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Unformatted text preview: Analysis COSMOS/WORKS를 이용한 설계 단계에서의 CAE COSMOS/WORKS 따라하기Ⅱ - Optimization COSMOS/WORKS는 다쏘시스템의 자회사인 SRAC의 유한요소 패키지이다. 이 소프트웨어는 기본적으로 SoildWorks 사용자들인 설계 엔지니어를 대상으로 하기 때문에 Structural 번들의 경우 SoildWorks 안에서 구동되며 설계진행단계에 서 바로 적용된다. 이번 호에서는 PRESS Assembly를 가지고 선형강도 해석과 Optimization을 해 보면서 COSMOS/WORKS를 이용한 제품의 최적설계를 함께 해 보도록 하겠다. 난 호에는 COSMOS/WORKS를 이용한 열변형 해석을 해보았다. 이번 호에서는 Solidworks에서 구동되는 COSMOS/WORKS의 장점을 가장 크게 살린 Optimization 기능 에 대해 알아보자. 우선 Optimization 기능이 무엇인가에 대해 알아보자. 간단히 표현하면 COSMOS/WORKS의 Optimization Analysis는 엔지 니어가 여러 개의 Study를 이용, 다양한 치수를 부여하여 최적화 된 제품을 설계하는 단계를, 루프 프로세스를 이용하여 여러 가지 경우를 조합함으로써 최적화된 결과를 보여주는 것이다. <표 1>을 간단히 설명하면서 Optimization의 가능성을 확인해 보도록 하자. <표 1>에서 보면 Define Optimization Study의 내용이 Optimization의 기능이다. 그림에서 말하는 3가지는 치수 컨트 롤/물성치/한계강도로 간단하게 말할 수 있으며, 이들을 조합하여 루프를 돌리게 된다. Objective를 통해 지오메트리의 부피나 질량 등의 한계를 잡고 Design Variable을 이용하여 치수를 컨트롤하 고 Constraint를 통해 Load에 관련된 사항의 한계를 잡아 Again and Again으로 가장 적합한 모델링을 탄생시키는 것이다. 그리고 <표 1>에서 Optimization Loop는 엔지니어가 여러 번 작업해야 하는 부분을 자동으로 해결해주는 부분이다. Model Operation Create Your Model in SolidWorks Optimization Loop Update Geometry and Rebuild the Mesh Initial Studies ·Static ·Frequency ·Buckling ·Thermal Define Optimization Study ·Design Objective (Objective Function) ·Design Variables Perform Analysis Extract Critical Constraints Result Visualization ·Stress ·Displacement ·Strain ·Mode Shapes ·Thermal ·Design Constraints (Behavior Constraints) Approximate Objective Funtion Constraints Improved Design Final Design Yes Requirements Achieved No 표1 그럼 Press Assembly로 COSMOS/WORKS의 Static/ Frequency/Optimization 기능에 대해 따라해 보기로 하자. ■ 박 승 은 / 현재 웹스시스템 기술지원부 주임으로 COSMOS/WORKS, Solidworks, DDM을 지원하고 있다. E-Mail은 pse@websco.co.kr 228·CAD&Graphics 2002/1 Analysis Optimization을 이용한 Press Assembly의 최적설계 아래의 STEP을 통해 우리는 Optimization 해석을 수행할 것 이다. ① Linear static 해석 시작 ② 재질, 경계조건 부여 그리고 메시 ③ Linear static 실행 ④ Frequency 해석 시작 ⑤ Drag and Drop으로 재질, 경계조건 부여 그리고 메시 ⑥ Frequency 해석 실행 ⑦ Optimization 해석 시작 ⑧ Objective/design variable/system Constraint 조건 부여 ⑨ Optimization 해석 실행 ⑩ 최적화된 결과를 통해 제품 검사 및 확인 COSMOS/WORKS 환경 지난 호에 COSMOS/WORKS 환경에 대해 말했지만 다시 한 번 요약하면 아래 그림처럼 COSMOS/WORKS는 새로운 프로그 램을 실행시키는 것이 아니라 SoildWorks 내에 포함시키므로, 새 로운 프로그램을 열어 서로 Import/Export하는 것이 아니라 SoildWorks 사용자가 바로 적용할 수 있다. 