제조 효과를 조기에 시뮬레이션하면 견고한 설계로 이어집니다

설계 및 엔지니어링에서 가정은 종종 단순화 메커니즘으로 만들어지며 때로는 단순화로 충분하기 때문입니다. 그러나 종종 비선형 효과를 설명할 적절한 시간이나 도구가 없기 때문입니다.

많은 구성 요소의 경우 제조 프로세스가 제품 성능에 상당한 영향을 미치지만 가장 흔히 간과되는 영향입니다. 어떤 제조 효과를 고려해야 하며 어떤 영향을 무시할 수 있습니까? 이에 대한 답변이 항상 잘 이해되는 것은 아닙니다. 종종 엔지니어링의 표준 관행은 설계자가 설계를 작성하고 분석가에게 전달한 다음 분석가가 설계를 작성하고 분석하게 하는 것입니다. 종종 이 접근 방식은 다소 번거롭고 결과적으로 이상적인 것보다 더 오래 걸립니다. CAD에서 CAE로 이동하는 데 이상적인 연결과 시간이 없기 때문에 모델을 실제로 구축, 분석 및 이해하는 것보다 데이터 전송 및 초기 분석 실행에 더 많은 시간을 소비하는 경우가 많습니다.

3DEXPERIENCE 플랫폼 – 설계 및 견고한 역학 도구 결합:

3D DASSAULT SYSTÈMES의 EXPERIENCE 플랫폼은 CATIA의 세계적 수준의 설계 기능과 SIMULIA의 선형 및 비선형 솔리드 역학 도구 세트를 결합합니다. 이러한 강력한 기능을 통해 업계에서 일반적으로 사용되는 것보다 CAD와 CAE 간의 원활한 연결이 가능합니다. 또한 안내 프로세스와 표준화된 템플릿을 허용하여 더 빠른 첫 번째 답변을 얻을 수 있습니다. 따라서 전문 구조 분석 엔지니어가 초기에 단순화된 계산 및 가정을 수행하는 대신 이러한 첫 번째 통과 답변을 CAD 및 초기 엔지니어링 도구 세트에 포함하여 첫 번째 모델과 구조적 핵심 성과 지표에 대한 첫 번째 초기 추측에 도달할 수 있습니다. . 이를 통해 첫 번째 통과 선형 구조 답변이 분석가에게 전달되기 전에 CAD 내에서 실행 및 분석될 수 있습니다.

그런 다음 구조 분석 엔지니어는 모델을 추가로 수정하고 제공된 "1차 통과" 모델에 적절한 효과를 추가하여 "블레이드를 날카롭게"할 수 있습니다. 이러한 제조 고려 사항 중 일부는 단순히 "확장된" 선형 가정일 수 있지만 적절한 경우 접촉, 재료 비선형성 및 응력 강화 효과까지 포함될 수 있습니다. 앞으로 살펴보겠지만, 이러한 개선은 매우 중요할 수 있으며 그렇지 않으면 간과될 수 있는 실패를 쉽게 드러낼 수 있습니다. 비선형성의 "고전적인" 예로는 강철의 가소성, 고무의 비선형 거동, 다양한 재료 및 구성요소의 균열 및 파손과 같은 재료 비선형성이 있습니다. 이것들은 잘 이해되는 경우가 많지만 접촉 효과와 "비선형 기하학"의 영향이라는 두 가지 다른 형태의 비선형성이 더 자주 간과됩니다. 이러한 세 가지 형태의 비선형성은 모두 제조 공정의 결과일 수 있으며 모두 3D에서 쉽게 모델링, 분석 및 후처리됩니다. 경험 플랫폼.

우리는 이러한 제조 효과를 보여주는 두 가지 예를 평가했으며, 특히 제조 효과가 시스템에 미치는 영향을 고려하는 데 이러한 각 요소가 어떤 역할을 하는지에 중점을 둡니다.

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하부 컨트롤 암의 프레스핏 연결:

접촉은 일반적으로 엔지니어가 잘 ​​알고 있습니다. 두 개 이상의 구성 요소가 서로 "충돌"하고 힘이 이들 사이에 전달되어 응력과 변형이 발생합니다. 종종 고려되지는 않지만 그 의미에서 매우 중요할 수 있는 접촉의 예는 "압박 끼워맞춤"입니다. 압입에서 약간 더 큰 외부 섹션의 한 구성 요소가 더 작은 섹션의 다른 구성 요소로 "강제"되어 이름이 지정됩니다. 압입 끼워맞춤은 경쟁 요구 사항의 균형을 맞춰야 합니다. 부품 간의 간섭이 너무 적으면 끼워맞춤이 너무 쉽게 당겨져 부품 분리를 통해 시스템의 무결성을 손상시킬 수 있습니다. 그러나 간섭이 너무 많으면 높은 응력과 변형이 발생하여 부품 중 하나 또는 둘 모두에서 고장이 발생합니다.

