구조 ‍해석을 위한 FEA 메싱의 기초

FEA에서 메싱은 무엇입니까?

FEA(유한 요소 분석)는 부품/어셈블리, 재료 속성 및 경계 조건으로 구성된 물리적 시스템의 수학적 표현입니다. 몇 가지 상황에서는 제품의 실제 동작을 간단한 수작업 계산으로 근사화할 수 없습니다. FEA와 같은 일반적인 기법은 편미분 방정식을 사용하여 물리적 현상을 정확하게 포착하여 복잡한 동작을 표현하는 편리한 방법입니다. FEA는 설계 엔지니어와 전문가 모두가 사용할 수 있도록 발전하고 대중화되었습니다.

메싱은 FEA를 사용하여 정확한 시뮬레이션을 수행하는 데 가장 중요한 단계 중 하나입니다. 메시는 형상의 모양을 나타내는 노드(요소 유형에 따라 달라질 수 있는 공간의 좌표 위치)를 포함하는 요소로 구성됩니다. FEA 솔버는 불규칙한 도형에서는 쉽게 작업할 수 없지만 큐브와 같은 일반적인 도형에서는 훨씬 더 만족스러운 결과를 얻을 수 있습니다. 메싱은 불규칙한 형태를 "요소"라고 하는 보다 인식하기 쉬운 볼륨으로 바꾸는 프로세스입니다.

메싱을 시작하기 전에는 먼저 형상 또는 CAD 모델을 Ansys Mechanical 등으로 업로드하여 시뮬레이션 프로세스를 시작해야 합니다.

메싱을 위한 CAD/형상을 준비하는 방법

Mechanical과 같은 FEA 시뮬레이션 소프트웨어를 사용할 때는 CAD 모델에서 어떤 피쳐를 메싱하고, 어떤 피쳐를 메싱하지 않을지 결정해야 합니다. 많은 경우 CAD 형상은 제조 용도로 사용하기에 매우 복잡하고 상세합니다. 그러나 시뮬레이션의 경우 모든 세부 정보가 필요하지 않으므로 형상의 부품을 디피쳐할 수 있습니다. 따라서 이러한 세부 정보가 제거되어 시간을 절약할 수 있습니다.

예를 들어 제품에 제품 명판이 부착되어 있을 수 있습니다. 이 명판의 물리적 효과는 알아볼 필요가 없으므로, 명판을 디피쳐하여 메시 생성을 방지하면 메싱 및 해석 시간을 절감할 수 있습니다.

Ansys SpaceClaim 사용 시 형상의 명판이 쉽게 디피쳐되어 명판에 대한 불필요한 잠재적 ‍해서이 방지되었습니다. 

시뮬레이션용 CAD 모델을 준비하는 또 다른 중요한 이유는 형상에 있는 두 개 이상 부품의 관계를 설명하기 위해서입니다. 예를 들어, 형상이 공통 면(또는 모서리)으로 노드를 공유하는 경우 ‍Conformal 메시인지 Nonconformal 메시인지 결정해야 합니다. Conformal 메시는 접착제나 용접으로 접합된 부품에 사용됩니다. Nonconformal 는 접착제나 조인트로 접합된 부품에 사용됩니다. Ansys Mechanical에서는 이러한 접근 방식을 필요에 맞게 조합하여 사용할 수 있습니다.

 자세한 내용은 FEA 모델 개선을 위한 3단계 블로그를 읽어 보십시오.

메싱 방법의 유형: 사면체와 육면체

메싱 방법에는 크게 두 가지 유형이 있습니다. 이를 위해 3D 모델을 참고합니다.

• 사면체 요소 메싱 또는 “tet”
• 육면체 요소 메싱 또는 “hex”

일반적으로 hex 또는 "벽돌" 요소는 tet 요소보다 요소 수가 적을수록 더 정확한 결과를 보입니다. 복잡한 형상인 경우, tet 요소가 최선의 선택일 수 있습니다. 이러한 기본 또는 자동 메시 방법으로도 목적을 이룰 수 있지만, 메시를 더 세부적으로 제어할 수 있는 추가 방법이 있습니다.

하이브리드 메싱

Mechanical에서는 hex와 tet 요소를 혼합한 멀티존 방법을 사용하여 형상의 여러 부분을 다양한 방법으로 메싱할 수 있습니다. 이렇게 하면 형상 준비 작업을 줄이고 국부 제어 메시를 더 많이 만들 수 있습니다.

Ansys Mechanical의 하이브리드 메싱 기능을 사용하는 파이프 연결 형상 

스윕 메싱

스윕 메싱을 사용하면 메시가 볼륨 및 면을 통해 메시를 실제로 “스윕”하므로 일반적인 크기로 효율적인 메시를 만드는 데 도움이 됩니다.

어떤 메시 방법을 사용할지 결정하는 것은 일반적으로 해결하려는 분석 유형(명시적 또는 암시적) 또는 물리학과 달성하려는 정확도 수준에 따라 달라집니다. 몇 가지 다른 옵션으로는 적층 제조와 같은 특정 분석에 사용되는 직교 메싱 및 계층형 tet가 있습니다.

메싱 컨트롤

메싱 컨트롤은 보다 정밀한 메시를 지원합니다. Ansys Mechanical을 사용하면 전체 CAD를 같은 방법으로 메싱하는 광역 메시 대신 국부 메시를 제어할 수 있습니다. 국부 메싱 컨트롤의 예로는 국부 크기 조정, 세분화, 형상의 영향권 디피쳐가 있습니다.

오토바이 프레임을 예로 들어 보겠습니다. 전체 형상에 일반 메시 접근 방식을 적용하되, 용접 및 볼트 연결에는 다른 전략을 사용할 수 있습니다. 국부 메싱 컨트롤을 사용하면 이러한 위치에서 보다 세분화된 메시를 생성할 수 있습니다. 더 작은 요소로 전체 부품을 메싱하지 않으므로 해결 시간이 줄어듭니다.

용접된 조인트를 보여주는 메싱된 오토바이 프레임 형상

우수한 품질의 메시가 중요한 이유는 무엇입니까?

간단히 말해, 우수한 품질의 메시는 보다 정확한 결과를 의미합니다. 메쉬가 좋지 않으면 수렴에 어려움이 발생하여 잘못된 결과와 잘못된 결론을 도출할 수 있습니다. 메시의 품질은 몇 가지 시나리오에 따라 달라집니다.

• 수행할 분석 유형
• 메시에 투자할 시간
• 해석에 투자할 시간

경우에 따라 설계 결정을 명백하게 설명하는 데 도움이 되는 빠른 솔루션을 찾을 수 있습니다. 이 경우 메시를 설정하는 데 많은 시간을 소비하지 않는 것이 좋습니다. 매우 정확한 솔루션이나 결과를 원하는 경우도 있을 수 있습니다. 이 경우 다양한 방법과 컨트롤을 사용하여 메시를 설정하기 위해 약간의 시간과 노력이 필요합니다.

우수한 메시에는 요소 품질 및 종횡비와 같이 사용자의 요구 사항(분석 유형, 정확도 수준, 시간)에 맞는 품질 기준이 있습니다. 궁극적으로 형상을 이해하고 컨트롤을 사용하여 가능한 최상의 메시를 얻는 것이 좋습니다. 그러면 결국 더 나은 제품 설계를 얻을 수 있습니다.

Ansys Learning Hub의 메싱 소개 과정 또는 균열 전파 분석을 위한 Ansys 다중 물리모델 시뮬레이션 웨비나를 통해 자세한 내용을 알아보십시오.