즉, SoildWorks CAD 환경을 그대로 가져가기 때문에 History를 가지게 된다. 경계조건 Press Assembly Mount는 <표 1>에서와 같이 3개의 부품, 즉 두 개의 사이드 플레이트와 한 개의 상단 플레이트로 구성되어 있다. 5000lb Alloy Steel EX: 3.0e7 lb/in^2 Density: 0.28 lb/in^3 Static analysis 지난 호에 Static 해석에 대해 충분히 설명을 했기 때문에, Static 해석에 대해서는 간단하게 설명하겠다. Aluminum EX:1.0e7 lb/in^2 Density: 0.1 lb^in3 ① 두 개의 사이드 플레 이트는 Alloy Steel, 상단 플레이트에는 Aluminum Fixed 1060 Alloy의 재질을 부여 한다. Fixed 두 개의 사이드 플레이트의 재질은 Alloy Steel이고, 한 개의 상 단 플레이트의 재질은 Aluminum 1060 Alloy이다. 선형강도해석을 위한 경계조건으로 이를 위해 상단 플레이트의 수직한 방향으로 5000lbs의 힘이 가해진다. 다음으로 앞서 언급 한 모달 해석을 실행하게 된다. 최종적으로 Optimization을 수행 하기 위한 파라미터는 아래의 그림과 같다. Top Plate Width Side Plate Height ② 두 개의 사이드 플레이트의 아래 그림에서 보이는 것처럼 4 개의 바닥면에 Fixed라는 경계조건을 설정한다. 그라운드에 고정 되어 있다는 조건이다. ③ 상단 플레이트에 상단면에 수직한 방향으로 5000lbs의 힘을 부여한다. ④ 위의 경계조건을 부여하면 아래의 그림 같이 리스트가 생긴다. Side Plate Width 2002/1 CAD&Graphics·229 Analysis ⑤ 메시는 디폴트 Element Size로 하고, 아래 그림처럼 Preference-mesh에서 모든 옵션을 제하고 해석 런타임을 줄인다 있다. 이번의 따라하기처럼 강도해석과 모달해석 또한 다른 경계 조건을 가지고 하나의 파일 안에서 확인할 수 있다. 앞서와 같은 방법으로 Frequency 해석을 추가시킨 후, 재질의 변동이 없으므로 드래그앤드롭으로 Static 해석의 재질을 Frequency 해석에 복사한다. 여기서 모달 해석을 하고자하는 이유는 외부의 로드없이 이 시 스템에 걸리는 고유진동수 값을 추출해내기 위함이기 때문에, 드래그앤드롭으로 Load/Restraint를 복사해온 후, Force 조건은 지우기로 한다. COSMOS/WORKS ⑥ 아래의 그림은 메시된 상태이다(메시에 해당하는 내용은 지 난 호를 참고하면 상세한 내용을 확인할 수 있다). Structural 번들에서는 이 정도의 기능까지 지원해주 며, 보다 심도 있게 진동해석 을 요한다면, Intermediate 번들을 필요로 한다. 형상이 변한 것이 아니므로 메시 데이터는 그대로 쓰고 해석을 실행한다. 아래의 그림의 Mode Shape 결과를 확인해보니 Mode1의 값이 71.262Hz로 확인되었다. Press-Frequency Analysis ;; Frequency Mode Shape : 1 Value = 71.262Hz ⑦ Static Analysis를 실행시키면 아래 그림처럼 화면 위에 출 력시켜 준다. 여기서 최고 변형을 일으키는 곳의 수치를 확인해보 면 0.01459인치로 나타나는 것을 아래 그림에서 확인할 수 있을 것이다. Press-Static Analysis ;; Static Displacement Units ; in Optimization Optimization 준비 지금부터 앞서 작업한 linear static 해석과 frequency 해석 데 이터를 이용하여 Press Assembly의 최적화를 시작해 보도록 하자. 아래의 그림처럼 CW Manager Tree의 마우스 오른쪽 버튼의 Study를 선택한 후, 해석 타입으로 Optimization을 선택한다. Frequency analysis 지난 호에도 언급했지만. COSMOS/WORKS는 다른 유한요소 패키지와는 다르게 한 개의 파일을 가지고 여러 가지의 해석을 할 수 있다. 