Altair SimSolid를 활용한 피로내구해석

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Altair SimSolid의 메시리스 솔버는 구조 해석의 혁신입니다. 복잡한 지오메트리의 대형 어셈블리를 처리하고 설계 속도에 맞춰 결과를 제공하는 SimSolid 덕분에 그 어느 때보다 시뮬레이션에 쉽게 액세스할 수 있게 되었습니다. 이미 획기적인 SimSolid 솔버에 피로 해석이 추가되어 알테어는 이제 세계 최초의 완전한 메시리스 구조 시뮬레이션 및 내구성 툴을 제공할 수 있게 되었습니다.

SimSolid는 이 독점 솔버를 사용하여 응력 입력을 생성함으로써 기존의 메시 기반 FE 툴에 비해 구조 해석을 위한 사전 처리 및 해석에 소요되는 시간을 크게 줄일 수 있습니다. 즉, 피로 해석을 더 빨리 수행할 수 있게 된 것입니다. 설계자, 엔지니어 및 분석가는 SimSolid를 사용하여 메시를 생성하거나 SimSolid 인터페이스를 떠날 필요 없이 설계 변경을 신속하게 평가하고 최종 응력 검증을 실행하고 설계 변형의 내구성을 테스트할 수 있습니다.

SimSolid의 피로 기능에 대한 소개로 먼저 피로 해석의 기초와 SimSolid가 이 작업을 수행하는 방법에 대해 알아보겠습니다.

일반적인 피로

구조물에 가해지는 모든 하중은 구조물 구성요소 내에서 응력을 유발합니다. 미시적인 규모에서 재료의 항복 응력보다 훨씬 낮은 응력은 재료의 강도를 초과하여 재료 내의 미세한 파손(균열 시작)을 초래할 수 있습니다. 구조물에 동일하거나 유사한 하중이 반복적으로 가해질 경우, 미세한 파손이 증가하고 결합되어 구성 요소 또는 구조물의 무결성을 손상시킬 수 있는 거시적 고장으로 이어질 수 있습니다(균열 전파). 반복 또는 주기적인 하중으로 인해 재료에 균열이 발생하고 전파되는 것을 피로라고 합니다. 피로에 대한 구조물의 저항을 내구성이라고 할 수 있습니다.

피로 해석의 목표는 이러한 종류의 균열 시작 및 전파가 발생할 가능성이 있는 위치를 식별하는 것입니다. 이 작업은 먼저 응력을 생성하기 위해 일부 하중 조건에서 구조를 분석한 다음 주기적 하중 반복 패턴을 적용하고 응력-수명(SN) 또는 변형률-수명(EN) 곡선이라고 알려진 재료 피로 데이터에 주기적 응력 또는 변형을 매핑하여 수행됩니다. 따라서 피로 해석의 세 가지 주요 구성 요소는 초기 구조적 손상, 반복 하중 및 SN/EN 곡선 데이터입니다.

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그림 1(a) 완전히 반전된 주기적 부하 이력의 예. (b) 산포 데이터를 보여주는 응력-수명(SN) 곡선의 예.

SN 및 EN 곡선은 일반적으로 완전히 역하중으로 제어된 실험을 통해 표시됩니다. 정확히 동일한 미세 구조를 가진 두 재료 표본이 없기 때문에 겉보기에는 동일한 표본에서 균열이 시작되고 다르게 전파되어 최종 데이터에서 일부 산란을 일으킬 수 있습니다. 이것이 피로 해석이 확률적 또는 확률론적 사건으로 간주되는 이유입니다: 분석 결과를 실험 데이터와 비교하여 고장이 발생할 가능성이 가장 높은 장소와 시기를 포착하려는 것입니다. 정확하게 정의된 기준선 응력, 재료 데이터 및 솔루션 설정은 정확한 피로 해석의 핵심입니다.

SimSolid의 피로 기능은 2020년 말 최초 출시된 이후 많은 주요 기능이 포함되도록 지속적으로 확장하였습니다. SimSolid의 주요한 피로 관련 기능 목록과 간단한 설명은 아래에서 확인하실 수 있습니다.

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SimSolid에서 피로 해석을 실행할 때 메시리스 솔버를 사용하여 기본 구조 해석을 생성한 다음, 사이클 및 솔루션 설정이 준비되면 입력값은 알테어의 세계적 수준의 피로 라이브러리(OptiStruct 피로 및 HyperLife에서 사용되는 것과 동일한 것)로 전달되고 계산 결과는 검토를 위해 SimSolid 내에 표시됩니다.

