길이: 10 in, 높이: 1.5 in, 폭: 1 in 인 I Beam 의 zx 평면에서 단면 스케치를 작성하자.
Sketcher에서 빠져나와 Pad 아이콘을 사용하여 10 in 길이의 솔리드를 생성하자.
재질 즉 I Beam의 물성을 Steel로 부여하자. 다음 아이콘이 사용된다.
Tree에서 Steel 항목을 더블 클릭하여 열리는 창에의 탭에서 Analysis를 클릭하면 아래와 같이 Steel의 물성치 값들이 나타난다. 그대로 사용하기로 하자.
설계팀으로부터 이와같이 설계된 솔리드를 Stress 팀에 넘기면 이 파일을 열어서 확인 후 시작 탭에서 분석 및 시뮬레이션의 Generative Structual Analysis 를 선택하여 Static Analysis FEA 분석작업을 실시하자.
아래의 창에서 정적 해석을 선택 클릭한다.
녹색 사면체 아이콘을 클릭하여 Mesh 사이즈와 Sag 사이즈를 지정하자. 여기서는 Default 값을 사용한다.
Tree의 Nodes and Elements에 커서를 위치시키고 마우스 우측 버튼을 클릭하여 Mesh Visualization을 실행하자.
이후 작업에서는 Part Design 된 솔리드의 기하학적 정보를 사용하여 Mesh 에 경계조건을 부과하도록 하자. 이 목적을 달성하기 위해서 LinksManager.1에 커서를 위치시키고 숨기기/표시(Hide/Show) 를 클릭하여 아래와 같이 되살린다. 아무래도 각각의 Node 에 일일이 값을 부여하는 것 보다는 Part Design 단계에서 사용하는 솔리드의 면이나 엣지 또는 점을 활용하여 변위나 압력 등의 경계조건을 부여하는 것이 대단히 쉽고 편리하다.
Static Analysis에서 Restraints Boundary Condition 은 I Beam 의 한쪽 끝면을 고정(Clamp) 하도록 하자.
하중 조건을 부과하자. 자중은 중력가속도 기준 –1G에 해당한다. Supports로는 Links Manager.1 Tree 밑의 PartBody를 선택하자. Z 방향 기준 –380 in_s2가 된다.
Compute 아이콘을 클릭하여 FEA 연산을 실시한다. Compute ALL -> Yes를 클릭하면 연산이 이루어진다.
Cantilever Beam 문제가 대단히 간단한 역학 문제이므로 특히 에러가 날 사항은 없다.
이와같은 변형(deformation) 결과에 대해 재료역학적 Beam의 해석적인 해를 적용 비교해볼 필요가 있다. 이어서 Image Extremum 아이콘을 클릭하여 글로벌 좌표계에서 최대값과 최소값을 각 1개로 지정하여 나타나는 최대 변형(deformation)값을 살펴보자. Dmax=5.184E-005in 인데 보의 쳐짐공식에서 예견되는 값 5.10E-005in 와 잘 일치하는 결과를 보여준다.
Von Mises Stress 아이콘을 먼저 클릭 후 화면상 아무것도 나타나지 않는다. 이어서 Image Extremum 아이콘을 클릭하여 글로벌 좌표계에서 최대값과 최소값을 각 1개로 지정하여 나타나는 von Mises Stress 값을 살펴보자. 그림에서 최소값에 해당하는 von Mises Stress 값은 I beam 왼쪽 끝부분에 위치하는바 그림에서는 잘려나갔다는 점에 유의하자. 이 값들은 주어진 재료의 허용응력(Allowable Strength)을 넘지 않아야 한다. 허용응력은 인장 시편 기준 necking이 일어나면서 끓어지는 파단응력(Ultimate Strength)을 안전계수로 나눈 값이다. 기계요소 설계에서 일반적인 안전계수는 3이며 충격하중이 작용하는 경우 10으로 두기도 한다. 한편 경량화가 대단히 중요한 보잉사의 777 항공기 날개 구조의 파단 실험에서는 1.5로 설정하기도 한다.
일반 구조용 Steel 의 Ultimate Syrength는 58,000 ~ 80,000 psi 범위이다. 안전계수가 3이라면 허용응력 범위는 최소 19,333 psi이므로 von Mises 응력 값이 43.5psi에 불과하므로 현재의 I beam 은 강도상 충분히 안전하다고 판단된다.
그밖에도 구조물의 단면을 잘라서 내부의 응력 분포를 관찰하는 아이콘들이 있으나 대부분의 탄성 재료역학 문제에서 최대 응력 값은 구조물의 표면에서 나타나므로 그다지 필요한 기능은 아닌듯하다.
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