cosmosworks1 - Analysis COSMOS/WORKS를 이용한 설계...

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Unformatted text preview: Analysis COSMOS/WORKS를 이용한 설계 단계에서의 CAE COSMOS/WORKS 따라하기 Ⅰ COSMOS/WORKS는 다쏘시스템의 자회사인 SRAC의 유한요소 패키지이 다. 이 소프트웨어는 기본적으로 SoildWorks 유저들인 설계 엔지니어를 대 상으로 하기 때문에 Structural Bundle의 경우 SoildWorks 내에서 구동이 되며 설계진행 단계에서 바로 적용된다. 이번 호에서는 KEV Assembly를 가지고 열변형 해석을 해보면서 COSMOS/WORKS의 구동 환경 및 적용 방법에 대해 다뤄보도록 하겠다. 라하기를 시작하기 전에 COSMOS/WORKS라는 제품 이 어떤 제품인지 먼저 알아보도록 하자. COSMOS/WORKS는 SoildWorks에 맞게 새로 구성된 유한요소 해석 프로그램으로 Stress, Frequency, Buckling, Thermal 그 리고 Optimization Analysis를 SoildWorks의 스크린 안에서 쉽 게 사용할 수 있다. 기존의 유한요소 프로그램과는 달리 사용하기 쉽고, 배우기 쉬워 해석을 전문으로 하지 않은 설계자라 할지라도 쉽게 익혀 설계에 바로 적용할 수 있으며 또한 FFE Fast Solver 를 장착하여 일반 PC에서도 빠르게 구동된다. 그동안 해석작업들은 모두 사용하기 힘들고 어려운 프로그램으 로 인식되어져 왔다. 하지만 COSMOS/WORKS 같은 Design CAE가 등장하면서 설계자들이 자신이 3차원으로 설계한 메카니 즘을 바로 해석을 수행하고 설계변경에 들어감으로써 개발 프로세 스를 획기적으로 단축할 수 있게 되었다. 또한 어려운 용어와 어려 운 STEP을 대부분 엔지니어링 용어와 히스토리 구조를 이용하여 설계자들이 접근할 수 있도록 유도하고 있다. 이와 같이 CAE 트렌드가 Design CAE 쪽으로 흐르는 데는 실 제 해석을 수행하는 인력이 설계단계에 있는 엔지니어들이기 때문 이다. 많은 시간을 요구하지 않으면서도 제품의 질을 향상시킬 수 있기 때문에 많은 엔지니어들이 선호하기 때문이다. 그럼 여기서 Design CAE의 선두주자이면서 확장성까지 겸비 한 COSMOS/WORKS를 함께 살펴보도록 하자. 열변형을 고려한 Kev Assembly 설계단계에서의 해석 아래의 단계를 통해 열해석을 통한 Static 해석을 수행해 보도 록 하자. ① 어셈블리 파일의 열 해석 시작 ② 어셈블리에서의 재질 부여 ③ 어셈블리 해석에서의 Thermal Load와 경계조건 ④ 어셈블리 메시 ⑤ 열해석 실행 ⑥ 강도해석 시작 ⑦ 강도해석에 열해석 결과 반영 ⑧ 강도해석 실행 ⑨ 열에 의한 변형 확인 경계조건 Kev Assembly는 Chip 테스팅 장비의 한 부품이며 물론 SoildWorks 모델이다. 이 어셈블리 안에는 Heat Flux가 <그림 1>에서 왼쪽에 은선으로 표현된 Face에 적용된다. 또 오른 쪽에 은선으로 표현된 Face와 연두색으로 선택된 면은 환경온도 70。 F 에 노출된다. 또 오른쪽 아래의 바닥 면에는 200。 온도가 가해 F의 진다. 그 외의 다른 면은 절연되었다고 가정한다. ■ 박 승 은 / 웹스시스템 기술지원부 주임으로, COSMOS/WORKS, SolidWorks, DDM을 지원하고 있다. E-Mail은 pse@websco.co.kr 202·CAD&Graphics 2001/12 Analysis Thermal Analysis 경계조건 부여 바닥면을 선택 후에 Load/Restraint에 마우스 오른 쪽 버튼을 클릭 Temperature를 선택한 후 200° <그림 5>와 같이 넣는다. F를 Convection(환경온도=70。 F) Heat Flux Temperature 그림 1 재질 상단은 Nylon6/10이며, 하단은 Acrylic이며, 경계조건은 <그림 2>와 같다. Nylon 6/10 그림 5 동일한 방법으로 <그림 6>과 같이 Face를 선택한 후 Heat Flux 값을 넣는다(Heat Flux = 0.01 BTU/s-in2). Fixed Acrylic 그림 2 COSMOS/WORKS 환경 <그림 3>에서 볼 수 있는 화면이 해석화면이다. 그림처럼 새로 운 프로그램을 실행시키는 것이 아니라 SoildWorks 내에 포함시 키므로 새로운 프로그램을 열어 로 Import/Export하는 것이 아니라 SoildWorks 사용자가 바로 적용할 수 있다. 