3D 내의 시뮬레이션 모듈 EXPERIENCE 플랫폼을 사용하면 이러한 압입을 쉽게 캡처할 수 있을 뿐만 아니라(단순한 접근 방식 대신) 간섭의 변화를 설명하여 압입 자체와 압입 응력으로 인한 결과 응력을 연구할 수 있습니다. "표준" 로딩에 포함됩니다. 압입 효과를 설명하지 못하면 치명적인 결과를 초래할 수 있습니다.

위의 예에서 볼 수 있듯이, 압입의 영향을 시뮬레이션 중에 고려하지 않으면 하부 제어 암(압입의 일반적인 예)이 예기치 않게 실패할 수 있습니다. 왼쪽의 결과는 잘못된 것이며 제조업체에 보증 문제를 일으킬 수 있습니다. 이러한 종류의 예상치 못한 고장 및 리콜은 OEM의 평판에도 영향을 미칠 수 있습니다.

종종 업계에서는 부품의 세부 분석 중에 압입 효과를 고려합니다. 초기 설계 단계에서 과도한 압입을 감지하고 수정하면 전체 프로젝트 시간과 비용을 절약할 수 있습니다.

아래에 3D를 요약했습니다. 이를 달성하기 위한 EXPERIENCE 워크플로:

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파라메트릭 CAD 모델링:

3D의 매개변수 기반 디자인 EXPERIENCE 플랫폼은 다양한 구성에 대한 설계를 테스트할 수 있는 가능성을 활용합니다. 하단 컨트롤 암과 부싱 사이의 간섭은 아래 이미지와 같이 설계 매개변수를 통해 정의 및 변경될 수 있습니다.

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통합 모델링 및 시뮬레이션:

CAD 모델링 및 시뮬레이션을 위한 통합 플랫폼을 통해 설계자는 설계한 구성 요소를 시뮬레이션 엔지니어에게 전달하기 전에 쉽게 분석할 수 있습니다. 3D 시뮬레이션 지원 EXPERIENCE 플랫폼은 전문가가 아닌 분석가도 모델을 전문 분석가에게 전달하기 전에 기본 선형 및 비선형 시뮬레이션을 수행하도록 안내할 수 있습니다. 이 경우 4KN의 수직 하중과 2.5KN의 횡방향(X 방향) 하중에 대한 두 개의 개별 시뮬레이션 사례가 정의됩니다. 설계 엔지니어 수준에서 비선형 효과를 무시하기 위해 부싱은 하부 컨트롤 암에 묶이고 부싱의 내부 실린더는 고정됩니다.

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선형 시뮬레이션을 재사용하여 고급 비선형 시뮬레이션 수행:

상세하고 정확한 연구를 위해 설계 엔지니어는 시뮬레이션에 압입 효과를 포함하도록 부싱과 하부 제어 암 사이의 연결 매개변수를 변경할 수 있습니다. CAD와 FEM 간의 연관성을 통해 새 시뮬레이션 기능을 쉽게 정의하거나 선형 시뮬레이션 내에서 기존 기능을 수정할 수 있습니다. 기능 관리자는 정의된 시뮬레이션 기능에 대한 통합 보기를 제공하며 최소한의 마우스 클릭으로 매우 쉽게 수정할 수 있습니다.

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자동화 및 협업:

전문 분석가는 잘 정의된 특정 워크플로에 대한 시뮬레이션 템플릿을 정의하고 설계 엔지니어가 제조 효과를 고려하면서 상세한 분석을 수행할 수 있도록 쉽게 사용할 수 있습니다. 이러한 사전 정의된 시뮬레이션을 수행하기 위한 웹 기반 위젯은 설계를 공동 검토하고 마무리할 수 있는 설계자와 시뮬레이션 엔지니어 간의 효과적인 협업을 촉진합니다.

따라서 3D에 대한 포괄적인 도구 EXPERIENCE 플랫폼을 사용하면 초기 설계 단계에서 압입 간섭을 최적화하고 원치 않는 오류 및 리콜을 방지할 수 있습니다.

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클레비스 조인트의 볼트 모델링:

제조 효과의 두 번째 예는 클레비스 조인트의 경우입니다. 클레비스 조인트는 핀이나 볼트가 통과하는 U자형 연결 장치(때로는 "포크 엔드"라고도 함)로 구성된 커플링입니다. 이 핀은 일반적으로 연결 장치나 막대에 부착되어 연결 장치가 핀을 중심으로 회전하면서 다른 모든 방향으로 포크 끝에 "고정"됩니다.

클레비스 조인트는 수많은 제품에 사용되며 자동차 및 중장비 서스펜션, 산업 기계 응용 프로그램, 항공 우주 연결 장치 및 기타 다양한 사용 사례에서 매우 일반적입니다. 값싼 가정용품을 위한 조인트로 단순한 작은 "핀"으로 매우 작을 수 있지만 산업 장비 및 대형 기계의 경우 종종 너무 커서 사람의 무게를 초과할 수 있고 "핀.a"로 매우 큰 볼트가 필요할 수 있습니다. 더 큰 기계 응용 분야에서는 볼트 자체를 단단히 조여야 하므로 "작동 부하"를 고려하기도 전에 부품에 제조 응력을 추가할 수 있기 때문에 포크 끝을 로드에 단순히 "연결"하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 이러한 볼트로 고정된 하중은 포크 끝을 "구부리는" 경향이 있으며 상당한 사전 응력을 유발할 수 있습니다. 이러한 제조 응력을 무시하면 작동 하중에 대한 잘못된 안전 요소가 발생하여 최대 하중 응력이 보존되지 않고 피로 수명이 과도하게 예측될 수 있습니다.

