야금야금 CAE: 꿀바른 HyperWorks (제 9편 Meshing 소개 -1-)

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 9편 Meshing 소개 -1-

이번에는 Meshing에 대해 소개를 하려고 합니다! Node와 Element의 그물망 형태를 Mesh라고 하고, Mesh를 만드는 것을 Meshing이라고 합니다. 사람에 따라 Modeling 한다고 하기도 합니다. :-)

Mesh의 Element에는 여러가지의 타입이 있어요.
1D, 2D, 3D Element 들이 아주 많이 있답니다!(솔버마다 이름이 달라요 @.@)

해석자는 알맞은 Element의 타입을 선택해서 Meshing해야합니다. 왜냐하면 타입에 따라 해석 계산 시간, 결과가 달라질 수 있기 때문이죠!

저는 어떤 Element 타입을 써야 되는지 몰라요!
혹시, 쓰는 기준이 있는지요?

처음 해석을 접하시면 제일 궁금한 부분이기도 합니다!
절대적인 기준은 아니지만, 대체로 세가지 기준에 따라 정해주시면 되요
Geometry의 크기와 모양, 어떤 해석을 할 것 인지!
프로젝트 시간이 얼마나 주어져 있는지(중요! 우린 시간이 없어요ㅜ..ㅠ)
결과의 신뢰성을 가지면서 빠르게 해석 하는것도 해석자의 능력!

a. Geometry의 크기와 모양에 따라!
Geometry의 형상에 따라 1D, 2D, 3D 로 분류해서 적절한 Element를 선택해 주어야 합니다. 아래 그림과 같이 1D는 선, 2D 는 종이와 같은 얇은 두께의 평판, 3D는 큰 부피를 가진 형태입니다.
Element Type
이해를 돕기위해 어디에 적용하는지 보면! 아래와 같이 쓰입니다!
1D Element는 Long shaft, rod, beam, column, spot welding, pin joints
2D Element는 얇은 박판 금속 부품! 두께 대 넓이의 비가 매우 큰 부재들!
3D Element는 bearing, clutch housing, engine block, crank shaft

b. 어떤 해석을 할 것 인지!
해석 타입에 따른 Element의 타입이 달라질 수 있습니다. 일반적으로 Element는 정육면체, 혹은 정사각형이 가장 좋습니다. 하지만, 모델링이 다소 까다로운 구간에서 정육면체로 모델링을 하는것은 정말 어려워요ㅠ.ㅠ 이럴땐, 신뢰성을 확보할수 있는 조건들을 만족시키면서 Tetra(삼각뿔), Penta(삼각기둥), Tria(삼각형) 요소들을 사용해서 Meshing을 하게 됩니다.

또한, 얇고 넒은 판 부재의 굽힘 해석을 하고 싶다면?
중간면을 추출해서 2D Element로 Meshing을 한 다음 수학적으로 두께를 주고 해석을 하면 Mesh 및 해석 시간도 줄이면서 신뢰성도 좋은 결과를 뽑아 낼 수 있죠!

c. 그리고 나에게 주어진 시간!
시간이 제한되어 있지 않다면, 정사각형, 정육각형의 Element를 사용하면 됩니다! 하지만,때때로 엄청 타이트한 마감일이 주어진다면, 해석을 하는 사람은 레포트를 빨리 내야겠죠??? (마감일이 다가온다….)
이럴땐, automesh,batch meshing tools 을 사용해서 자동 meshing 기능을 이용하여 시간을 단축 시킬 수 있습니다.
정육면체인 hexa대신에 삼각뿔 tetra를 이용해 mesh를 생성해서 Meshing 및 해석 시간을 줄여줘야 합니다!

그렇다면 혹시?! 같은 문제를 다른 타입의 Element를 써서 해결할 수 있을까???
그럼요! 그렇고 말고요! 1D,2D,3D로 동일한 모델을 meshing하여 문제를 풀 수 있습니다! 당연히 Element마다 결과의 차이가 있겠죠?

정확한 해석결과, 바른 해석시간을 위한 적절한 Element 타입의 선택이 해석자의 첫 걸음이라고 할 수 있습니다! 사실 해석을 많이 해봐야 해요. 이번편은 여기까지입니다. 다음시간에도 이어서 Meshing에 대해 살펴보도록 해요~^^

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