이 때문에 설 계엔지니어가 새로운 것을 익히는 데 걸리는 시간을 절약시켜 설 계에 더욱 집중할 수 있게끔 해주었다. 또한 <그림 4>를 보면 SoildWorks 즉 CAD 환경을 그대로 가져가기 때문에 히스토리를 가지게 된다. 그림 6 동일한 방법으로 <그림 7>과 같이 Convection Coefficient 와 Ambient Temperature를 나머지 면(총 8개의 면)에 적용한다 (Film Coefficient = 1.0e-5 BTU/s-in2F, Ambient Temperature = 70° F). 그림 7 <그림 8>은 경계조건이 모두 반영된 상태이다. 히스토리 구조를 보면 앞서 넣은 경계조건들이 반영된 것을 볼 수 있으며, SoildWorks와 동일한 방법으로 편집이 가능하다. 그림 3 그림 4 그림 8 2001/12 CAD&Graphics·203 Analysis Mesh <그 림 9>에 서 처 럼 SoildWorks의 어 셈 블 리 파 일 을 COSMOS/WORKS에서 해석하려고 하면 Gap/Contact 조건이 자동으로 생성되며 전체적으로 Touching Face를 설정할 수 있으 며, 원하는 면에 Gap/Contact 조건을 설정하고자 하면 원하는 두 면을 선택한 후 설정할 수 있다. Hot Red Region으로 표현되는 것을 볼 수 있다. 그림 11 Hot Region 그림 9 <그림 10>에서처럼 설계자가 특별하게 지정하거나 Element Shape을 인지하고 있지 않아도 형상에 맞춰 디폴트값을 보여준다. 메시(Mesh) 사이즈를 쉽게 조절할 수 있다. 일반적으로 기존의 해석 프로그램들은 메시를 각각 부여해주어야 하기 때문에 메시 를 어떻게 설정하느냐에 따라서 해석의 결과를 좌지우지할 정도 로 조심스러웠던 것에 반해 COSMOS/WORKS는 자동으로 설정 해주어 모델에 맞게 메시를 해주므로 쉽고 정확하게 접근할 수 있 다. 무엇보다도 설계자가 이런 것에 많은 시간을 투자하지 않아도 되므로 제품개발 시간을 단축시켜줄 수 있다. 물론 설계자가 원하 는 대로 메시도 가능하며 이럴 때 응력이 집중이 예상되는 부위에 는 조밀한 메시를 부여해주므로 결과의 정확도도 높이면서 속도 또한 높일 수 있다. <그림 10>처럼 Load/Restraint를 Hide 시키고 메시된 상태만 보여지게 하여 메시 상태를 확인할 수 있으며 옆의 캡처는 메시에 관한 데이터이다. <Plot 1>에서 마우스 오른쪽 버튼을 누른 후 Probe를 선택하고 어셈블리의 바닥 면의 여러 포인트에 마우스 커서를 움직이면, Probe Dialog Box에 동일온도 200° 표현되는 것을 <그림 F로 13>을 통해 볼 수 있다. 여기서 Cavity의 중심지점의 한 포인트를 선택하면 Maximum Temperature인 540.6° 얻어낼 수 있다. F를 Bottom Plate 그림 12 그림 13 솔루션 정확도 체크 그림 10 COSMOS/WORKS에서는 메시의 신뢰도를 높이기 위한 방법 중 Automatic Transition이라는 기능을 이용할 수 있다. 이것은 메시 시에 작은 에지나 면이 있을 경우 자동으로 그 주변을 중심으 로 메시의 크기를 조절한다. 물론 사용자가 필요한 부분에 한해 직 접 Apply Control 해주는 것과 다르게 자동으로 찾아서 조절한 다. 그렇기 때문에 이것을 이용한 경우의 Element개수와 이용하 지 않고 메시한 경우의 Element 개수는 당연히 차이를 보인다. 물론 그만큼의 Run Time이 더 걸리고 그만큼 정확도도 높아진 결과 <그림 11>은 결과 데이터(Result Data)이다. 화면에 플롯(Plot) 하는 방법은 매우 간단하다. 그저 더블 클릭하면 되며 플롯 데이터 변경은 SoildWorks와 동일하다. <그림 12>에서 보면 Bottom Plate에는 동일한 색분포 즉 동일한 온도 200° F값을 가리키고 있 다는 것을 알 수 있다. 그밖에 Heat Flux가 가해진 Cavity 안은 204·CAD&Graphics 2001/12 Analysis 다. 방법은 Cosmosworks-reference-automatic Transition을 체크하면 된다. 그러 여기서 얼마나 차이가 나는지 같은 Element Size로 Automatic Transition을 한 결과를 <그림 10> 과 비교해 보자. <그림 10>은 Off된 상태이고, <그림 14>는 On된 상태이다. 두 메시 데이터에 따른 결과물의 최고온도를 비교해보면 약 0.6%의 차이가 나는 것을 볼 수 있다. 