소

Mass : 10.9Kg Mass : 7.8Kg

6.35 3.175

6.35

6.35

1.25 1.587

3.175

1.25

Before Optimization After Optimization

단위 : mm


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Vacuum Pad 위치에 따른 Glass 처짐량 최적화

VAS 장비 Glass 2장을 진공상태에서 합착하는 장비

Glass 처짐의 3가지 발생원인 Lifter Bar 형상에 대한 Glass 처짐

Vacuum Pad 위치에 따른 처짐

Vacuum Pad에 의한 합착 기류에 의한 Glass 처짐


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처짐량 해석 – Vacuum Pad 위치

고정블록

Vacuum pad

Glass Plate LIFT

대칭 구속 조건을 이용하여 모델의 1/4 만 해석

1/4 대칭 모델 작성 해석 모델

구속(16Point)

중력방향


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Mesh 모델

- SHELL 요소 사용 - 고품질 요소 사용 - 총 요소 수 : 6,246

제조사 삼성코닝

탄성 계수 7.36e+10 N/m²

포아송비 0.1

질량 밀도 2380 kg/m³

두 께 0.6t

Glass 물성치


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16 Point 해석 모델 변형배율 : X10

Displacement = 3.894mm


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Optimization Analysis

Vacuum Pad 위치 변수 설정

*변수 : Vacuum Pad의 위치 치수를 변수로 적용

변수3 변수2

변수1

변수4


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구속 조건 및 Goal

구속 조건 : 없음

Goal : 최소 변위

Goal

* 변수 변수 1 : 50 ~ 100 mm 변수 2 : 50 ~ 100 mm 변수 3 : 350 ~ 450mm 변수 4 : 350 ~ 450 mm

* Goal 변위 - 최소값


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Optimized Design Results

변수값과 구속조건을 이용하여 25개의 시나리오 작성

각 조건에 만족하는 최적의 설계를 찾음

* 변수 변수 1 : 99.69mm 변수 2 : 98.44 mm 변수 3 : 447.05 mm 변수 4 : 381.10 mm

* Goal Displacement : 2.058mm


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16 Point 해석 모델 변형배율 : X10

*Displacement : 2.058mm


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Results

Displacement : 3.894mm Displacemen : 2.058mm

Before Optimization After Optimization

기존 대비 약 1.9mm 처짐 감소


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Bolt Connector


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Bolt Connector

자동으로 Toolbox 부품을 Bolt Connector로 변환

볼트의 크기, 유형, 재질 및 예비 하중을 자동으로 변환

재질 / 크기 / 유형 / 예비하중 등


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Bolt Connector

Toolbox 부품을 자동으로 “Bolt Connector”로 변환


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Motion Simulation


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모션 해석

Pipe Lifter

Motion Simulation을 이용한 해석 진행


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모션 해석

4240 Spreader

Motion Simulation을 이용한 해석 진행


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3. 성공 사례


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성공사례

Alliance Space Systems

우주선 및 과학 기계 설비 제조 업체

화성 탐사 로봇(MER) 프로젝트 ‘Spirit 호’와 ‘Opportunity 호’의 로봇 팔을 개발

- ASI는 통합형 SolidWorks Simulation 을 사용하여 파트와 어셈블리 설계를 테스트 및 최적화 하였습니다.

- ASI는 무게의 경우 1 그램 단위까지, 공간은 1 밀리미터 크기까지 검토하였습니다.

- 우리는 응력과 열해석에서 SolidWorks Simulation을 사용하여 설계를 최적화 할 수 있었습니다.

-로봇 팔의 무게를 20% 감소


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성공사례

Kadant Johnson

로터리형 조인트, 사이폰과 난방 설비 제조 업체

고속 제지기 건조 장치의 로터리형 조인트와 사이폰 어셈블리의 최적화 설계

- SolidWorks Simulation을 사용하여 각 구성 부품을 최적화하고 짧은 시간 동안 더 많은 개념을 테스트하면서도 설계 반복 작업은 더 적게 할 수 있었습니다.

- 기존의 개발 기간보다 훨씬 짧은 기간에 더 강력하고 더 내구성이 있으며 더 가벼운 어셈블리를 만들어내었습니다.

- 각각의 세 가지 프로젝트에서 무게를 40%~50% 감소


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4. Summary


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Summary

• import, export로 인한 데이터 손실 없음

• SolidWorks와 동일한 환경에서 구동

SolidWorks와의 완벽한 호환

• 다양한 material 라이브러리 지원

• drag 기능을 이용하여 간단히 조건 부여

라이브러리 기능 제공

• 한글 메뉴 및 한글 도움말, Tutorial 지원

• Auto mesh 지원

사용이 쉬운 구조


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Premium Dynamics Non linear Composites

Professional Thermal Fatigue

Buckling

Drop Test

Frequency

Optimize

Pressure Vessel

Motion Pro

Motion Static SolidWorks

Premium

Simulation Product Matrix

구조 해석부터 열, 유체, 동역학, 사출 성형 해석 까지!!

Flow Electronics HVAC Flow

Simulation

Plastics Premium

Professional

다중 캐비티 러너 밸런싱 냉각 시간

섬유 해석& 복굴절

코인젝션 인서트 오버몰딩

쉘 &솔리드 메싱

웰드라인

충전

에어트랩 다중 게이트

미성형


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Q&A

[email protected]

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감사합니다

www.nodedata.com

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