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앞서 언급했듯이 정확한 피로 해석을 위해서는 제대로 정의된 응력 입력과 재료 데이터 및 솔루션 설정이 핵심입니다. 이제 SimSolid가 피로 해석을 위해 제공하는 재료 모델과 솔루션 설정에 집중해 보겠습니다.

피로 재료 데이터

SimSolid에서 피로 해석을 실행하려면 각 재료에 대해 피로 속성을 정의해야 합니다. SN 및 EN 곡선 매개변수는 수동으로 입력하거나 재료의 극한 인장 응력을 통해 추정할 수 있습니다. 피로 속성을 수동으로 생성하려면 곡선 정의 방법과 해당 곡선의 관련 매개변수에 대한 입력이 필요합니다. SimSolid에서 사용하는 매개변수는 모든 SN 및 EN 곡선에 사용할 수 있으며 보다 자세한 내용은 SimSolid 도움말에서 보실 수 있습니다.

SN 곡선에는 기울기가 하나 또는 두 개 있을 수 있으며 EN 곡선에는 하나의 기울기가 있을 수 있습니다. UTS에서 추정하는 것은 표준 함수를 사용하여 SN 또는 EN 곡선을 추정하지만 강철 재료용으로만 설계되었습니다. 재료를 편집하려면 Settings>Material Database>Edit current>Edit material로 이동해야 합니다. 피로 곡선이 정의된 후 Review를 선택하여 로그-로그 형식으로 그래프로 표시된 곡선을 확인합니다.

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솔루션 설정

일반적으로 피로 곡선은 완전히 반전된 반복 하중을 사용하는 표준 실험에서 얻습니다. 그러나 실제 피로 하중은 완전히 반전될 수 없으며, 정상 평균 응력은 구성 요소의 피로 성능에 상당한 영향을 미칩니다. 평균 응력 보정(MSC)은 0이 아닌 평균 응력의 영향을 설명하는 데 사용됩니다.

재료, 응력 상태, 환경 및 변형률 진폭에 따라 피로 수명은 일반적으로 전단면 또는 인장면을 따라 미세균열 성장에 의해 좌우됩니다.

다축 피로수명 추정에 가장 적합한 방법에 대해서는 아직 합의가 이루어지지 않았습니다. 응력 기반 평균 응력 보정 방법의 경우 Goodman 및 FKM 모델을 인장 손상에 사용할 수 있습니다. Findley 모델은 전단 손상에 사용할 수 있습니다. 변형 기반 평균 응력 보정 방법의 경우 Morrow 및 Smith, Watson 및 Topper가 인장 손상에 사용될 수 있습니다. Brown-Miller 및 Fatemi-Socie는 전단 손상에 사용할 수 있습니다.

여러 모델이 정의된 경우 SimSolid는 사용 가능한 모든 손상 값에서 최대 손상을 초래하는 모델을 선택합니다.

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부품의 표면 마감 및 재료 데이터의 분산은 내구 한계 수정 계수를 변경하여 설명할 수 있습니다. 이러한 요인들은 재료의 내구성 한계와 피로 수명에 직접적인 영향을 미칩니다. 부품의 표면에서 피로 파괴가 시작되는 경우가 많기 때문에 표면 상태와 처리는 피로 수명에 영향을 미치는 매우 중요한 요소입니다. 강철의 표면 상태 보정 계수를 보여주는 차트가 아래에 나와 있습니다.

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표면 상태에 대한 옵션에는 광택, 연마, 기계 가공, 열간 압연 및 단조가 포함됩니다. 표면 처리 옵션에는 질화, 쇼트 피닝 및 냉간 압연이 있습니다.

노치 효과, 크기 효과 및 하중 유형과 같이 구조물의 피로 강도에 영향을 줄 수 있는 다른 물리적 요인이 있습니다. 피로 강도 감소 계수 Kf는 이러한 모든 보정의 복합 효과를 설명하기 위해 도입되었습니다. 피로 내구 한계를 해석에 적용하기 위해 이 값으로 나눕니다.

생존 확실성은 피로 재료 데이터의 분산을 처리하도록 설계되었습니다. 확실성이 증가함에 따라 산재된 데이터의 보다 보수적인 부분이 고려되어 평균 수명을 효과적으로 낮춥니다. 피로곡선의 표준 오차에 따라 최악의 평균수명을 추정하는데 사용됩니다. 표준 오차가 0이면 피로 수명은 생존 확실성을 변경해도 영향을 받지 않습니다. 결과의 신뢰도를 높이기 위해서는 생존 확실성이 더 커야 합니다.

SimSolid를 사용한 어셈블리 레벨의 변형률-수명 피로도에 대한 시연은 아래 영상에서 확인하실 수 있습니다.


 

원문은 (여기)에서 보실 수 있습니다.

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감사합니다.
한국알테어

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