1. 개요
레저인구가 꾸준히 증가하면서 인라인스케이트를 즐기는 인구도 점차 늘고 있는 추세이다.
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2. 3G의 디지털 목업
<1> 모델 Import 먼저 해석을 수행하기 앞서 SolidWorks에서 모델링 된 인라인스케이트의 프레임을
<그림1. SolidWorks에서 모델링 된 파일을 3G에서 History까지 받아들인 모습> 먼저 SolidWorks에서 <그림1>의 왼쪽 그림과 같은 모델링을 수행하였다. 실제 판매되고 있는 인라인 스케이트의 프레임 치수를 재어 모델링을 수행하였으며 <그림1>의 오른쪽 그림과 같이 모델링의 치수까지 받아들여 범용 3차원 CAD(Pro/ENGINEER, SolidWorks, Solid Edge, Inventor, CATIA, UG 등)와의 완벽한 호환성을 나타내고 있음을 알 수 있다.
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<2> 이 기종의 CAD Data를 이용한 디지털 목업 및 충돌검사 소비자 욕구에 맞는 다양한 베어링의 생산은 외국업체에 거의 의존하고 있는 현실에서 <그림2>와 같은 Process를 구성할 수 있다.
<그림2. 3G를 활용한 Manufacturing Process> 국내에서의 프레임 제작은 SolidWorks 파일로 모델링 되었으며 외국업체에서의 베어링 모델링은 Pro/ENGINEER로 모델링 되었을 경우 3G를 활용한 Digital Mock-Up을 수행할 수 있다.
<그림3. SolidWorks 파일과 Pro/ENGINEER 파일을 한 창에서 불러들인 모습> <그림3>은 3G에서 이 기종의 CAD Data를 한 창에서 불러들인 모습이다.
<그림4. 3G에서 조립된 모습> 적절한 결합조건을 부여하여 조립을 수행한 후 충돌검사 및 간섭체크를 수행한다.
<그림5. 충돌검사 후 간섭이 발생된 모습> 충돌검사를 수행한 결과 베어링의 직경과 프레임의 내벽사이에 면 접촉이 발생됨이 확인 되었다. 프레임의 재설계가 요구되는 관계로 내벽을 지탱하고 있는 지지대의 설계를 수정하였다. 수정 후 다시 충돌검사를 수행한 결과 <그림6>과 같이 노란색으로서 간섭이 없음이 확인되었다.
<그림6. 충돌검사 후 적절한 결합이 수행된 모습> 베어링과의 간섭체크가 확인되면 3G를 활용한 물성치 및 형상최적화를 수행해 본다. | ||||||||
3.물성치 최적화 <1>3G의 물성치 정의 인라인스케이트의 프레임은 주로 알루미늄 합금으로 구성되어 있으며 CNC 가공을 기반으로 한다.
<그림7. 3G와 MatWeb과의 연계 모습>
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<2> 물성치 최적화 해석수행 프레임의 재질을 선택하기 위한 Multi Material을 수행해 본다.
<표1. 물성치 최적화를 위한 설계조건>
<그림8. 물성치 최적화 해석을 수행한 모습>
<그림9. 그림8의 설계제어판의 확대 모습> 3G에서 Multi Material에 대한 최적화 해석은 마우스 한번 클릭으로 쉽게 해결 할 수 있다. | ||||||||
4. 3G의 최적해의 도출 방법
<1> 3G의 Solver의 특징 먼저 형상최적화를 수행하기 앞서 3G의 최적해의 접근방법에 대해 기술해 본다. <2>단일해석 수행 먼저 프레임의 구조해석을 실시해 보자 적절한 Boundary Condition을 부여하여 나온 결과값이 <그림10>에 나와 있다.
<그림10. 3G에서 Default로 해석된 볼륨결과와 수렴결과> <그림10>의 왼쪽 그림은 모델의 해석값을 나타낸 결과이고 오른쪽 그림은 해석결과의 수렴 이러한 기능은 <그림11>에서 보는 바와 같이 적절한 수렴비율과 H-refinement 개수를 설정하여 수행될 수 있다.
<그림11. 3G의 수렴옵션 창> 적절한 수렴비율과 H-refinement의 개수를 선정하여 최적의 수렴곡선을 자동적으로 생성할 수 있다. <그림12>는 수렴비율 5% , H-refinement의 총 개수를 7번으로 산정하여 나온 결과이다.
