CATIA ELFINI FEA Bimetallic Strip 응력 해석

 

 

알루미늄과 철강 띠가 본딩된 bi-metallic strip 문제를 다루어 보자. 균일하게 온도가 상승한 2종류의 금속 띠는 서로 다른 열팽창 계수로 인해 띠의 변형이 일어난다. 열팽창 계수의 차이로 인한 변형의 특성이 공학적으로 중요성이 있지만 아울러 2개의 솔리드 Part의 본딩면의 변위 연속성을 다루어야 하는 솔리드 Part의 처리 과정도 흥미롭다.

 

아래 위 솔리드 Part를 대상으로 온도 조건 부과하기 위해서 Tools 탭의 메뉴에서 option을 선택하여 누르면 나타나는 units에서 Temperature를 찾아 Fahrenheit degree를 선택 클릭하자.

 

‘Part1’으로 명명된 Tree 요소에 커서를 위치시킨 후 마우스 오른쪽 버튼(MRB)을 클릭하면 나타나는 메뉴들에서 Properties를 선택 후 탭에서 등록정보(Product)를 선택하여 Part 명칭을 ‘aluminum_strip’으로 등록하여 저장하자.

 

xy평면에서 Sketcher를 열어 6‘x1’ 크기 직사각형 알루미늄 띠를 스케치 후 빠져나오자.

 

Pad 아이콘을 사용하여 z 방향으로 두께가 0.25in인 솔리드 Part를 생성하고 아래의 재질(Apply Material) 아이콘을 선택한 후 탭에서 Metal을 클릭하여 aluminum을 찾아내 Drag and Drop 하여 물성을 부여하자.

 

aluminum strip과 겹치는 바이메탈 띠를 만들기 위해서 aluminum strip Part를 복사한 후 Part 명칭을 steel_strip으로 변경하자. 이렇게 하면 2개의 띠가 정확히 겹쳐진다. 아울러 steel_strip의 Pad 아이콘을 클릭한 후 Length에서 0.25in를 확인하고 Reverse Direction 버튼을 클릭한다. 아울러 재질도 aluminum에서 steel 로 변경하여 저장하자.

 

aluminum_strip 파일과 steel_strip 파일에서 열팽창 계수를 확인해보면 각각 0.0000236과 0.0000117임을 알 수 있다.

 

이렇게 aluminu strip과 인터페이스 면을 중심으로 steel strip과 대칭이 되는 형태의 바이메탈 띠 솔리드가 형성된다. 이 2개의 솔리드 Component로 구성된 바이메탈 띠의 구조해석을 위해서는 Assembly 기능을 사용하여 조립된 Product를 생성해 줄 필요가 있다.

 

Assembly Design에서 Product1의 Properties Box를 클릭하여 Par Number에 ‘bi-metallic_strip’으로 명칭을 부여하자.

 

bi-metallic_strip에 커서를 위치시킨 후 마우스 오른쪽 버튼을 클릭하여 메뉴에서 Componet->Existing Component를 클릭하여 폴더가 나타나면 aluminum_strip을 불러오자. 한 번 더 되풀이하여 steel_strip 파일을 부른다.

 

아래와 같이 2개의 Part가 포함된 Tree를 볼 수 있다.

 

Generative Structual Analysis 로 넘어가서 Static Analysis를 진행하자. 한편 Tree를 살펴보면 모두 2개씩으로 구성되어 있음을 알 수 있다.

 

Tetrahedron 사면체 요소로 mesh 작업을 하기 전에 바이메탈 구조를 관찰해보면 2개의 Tetrahedron 아이콘이 있음을 알 수 있다. 이는 아래 윗 솔리드 Part들을 자유롭게 Mesh 작업을 할 수 있다는 의미이다.

 

Mesh.1을 더블 클릭하여 데이터 창이 열리면 Size를 0.15in로 입력하고 Sag는 그대로 둔다. Mesh.2도 마찬가지로 처리하자.

 

Modes and Elements에 커서를 위치시키고 마우스 오른쪽 버튼(MRB)을 눌러 나타나는 메뉴에서 Mesh Visualization을 클릭하여 나타나는 Mesh를 살펴보자. 2종류의 물질이 만나는 인터페이스 면을 살펴보면 생성된 유한요소들의 Node들이 서로 불일치함을 알 수 있다.