지난 호에서처럼 열해석과 강도해석을 같이 할 수 있으 며, 재질에 따라 같은 종류의 스터디를 해석 결과와 함께 가질 수 230·CAD&Graphics 2002/1 Analysis 선택이 끝나면 그림과 같 이 기존의 다른 해석타입과 는 다른 형태의 History 구 조가 나타나게된다. 는 값을 아래와 같이 넣어준다. ·치수값 : Top Plate Width/ Side Plate Height /Side Plate Width Objective Function Objective에서는 설계목표의 한계점을 설정하는 창으로 마우스 오른쪽 버튼의 Edit/Define을 누르면 아래 그림의 좌측과 같은 창 이 뜬다. Add 버튼을 누르면 래 그림의 우측과 같은 창이 뜨는데 간단 히 요약하면 Design Goal의 Design Goal은 Min/Max인지 구분 하며 Response Quantity는 한계점이 무엇인지를 결정하는 것으 로 Mass와 Volume은 지오메트리만으로 Frequency와 Buckling은 Mode Shape으로 정해줄 수 있다. Convergence Tolerance는 수렴률을 나타내는 것이다. 지난 호에서도 충분히 얘기해 주었지만 엔지니어를 위한 CAE 이기 때문에 엔지니어가 설계 시에 확인하고자 하는, 또는 변경하 고자 하는 목적을 위주로 최적화를 진행해 나가는 것이다. 아래의 그림은 치수 컨트롤한 리스트이다. 그리고 치수명은 SoildWorks를 따른다. Constraints 여기서는 Optimization을 실행하기 전에 행했던 Study의 결과 를 가지고 실행하는 것으로 당연히 이전에 Study 작업이 없으면 사용할 수 없으며, Study의 숫자만큼 추가할 수 있다. Edit/Define을 누르면 아래 그림의 좌측과 같은 창이 뜬다. Add 버튼을 누르면 아래 그림의 우측과 같은 창이 뜨는데 간단 히 요약하면 Response Type는 원하는 Study와 Result를 선택하는 것이고, Bounds는 단위와 상하의 점, 수렴률을 기입하는 것이다. Desighn Variable 여기서는 Dimension을 이용하여 경계조건을 수립하는 곳으로 항상 먼저 치수를 선택해야 Add가 되며 Design Variable Box가 뜨면 Name에 자동으로 그 치수의 이름이 들어가게 된다. 원하는 치수의 Boundary를 잡고 수렴률을 적으면 된다. 마우스 오른쪽 버튼의 Edit/Define을 누르면 아래 그림 같은 창이 뜬다. 먼저 Press Assembly의 static 해석시의 변형량을 기준으로 현상을 최적화하려고 한다. 그림과 같이 변형량의 Upper bound는 0.04inch를 넘지 않도록 설정하며, Tolerance는 5%로 설정한다. 예를 들어 지난 호에서처 럼 열변형이 일어나는 제품 이 있는데 강도에 맞게 rib 을 세운 후, 그 rib의 위치와 컨트롤하고자 하는 치수를 선택한 후, Add하게 되면 아래 그림 과 같은 치수 컨트롤 박스가 나타나는데 여기서 치수의 경계값과 수렴률을 적어줄 수 있다. 우리가 컨트롤하고자 하는 치수값에 맞 크기 등의 치수로 형상을 최 적화시킬 수 있다 2002/1 CAD&Graphics·231 Analysis 두 번 째로 Press Assembly의 Frequency 해석시의 변형량을 기준으로 현상을 최적화하려고 한다. 앞서 행한 Frequency 해석 에 기준하면 최초 Mode의 값은 71Hz으로 나왔다. 그래서 Press Assembly의 경량화하기 위해 그림과 같이 초기 값이 80Hz를 넘 지 않도록 조건을 주도록 한다. 결과 먼저 Design Cycle Results를 확인해보도록 하자. 이 결과는 최적화되기 전의 원래의 모델을 Initial Design으로 최종으로 나 온 최적화 모델을 Final Design으로 아래의 그림 상 에 보여준다. 그런데 여기서 유의할 점은 SolidWorks의 데이터가 최종적으로 최적 화된 모델로 바뀐다는 점이 다. 그렇기에 설계변경을 자 동으로 한다는 장점도 있지 만 형상을 체크하기 위함이 었다면 복사하여 실행시킬 필요가 있다. OK 버튼을 누르면 아래의 그림과 같은 박스가 생성된다. 옆의 Edit 버튼을 누르면 쉽게 편집 창으로 들어갈 수 있다. 만약 중간에 어떠한 형상 으로 바뀌어갔는지 보고 싶다면, 즉 Iteration No마다의 형상을 확인하고 싶다면 Design Cycle Results의 마우스 오른쪽 버튼을 선택하고, 아래의 좌측그림처럼 나온다면 원하는 Iteration No를 적어 넣으면 된다. 