<그림12. 3G의 수렴옵션기능을 통한 최적의 수렴Plot 곡선을 생성한 모습> <그림12>에서도 알 수 있듯이 Default값에서의 수렴비율이 36% 임에 반해 요소망 재생성 기능 및 적절한 수렴비율을 통하여 0.97%라는 최적의 수렴비율을 산정할 수 있었다. | ||||||||
5. 3G의 형상 최적화
<1> 설계변수 지정 먼저 물성치 최적화에 따른 Aluminum의 재질을 기반으로 다음 형상최적화를 수행한다
<표2. 목적함수의 설정>
<그림13. 설계변수를 지정한 모습> <그림13>에서 보는 바와 같이 설계변수는 인체의 뒤꿈치가 닿는 파트의 응력집중이 예상되는 파트의 세 부분에 대한 설계변수를 선택하여 지정하였다. <2>설계변수의 추가
<그림14. 3G에서 설계변수를 지정하는 모습> 설계변수는 <그림14>와 같이 설계자가 마우스 클릭으로 쉽게 설계변수로 설정할 수 있다. <3>설계조건 추가 <표2>에서 언급한 바와 같이 총3개의 설계조건을 부여한다.
<그림15. 설계제어판에서 설계조건이 추가된 모습> <그림15>은 설계조건을 3G의 설계제어판에 간단하게 입력한 그림이다. <표2>에서 정한 설계조건의 최대값 및 영역을 표시한 모습이다. 설계제어판은 엑셀과 호환성을 가지며 Presentation으로 활용될 수 있다. 위의 모델은 설계제어판에서 보듯이 최대응력과 공진방지 그리고 최대변위를 고려하여 설계조건과 상황에 맞는 질량 최소화를 수행한다. 체크되어 있는 박스는 각각의 설계조건들을 해석에 반영한다는 것을 뜻한다. 즉, 3G의 설계제어판은 간단하게 박스체킹으로 여러가지 해석(구조해석, 열해석, 동적응답해석 등)을 조합한 결과를 한번에 모델로 적용하여 실질적인 최적화(Multi-disciplinary Optimization) <4>해석 실행 구조해석과 진동해석을 동시에 수행해 본다.
<그림16. 3G에서 구조해석 및 진동해석을 동시에 수행하는 모습> 다시 한번 강조하면 3G의 가장 큰 특징은 최적화를 위하여 구조, 진동, 열, 동적반응, 재질 등의 여러해석을 한번에 고려하여 최적화(Multi-disciplinary Optimization)를 수행할 수 있다. 특히 산업현장에서 한가지의 해석만을 고려하여 최적화를 수행하는 것은 한계가 있기 때문에 3G의 최적화 기능은 많은 도움이 되리라 본다. | ||||||||
<5>해석결과 확인 및 최적 Data검출
<그림17. 구조해석 및 진동해석을 수행한 모습> <그림17>은 구조해석 및 진동해석의 결과를 한 창에서 확인할 수 있다.
<그림18.최적화 수행 전의 설계제어판의 모습> 녹색의 경우는 설계조건에 만족하는 값이고, 적색의 경우는 설계조건에 위배되는 값이다. 최종적으로 최적설계의 목적대상인 질량 최소화를 선택함으로써 모든 설계조건, 상황, 그리고 제한값을 만족하는 설계 Data를 얻을 수 있다.
<그림19. 최적화 수행 후 설계제어판의 모습> <그림19>에서 보는 바와 같이 질량이 최소화가 되었을 경우 설계변수 들의 슬라이더 바는 자동적으로 움직여 설계조건을 만족하는 최적의 형상을 제시해 준다. | ||||||||
<6>최적의 설계 Data Export
<그림20. 최적화된 Data를 SolidWorks로 Export 하는 모습> 최초의 목적에 맞는 최적화된 설계 Data를 찾았으면 본래의 CAD file인 SolidWorks의*.SLDPRT(SolidWorks part file)로 Data를 내보낸다.
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6.결론
이번 호에서의 주된 내용은
이처럼 3G는 이 기종(Heterogeneous)의 CAD(Pro/ENGINEER,SolidEdge,Inventor,Catia 등)를 한 창에서 동시에 받아들여서 실제로 작동을 수행해 보고 조립,충돌,간섭 등의 Assembly상의 문제를 쉽게 수행 및 평가하고 다양한 설계조건과 파라미터를 고려하여 최적화 및 해석 등을 수행할 수 있는 유한요소해석 및 최적화 프로그램이라 할 수 있다. |