야금야금 CAE: 꿀바른 HyperWorks (제 4편 Analysis Type -3-)

한국알테어의 YUNA 입니다!
유한요소해석에 관심있는 모든 분들을 위해 간단한 이론과 HyperMesh를 이용해서 FEA Process를 차근차근 배워보는 “야금야금 CAE: 꿀바른 HyperWorks”를 연재합니다.
1년에 걸쳐 연재할 예정이니 앞으로 한 주에 하나씩 함께 배워요!


제 4편 Analysis Type (해석의 유형) -3-

안녕하세요! 이번 시간에는 Fatigue, CFD, Crash Analysis와 Optimization에 대해서 살펴보도록 하겠습니다.

(1) Linear static analysis (선형정적해석)
(2) Nonlinear analysis (비선형해석)
(3) Dynamic analysis (동적해석)
(4) Thermal analysis (열해석)
(5) Fatigue analysis (피로해석)
(6) CFD analysis (유동해석)
(7) Crash analysis (충돌해석)
(8) Optimization (최적화)

(1) Fatigue analysis란?

Fatigue(피로)란 재료가 반복 하중을 받는 것을 말합니다. 재료가 항복응력이 넘지 않아도 탄성영역 내에서 반복 하중이 작용하면 파괴가 일어날 수 있습니다. 이러한 현상을 예측하고 방지하기 위해 피로해석을 수행하게 됩니다. 피로해석에서는 대표적으로 S-N(Stress-life) curve 와 E-N(strain-life) curve를 사용하여 반복적인 하중하에 있는 구조물의 수명을 예측하게 됩니다. 두 가지 피로해석 방법에 대해 살펴 보겠습니다.

 a) Stress-life method (S-N Curve)
S-N curve란 파괴가 일어날 때까지의 stress와 cycle의 관계를 정의해준 것입니다. S-N curve는 기본적으로 구조물에 가해지는 반복 하중의 응력수준이 탄성영역 내에 있을 때 수명을 예측하기 위해 사용합니다. 최소 1000회 이상의 high-cycle 피로에 적용하게 됩니다.

SN_results<실험으로 얻은 S-N curves >

재료의 피로물성치는 위와 같이실험을 통해 얻을 수 있으며, 아래와 같이 수식으로 정식화 할 수 있습니다.

SNcurve< 정식화한 S-N curves >

S = S1 (Nf )b1SN parameter

 S는 반복하중에 의한 응력결과로 해석을 통해 얻을 수 있으며 피로 물성치 b1, S1 값들은 실험을 통해 얻을 수 있습니다. 반복하중에 의한 응력결과와 피로물성치를 알면 위의 수식을 통해서 피로수명(Nf)을 알 수 있습니다.

b) Strain-life Method (E-N Curve)
E-N curve는 파괴가 일어날 때까지의 strain과 cycle의 관계를 정의해준 것입니다. S-N curve와 다르게 low-cycle 피로에 사용되며 탄성영역에서의 strain 뿐아니라 소성영역에서의 strain까지 고려할 수 있습니다. S-N curve와 마찬가지로 정식화된 E-N curve와 수식을 이용해 구할 수 있습니다.

ENCurve< E-N curves >
ENEN parameter

(2) CFD analysis란?

 Fluid란 Shear Stress를 받았을 때 연속적으로 변하는 물질들을 말합니다. Gas와 liquid 두 가지를 Fluid 라고 합니다. Computational Fluid Dynamics(CFD)는 Fluid Dynamics 문제를 분석하는 데 사용되는 많은 방법 중 한 가지로, Navie -Stokes equation(mass, momentum, and energy conservation equilibrium equation)을 기반으로 해석을 수행합니다.
Fluid는 시간이 지남에 따라 변하지 않는 정상유동과 시간이 지남에 따라 변하는 비정상 유동으로 나뉘며, 점성, 차원, 난류, 압축성, 속도 등의 유동 특성에 따라 분류하게 됩니다. 아래의 표는 이러한 기준에 따라 Fluid를 분류해둔 것입니다.

CFD_Fluid MechanicsCFD_Flow classification

(3) Crash analysis란?

Crash analysis란 충돌 해석입니다. 앞서 나온 Nonlinear의 Large Deformation에 포함되는 해석입니다. 안전 법규 준수 및 성능을 확인하기 위해 수행되는데요, 3가지로 분류할 수 있습니다.
첫 번째, 구조적으로 충돌할 때 변형이 어떻게 되는지 확인하기 위해 수행합니다.
서 있거나 움직이는 차량을 충돌시켰을 때, 변형이 많이 되는지, 어디에 문제가 있는지 확인하기 위해 수행합니다.
두 번째, 물건의 낙하충돌 해석을 수행합니다. 물체를 자유낙하시켜 구조적으로 안전한 지 점검하기 위해 수행합니다. 주로, 비행기 안의 블랙박스, 핸드폰, TV, 냉장고에 적용됩니다.
세 번째, 승객 안전을 위해 수행합니다. 운전자뿐만 아니라 승객의 안전을 보장하기 위해 충격이 인체에 미치는 영향을 찾기 위해 수행합니다.

(4) Optimization이란?

Optimization이란, Altair의 강점 중 하나로 물건이나 구조물이 stress 등 제약 조건을 만족하면서 최적의 형상을 찾는 해석입니다. ‘제 1편 CAE란 무엇일까요?’ 에서 잠깐 소개했었는데요, optimization은 design 단계에서 따라 크게 두 가지로 나누어 집니다. 먼저 초기 단계에서 ‘concept’을 얻기 위해 수행합니다. ‘concept’ 디자인을 얻어 모델의 형상을 잡는 것인데요. 이를 통해 설계의 방향을 잡을 수 있습니다. topology, topography, free size optimization이 여기에 포함됩니다. 두 번째로는, 상세설계 단계에서 ‘fine tuning’을 위해 수행합니다. 이미 만들어진 모델에서 optimization을 수행하여 기존 모델을 개선 할 수 있습니다. size, shape optimization이 이에 포함합니다. 초기 설계의 방향을 잡아주고,  개선해주 는 Optimization! 정말 유용하죠?!

이번 블로그는 여기까지입니다. 이로써 해석유형 모두를 살펴보았습니다. 다음 시간부터는 유한요소해석에 대해서 살펴보도록 하겠습니다. 다음 주에 만나요^-^!

– 참조
이 자료는 “Practical Finite Element Analysis” 책의 내용과,  HyperWorks Help Documentation 자료를 포함하고 있습니다.
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