그런 다음 아래 그림의 우측에 보이는 것처럼 그 Iteration에 해당하는 형상이 화면상에 Plot되고 List된다. 실행 아래의 그림은 실행(Run)을 시키기 전 이 루프를 얼마의 Iteration을 가지고, 해석할 것인지를 정할 수 있다. 디폴트값은 20이다. 최적화된 모델 데이터를 가지 앞서 행한 Static과 Frequency 해석을 새로운 Study로 동일한 경계조건으로 해석을 수행하면 아래의 결과를 얻어낼 수 있다. - 실행을 시키면 컴퓨터 성능에 따라 소요시간이 5∼ 10분 정도로 차이를 좀 보일 것이다. 최적화시키는 과정 이 화면을 통해 실시간으로 보여진다. 아래의 그림은 최 적화가 끝난 모습이다. 232·CAD&Graphics 2002/1 Analysis 맺음말 COSMOS/WORKS의 Optimization 기능을 한 마디로 정의하 다음으로 Design History Graph를 확인해보도록 하자. 이 결 과는 Loop에 의해 설계된 과정을 그래프로 표현해 내는 것이며, 그래프로 표현하고자 하는 Parameter를 화살표를 이용하여 설 정하면 된다. Design History Graph의 마우스 오른쪽 버튼의 Define을 선 택하면 아래의 좌측그림과 같은 창이 뜨면 원하는 그래프를 선택 하면 아래의 우측그림 같은 치수 변화 그래프가 화면상에 띄워진다. Optimization Parameter Objective Design Variable Design Variable Design Variable Constraint Constraint 표2 자면 설계자들의 여러 번의 경우를 여러 개의 스터디를 잡아 작업 하는 것을 자신의 루프를 돌려 조건에 적합한 최적의 모델링을 해 주는 기능으로 그 결과는 제품의 강도와 함께 원가절감에도 막강 한 영향을 끼칠 수 있다. <표 2>는 오늘 같이 따라한 Press Assembly의 최적화 비교이다. Name Mass Initial Bounds 131.9 Lbs. Final Values 117.9 Lbs. 12 in 5 in 8 in 0.0146 in 76.6 Hz Top Plate Width 12<16<20 in Side Plate Height 5<5<10 in Side Plate Width 8<12<15 in Displacement Frequency 0<0.199<04 in 70<71.26<80 Hz 마지막으로 COSMOS/WORKS 따라하기를 마치면서 개인적으 로 많은 설계엔지니어들이 그 동안의 유한요소 해석이라는 것이 같은 방법으로 Mass의 변화를 그래프로 아래의 표현해보면 아 래 그림과 같이 나타난다. 그래프를 자세히 보면 Optimization으 로 인해 제품의 중량이 60Kg에서 53.6Kg으로 11% 감소한 사실 을 확인할 수 있다. 마냥 어렵고 오래 걸린다는 개념에서 벗어나 정말로 유한요소가 필요한 설계엔지니어들이 많이 적용하여 원가 면에서나, 품질 면 에서나 월등한 제품을 많이 설계했으면 한다. 다음 달은 계속해서 COSMOS/WORKS 성공 사례를 확인해 보 도록 하겠다. COSMOS/WORKS를 현재 사용하고 있지 않은 독 자들은 www.cosmosworks.com과 www.websco.co.kr을 통해 15일판 트라이얼 버전을 다운받아 사용해 보기 바란다. 마지막으로 Design Local Trend Graph를 확인해 보도록 하 자. 이 결과는 한 지역 즉 한치수의 변동사항을 Y축의 Parameter 를 가지고 그래스로 표현하는 것이다. 방법은 동일하며 아래의 그 림은 Top Plate Width의 치수 변화에 따른 Mass의 변화율이다. ■ 연재순서 ■ 제1회 COSMOS/WORKS 따라하기 Ⅰ 제2회 COSMOS/WORKS 따라하기 Ⅱ 제3회 COSMOS/WORKS 활용 사례 Ⅰ 제4회 COSMOS/WORKS 활용 사례 Ⅱ 2002/1 CAD&Graphics·233 ...
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This note was uploaded on 04/16/2010 for the course ME ma taught by Professor Han during the Spring '10 term at Hanyang University.

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