이처럼 열전달 해석의 경우 에는 Element의 수가 큰 차이를 보이지 않음을 볼 수 있다. Static Analysis COSMOS/WORKS는 다른 유한요소 패키지와는 다르게 한 개 의 파일을 가지고 여러 개의 해석을 할 수 있다. 예를 들어 지금처 럼 열해석과 강도해석을 같이 할 수 있으며, 재질에 따라 여러 개 의 스터디를 해석결과와 함께 가질 수 있다. 또한 파일에 설계변경이 일어나도 그전의 해석결과는 그대로 가지고 있기 때문에 Rib의 개수가 따라서 또는 T의 값의 따라서 모든 해석 데이터를 한 파일 안에 모두 플롯할 수 있다. 이런 것이 가능한 이유는 SoildWorks 안에서 구동이 되므로 Import/Export할 필요가 없기 때문이다. 이러한 장점 때문에 설 계/개발 엔지니어들이 짧은 시간 안에 정확한 설계 근거 데이터를 만들어 낼 수 있는 것이고 그 결과 생산성이 향상될 수 있는 것이다. 경계조건 및 메시 그럼 지금부터 앞에서 얻은 열해석 데이터를 가지고 강도해석 을 시작해 보기로 한다. 앞에서 말한 것처럼 파일명에 마우스 오른 쪽 버튼의 Study를 선택하여 새로운 해석타입을 만들고 <그림 17>에서 보는 것과 같이 고정조건을 준다. 그리고 재질 부여 시에 는 앞에서 사용한 재질이 동일하므로 재질을 선택 후 드래그 앤 드 롭으로 끌어오면 복사된다. 이것은 SoildWorks와 같은 히스토리 형 구조를 지니고 있기에 가능하다. 그림 14 <그림 14>의 Mesh Details 박스에 보면, High Order Elements 개수가 32318, 그리고 이 메시의 Node 개수가 52653 으로 리스트 되어졌다. 이전 메시랑 비교해보면 Element와 Node 가 거의 3배의 육박한다는 사실을 발견할 수 있을 것이다. Element가 작아지면 정확도가 높아지는 것은 당연한 일이며 역시 많아지면 Run Time이 많이 걸린다는 것 또한 자명한 사실 이다. 결과의 정확도도 높이면서 Run Time을 줄이기 위해 이번에는 Automatic Transition을 사용하지 않고 Element Size를 0.08 로 바꾸어 보았다. 그 결과 <그림 15>에서처럼 Node의 수는 37741, 그리고 Element수는 22089로 나타났다. 그림 15 그림 17 <그림 16>은 위의 메시 데이타로 다시 해석한 것이다. 이제 메시를 해야 할 차례이다. 하지만 형상이 변경되지 않았고 좀 전에 열해석을 하면서 우리는 이미 메시를 했기 때문에 다시 메 시를 만들 필요가 없다. 여기서 강도해석을 하기 위해서는 반드시 제품에 가해지는 Load를 부여 해주어야만 한다. 여기서의 목적은 열에 의한 변형이므로 외부의 특정 Load가 아 닌 앞에서의 열해석 결과를 가져오기 위해서는 <그림 18>과 같은 스텝으로 띄워진 창에서 Temperatures from Thermal Study를 체크하면 된다. 그림 16 2001/12 CAD&Graphics·205 Analysis 그림 18 그림 21 해석 실행 및 결과 그럼 실행해 보자. <그림 19>는 Solver가 돌아가는 모습이다. COSMOS/WORKS는 FFE Solver를 가지고 있는데 이것은 New Iterative Solver로 기존의 Solver보다 10배 가량 빠른 속도를 가 진다. 그렇기 때문에 사이즈가 큰 제품의 경우 빠르게 결과를 얻을 수 있다. 결과를 보면 예상대로 고정점 주변으로 가장 많은 Stress가 걸 리는 것을 확인할 수 있다. 마지막으로 <그림 22> Displacement 인데 그림에서 확인해보면 가장 많은 변형량은 0.009인치인 것이 판명되었다. 그림 19 그림 22 해석 결과를 확인해 보자. <그림 20>과 <그림 21>은 열 의해 제품의 걸리는 Stress 분포를 각각 다른 Display 조건으로 보여 주고 있다. 문제점과 현상을 알았으니 설계엔지니어는 제품을 수정하거나 재질을 변경하는 등의 설계변경을 거쳐 바뀐 파일을 그대로 재해 석하여 확인단계를 거치면 되는 것이다. 다음 호에는 COSMOS/WORKS 따라하기의 두 번째로 COSMOS/WORKS에서만 가능한 Optimization을 해보도록 하 겠다. COSMOS/WORKS를 현재 사용하지 않는 독자들은 www.cosmosworks.com과 www.websco.co.kr을 통해 15일판 트라이얼 버전을 받을 수 있다. 그림 20 ■ 연재순서 ■ 제1회 COSMOS/WORKS 따라하기 Ⅰ 제2회 COSMOS/WORKS 따라하기 Ⅱ 제3회 COSMOS/WORKS 활용 사례 Ⅰ 제4회 COSMOS/WORKS 활용 사례 Ⅱ 206·CAD&Graphics 2001/12 ...
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