 

온도와 한쪽 끝부분에서 Clamp 경계 조건을 부과하기 전에 아래 윗면이 만나서 이루는 인터페이스 면에서 Elements들의 Node가 서로 일치하도록 Mesh 조정 작업이 필요하다.

바이메탈을 구성하는 아래 위 솔리드 Part를 다루기 위해서 Links Manager.1에 커서를 위치시킨 후 마우스 오른쪽 버튼(MRB)을 사용하여 Hide/Show를 클릭하자.

 

Node and Elements에 커서를 위치시킨 후 마우스 오른쪽 버튼(MRB)을 눌러 나타나는 메뉴에서 Hide를 클릭하여 Mesh를 숨긴다.

 

Applying Restraints

Clamp 아이콘을 클릭하여 바이메탈의 측면을 하나 클릭 후 Control키를 누른 상태에서 나머지 반쪽면도 포함 시키도록 하자. OK 버튼을 눌러도 Clamp 조건을 가시적으로 볼 수 없는데 Nodes and Elements에서 Hide/Show를 누르면 아래와 같이 경계 조건을 볼 수 있다.

 

온도조건 부과를 위한 Supports 선택을 위해 커서를 Supprorts 박스에 위치시킨 후 Tree를 관찰하면서 먼저 윗 솔리드 Part를 선택 클릭과 아울러 Control 키를 누른 상태에서 아랫 솔리드 Part를 선택 클릭하여 결국 모든 솔리드 Part들을 선택한 셈이 된다. 이떼 온도 데이터는 100F(섭씨 37.5도)로 입력하여 설정한다.

 

Creating Analysis Connection

변위 조건 부여 및 열팽창에 의한 열하중 조건 부여가 완료되었으면 마지막으로 아래위 솔리드 Part에 생성된 3차원 유한요소들 중 인터페이스 면에 위치한 Nodes 들을 서로 일치시켜 공간적인 연속성을 유지해야 할 필요가 있다.

 

Analysis Connection 아이콘 모음으로부터 General Analysis Connection 아이콘을 사용하여 steel strip의 상면을 선택 클릭하자. 이릉 위해서 일차적으로 Nodes and Elements에서 Mesh를 Hide 시키고 아울러 2개의 솔리드가 겹쳐진 상태이므로 bimetallic strip에서 위쪽의 aluminum strip만을 일시적으로 Hide 시킬 필요가 있다.

 

General Analysis Connection 데이터 창에서 First component 박스에 커서를 위치시키고 steel strip 솔리드의 윗면을 선택 클릭하자.

 

steel strip을 Hide 시키고 aluminum strip을 Show 시킨 상태에서 Second component 박스에 커서를 위치시키고 aluminum strip의 아랫면을 선택 클릭하자.

 

Tree에 General Analysis Connection Manager.1이 생성되었음이 확인되면 그다음 Face Face 아이콘 모음의 Fastened Connection Property를 사용하여 연결의 특성을 부여하자.

 

다음과 같이 Tree 내용을 확인해보자.

 

Compute ALL -> Yes를 클릭하면 연산이 이루어진다.

 

Computing Results는 Links.Manager.1 에 저장되며, 더블 클릭하여 원하는 저장 위치를 변경하여 지정할 수 있다.

FEA 결과 Postprocessing 대상은 변형(deformation) 형태, 변위(displacement) 분포 및 von Mises 응력 분포이다. 변위는 설계과정에서 주변 부품들과의 간섭 문제 검토에 사용되며, 특히 von Mises 응력값의 최대치는 강도해석(Strength Analysis)과정에서 주어진 허용응력(allowables) 값을 넘는지 여부 체크에 사용한다.

 

Image 명령 모음에서 Deformation을 사용하여 Mesh들의 변형(deformation)을 관찰해보자.

 

Image Edition 창이 뜨면 Visual에서 Average-ISO를 선택하여 분포를 살펴보자.

 

 

부품의 강도해석을 위한 von Mises 응력값 분포를 살펴보자. steel strip 인터페이스면 가까이 다소 응력 발생을 보여준다. 최대 응력은 Clamped 된 부분에서 발생함을 알 수 있다.

 

Contour legend를 더블 클릭하여 imposed max 값을 2000으로 입력 처리하면 아래의 보다 세밀한 von Mises 응력 분포 결과가 얻어진다.

 

지금까지의 모든 분석 내용이 포함된 최종 보고서를 작성하자.