1. 유한 요소 해석(Finite element analysis, FEA)이란?
유한 요소법(FEM)이라고 불리는 수치적 기법을 적용하여 해석하는 것입니다. FEA로 가상 부품에 작용하는 다양한 힘을 미리 시뮬레이션 할 수 있으며, 이를 통해 많은 시간과 비용을 절약할 수 있습니다. 최근에는 CAD로 제품 형상을 정의하고 FEA로 해석을 선행하여 제작 공정시 발생하는 오류를 예측하기 위해 많이 활용하고 있습니다.
2. 유한 요소법(Finite element method, FEM)은?
구조물을 가상적으로 유한한 크기의 요소(element)로 분할하고, 이러한 요소들의 집합체로서 구조물을 해석하는 응력 해석 수법을 말합니다.
- Finite (유한) : 모든 연속적인 물체는 무한한 자유도를 가지며 이러한 형식으로는 문제를 해결할 수 없기 때문에 유한 요소법을 사용하며, 메싱(노드와 요소)의 도움을 받아 자유도를 무한에서 유한으로 줄입니다.
- Element (요소) : 모든 계산은 노드(node)라고 하는 제한된 수의 지점에서 이루어집니다. 노드를 결합하고 사각형 또는 삼각형과 같은 특정 모양을 형성하는 실체를 원소라고 합니다. 계산 지점 사이의 변위 값을 얻기 위해 요소의 모양에 따라 보간 함수를 사용합니다.
- Method (방법) : 엔지니어링 문제를 해결하는 세 가지 방법이 있는데, 유한요소해석은 수치적 방법 범주에 속합니다.
형상이 단순하면 최대 응력 및 변위 지점을 쉽게 알 수 있을 것입니다. 그러나 실제 생활에서는 복잡한 형상인 경우가 많으며, 다양한 조건과 하중을 받아 불연속성을 갖는 다양한 재료들로 구성됩니다. 때문에 유한요소법을 사용하여 계산하는 것이며, 적절한 방식으로 모델링하면 높은 응력 또는 변위의 위치를 명확하게 나타내는 값을 얻을 수 있습니다.
3. 유한 요소법 프로세스
1) Pre-processing(모델링, 전처리) : 유한요소를 모델링하고 특성을 정의한다.
2) Analysis solver(해석, 솔버) : 유한요소의 해를 구한다.
3) Post-processing(시각화, 후처리) : 후처리 툴로 결과를 확인한다.
1) 모델링/전처리
– CAD 데이터 불러오기
가장 일반적으로 FEM 시뮬레이션 프로세스는 구성 요소(또는 부품)의 CAD 형상을 전처리기(예 : HyperMesh)로 가져오는 것부터 시작됩니다. 불러온 형상이 메시할 준비가 되지 않은 경우도 있으며, 종종 지오메트리 정리가 필요할 때도 있습니다.
– 메싱
지오메트리가 적절한 상태가 되면 지오메트리에 근접하는 메시가 생성됩니다. 빔 메시 (1D), 쉘 메시 (2D) 또는 솔리드 메시 (3D)가 생성됩니다.
이 메싱 단계는 메시의 품질이 생성된 결과의 품질에 직접 반영되기 때문에 유한 요소 해석에 특히 중요합니다. 동시에 노드 수는 계산 시간에 영향을 줍니다. 이것이 특정 경우에 2D 및 1D 메시가 3D 메시보다 선호되는 이유입니다.
– Material, Property : 컴퓨터는 형상만 가지고는 모르기 때문에 이게 무슨 재료로 만들어졌는지, 특성이 뭔지 하나씩 지정해 주어야 합니다.
2) 해석/솔빙
해석을 위한 하중, 구속조건을 설정하고 솔버에서 해석을 수행합니다. 잘못된 경계 조건이나 수식 등이 있으면, 에러로 인해 중단될 수 있습니다.
3) 시각화/후처리
해석이 성공적으로 수행되면 시뮬레이션 결과의 후처리 (등고선 플롯의 경우 HyperView, 2D / 3D 플롯의 경우 HyperGraph)가 수행됩니다. 응력, 변형 및 변형이 플롯되고 검사되어 부품이 다양한 하중 조건에 어떻게 반응하는지 확인합니다. 결과에 따라 부품을 수정하고 수정이 부품에 어떤 영향을 미치는지 조사하기 위해 새로운 분석을 실행할 수 있습니다.
+ 유한 요소 모델링 순서도
모델 형상, 해석 목적, 작업 스타일 등 상황에 따라 모델링 순서가 달라질 수 있지만, 모델 구성 작업을 하실 때 참고하실 수 있는 순서도는 다음과 같습니다.
- Geometry 작업 : CAD 데이터를 불러와서 Geometry Cleanup 및 midsurface 추출
- Meshing : 모델의 형상 및 해석 종류에 따라 1D, 2D, 3D를 mesh 생성
- Analysis Setup : 해석에서 사용할 경계조건, 재료물성 및 해석 옵션들에 대한 설정
