Ansys Mechanical로 용접을 메싱하고 시뮬레이션하는 방법

이전 블로그, 구조 해석 및 솔버 기반 메싱을 위한 FEA 메싱의 기초 고품질 메시를 유지하는 방법에서 유한 요소 해석(FEA) 메싱의 정의, 메싱 방법의 유형, 시뮬레이션의 정확성을 위해우수한 품질의 메시가 중요한 이유에 대해 설명했습니다.

해당 블로그의 오토바이 프레임 예시를 다시 사용해 보겠습니다. 용접 또는 볼트 연결이 형상에 위치하는 다양한 메싱 전략을 사용하면 전체 모델이 아닌 특정 위치에서 보다 세분화된 메시를 생성할 수 있으며, 이 경우 해석이 더 오래 걸릴 수 있습니다. 이 블로그에서는 용접 메싱에 대해 설명하고, 용접 분석에서 우수한 품질의 메시를 확보하는 것이 중요한 이유에 대해 설명합니다.

용접된 구조에서 사용되는 요소 유형

용접은 열을 사용하여 국부적인 영역에서 재료를 녹이고 접합할 기본 금속을 융합하여 여러 부품을 연결하는 데 사용되는 편리한 가공 프로세스입니다. 용접은 엔진 블록 같은 두꺼운 주조 부품과 자동차의 프레임 같은 얇은 벽 부품 모두에서 흔히 볼 수 있습니다.

시뮬레이션은 이러한 용접 구조물의 강도와 내구성을 분석하기 위해 널리 사용되며 잘 정립된 방법입니다. 용접의 메싱에 주의하여 용접의 유효 수명을 정확하게 계산하고 충돌 또는 NVH(Noise, Vibration, Harshness) 분석을 위한 구조의 강성을 나타낼 수 있습니다.

용접 구조의 ‍해석에는 일반적으로 솔리드, 쉘 및 빔 요소의 조합이 사용됩니다.

솔리드 요소는 주조 및 단조 공정을 통해 제조된 부피가 큰 부품을 모델링하는 데 사용할 수 있고, 쉘 및 빔 요소는 판금 성형, 압연 및 드로잉 작업으로 제조된 얇은 벽 형상을 표현할 때 사용하면 편리합니다. 빔과 쉘 요소의 곡률 변화를 변형률에 연결하면 작지만 매우 정확한 모델로 얇은 단면을 편리하게 표현할 수 있습니다. 

용접 메싱 및 시뮬레이션

정형 메시와 비정형 메시를 사용한 용접 시뮬레이션 비교

복잡하고 얇은 벽 형상에 대한 메싱 기술은 상당히 발전했으며 복잡한 형상에도 정형 메시를 사용할 수 있게 되었습니다. 여러 응용 분야에서 선호하는 방향은 변형 패턴 및 변형률 값의 변화이므로 정형 메시가 선호됩니다.  

정형 메시는 비정형 메시에 비해 상대적으로 큰 요소를 가진, 메시 크기와 무관하게 정확한 솔루션을 얻을 수 있기 때문에 편리합니다. 이는 개별 용접의 수명을 평가할 때 특히 유용합니다. 

용접 시뮬레이션이 어려운 이유

용접된 구조 해석에서 특히 어려운 점은 해석을 위해 용접을 생성하고 메싱하는 것입니다. 예를 들어, 일반적인 자동차 프레임 구조에는 수천 개의 개별 스폿 용접이 포함될 수 있고 오프로드 차량의 섀시 구조에는 수십 개의 심 용접이 포함될 수 있습니다.   

Ansys Mechanical은 사용자가 효율적이고 자동화된 방식으로 스폿 용접과 심 용접을 생성하고 모델링할 수 있도록 지원합니다. 사용자는 CAD(Computer-Aided Design) 시스템에서 용접 위치를 가져와서 스폿 용접 연결을 신속하게 생성할 수 있습니다. 여기에는 정확한 표현을 위해 개별 용접의 강성을 제어하는 기능이 포함됩니다. 편리한 메싱 도구를 사용하면 용접 루트 위치 및 열에 영향을 받는 영역에서 적절한 메시 패턴으로 심 용접을 생성할 수 있으며, 이는 피로 수명을 예측하는 데 매우 중요합니다.

용접의 메시 품질과 수명의 중요성

용접된 구조에는 조화롭게 또는 무작위로 변화하는 하중, 가압 및 감압되는 탱크, 가속, 제동 및 도로 범프가 적용되는 자동차 섀시 등 다양한 하중 조건이 적용됩니다.

이러한 피로 하중을 받는 용접의 수명을 평가할 때는 기본 재료 속성을 변경하는 용접 프로세스를 고려해야 합니다. 용접 풀을 빠르게 냉각하면 경도가 높아지지만 연성은 낮아질 수 있습니다. 또한 용접 프로세스 중 불순물은 개별 용접의 강도에 악영향을 줄 수 있습니다. 정확한 수명 예측을 위해 용접 프로세스 후 기본 재료의 상기 변형률 및 잔류 변형률도 고려해야 합니다. 

피로 ‍해석 도구를 사용하여 용접 수명을 계산할 때 이러한 요소를 고려할 수 있습니다. 수명 예측은 용접 열에 영향을 받는 영역의 응력 구배를 민감하게 인식하기 때문에 이 구역에서 메시의 크기를 적절히 조정해야 합니다. 

이러한 유형의 상황에서는 정형화된 사변형 메시가 이상적입니다. 이 기능은 용접 토우의 피크 응력과 해당 구역 주변의 가파른 응력 구배를 포착하는 데 적합합니다. 용접의 내구성을 평가하기 위해서는 일정한 형태의 등급별 메시 크기가 이상적이지만 충돌 안전 분석에 대한 요구 사항은 다릅니다. 여기서는 계산 효율을 위해 균일한 크기의 메시가 선호됩니다.

메시 크기가 적절하지 않으면 Explicit 솔버의 해석 시간을 증가시킬 수 있습니다. 충돌 및 NVH 해석 모두에서 용접 강성의 정확한 표현이 가장 중요합니다. 이는 모달 및 ‍추파수 해석에서 동적 충돌 하중 또는 고유 주파수 모드가 적용되는 구조의 에너지 흡수를 정확하게 계산하는 데 필수적입니다. 

Ansys Mechanical은 용접된 구조의 파라메트릭 설계를 가능하게 하는 뚜렷한 이점이 있습니다. 설계 변경에 따라 용접을 자동으로 재생성하는 기능 덕분에 생산성이 크게 향상됩니다. 충돌, 내구성 및 NVH 워크플로에 대한 최소한의 설정으로 메시를 생성하는 편리한 기능과 Ansy nCode DesignLife에 원활하게 연결하여 피로 수명을 계산하는 기능은 강력한 사용자 환경을 제공합니다.

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또한 Ansys Learning Hub에서 Ansys Explicit Dynamics 과정을 수강할 수도 있습니다.