이 죠 그리퍼에서 볼트로 체결된 클레비스 조인트는 링크를 죠 구성요소에 연결하는 데 사용됩니다. 이와 같은 어셈블리의 경우 분리를 방지하기 위해 큰 볼트(관련된 높은 볼트 프리텐션 포함)를 사용해야 합니다. 볼트 하중은 클레비스 조인트 포크를 함께 "당겨" 조립 응력을 발생시킵니다. 고가의 장비는 종종 과도하게 엔지니어링되어 있으므로 고가의 장비에 대한 가동 중단 위험을 감수하는 것보다 약간의 추가 질량을 갖는 것이 좋습니다. 그러나 안전 요소가 높더라도 이러한 제조 효과가 작동 부하와 결합하는 방식을 고려하는 것이 중요합니다.

그림 9에 표시된 시뮬레이션 결과의 경우 작동 부하 자체로 인해 포크에 상당한 응력이 발생하고 목표 응력보다 거의 20% 낮습니다. 그러나 운영 스트레스 외에도 제조로 인한 스트레스를 고려하면 실제 결과는 목표보다 30% 더 높습니다. 이러한 응력은 항복보다 훨씬 낮지만 결국 부품 피로를 유발하여 현장 고장 및 작동 중단 시간을 초래할 수 있습니다. 따라서 이러한 문제를 피하기 위해서는 최적의 볼트 조임력을 선택하는 것이 매우 중요합니다. 3D EXPERINCE 플랫폼은 다음 워크플로에 요약된 대로 이러한 종류의 시뮬레이션을 수행할 수 있는 설계 친화적인 도구를 제공합니다.

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가상 볼트 모델링:

조임 효과를 연구하기 위해 볼트 CAD 형상을 정의하는 것은 설계 엔지니어에게 불필요한 복잡성(접촉으로 인한 비선형성과 같은)을 포함할 수 있습니다. 따라서 3D의 가상 볼트 정의 도구 EXPERINCE는 볼트 표현을 FE 엔티티로 정의하고 예압이 조임 효과를 연구할 수 있도록 하는 단순화된 접근 방식을 제공합니다. 설계자는 단순히 부품의 모서리를 선택하거나 볼트 감지를 사용하여 클레비스 조인트 위치에서 가상 볼트를 정의할 수 있습니다.

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선형 시뮬레이션 정의:

압입 예와 유사하게 시뮬레이션 지원은 설계 엔지니어가 시뮬레이션을 설정하도록 안내할 수 있습니다. 설계 엔지니어는 면, 모서리 또는 꼭지점과 같은 CAD 기능을 선택하여 하중 및 경계 조건을 쉽게 정의할 수 있습니다. 이때 Jaw는 바닥면에 고정되고 Clevis Joint에는 10KN의 하중이 가해집니다.

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DOE 및 최적화를 위한 맞춤 템플릿:

전문 분석가는 설계 엔지니어가 클레비스 조인트에 대한 다양한 볼트 조임력 값의 영향을 연구하기 위해 웹 기반 시뮬레이션 템플릿을 정의할 수 있습니다. 실험 설계는 루프에 전문 분석가를 포함하지 않고 초기 설계 단계 자체에서 형성될 수 있습니다. 이 경우 프로세스 작성기 DOE 템플릿을 사용하여 500N의 차이로 1KN에서 5KN까지 다양한 볼트 예압의 영향을 연구합니다.

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결과 분석의 웹 기반 결과 검증:

프로세스가 완료되면 설계 엔지니어는 전문 분석가와 협력하여 결과 분석이라고 하는 웹 기반 위젯에서 결과를 시각화할 수 있습니다. 하중 및 볼트 조임력과 같은 입력 매개변수를 수정하기만 하면 설계자는 유사한 응용 프로그램을 가진 다른 모델에 대해 템플릿을 재사용할 수 있습니다. 아래 이미지에서 볼 수 있듯이 설계 엔지니어는 2KN 이상의 볼트 힘이 허용 한계(150MPa)를 초과하는 응력을 초과할 수 있다는 결론을 내릴 수 있습니다.

따라서 전문 CAE 엔지니어는 보다 발전된 시뮬레이션에 집중할 수 있고, 설계 엔지니어는 초기 설계 단계에서 제조 효과를 처리하여 전체 프로세스 시간과 비용을 절약할 수 있습니다.

결론:

설계 단계 초기에 제조 효과를 고려하면 설계에서 진정한 "안전 요소"를 보다 정확하게 이해할 수 있습니다. 3D의 디자이너 친화적인 도구 EXPERIENCE 플랫폼은 제품 성능을 보다 일관되게 예측하는 데 도움이 되며 결과적으로 고객의 보증 비용, 리콜 비용 및 운영 비용을 줄일 수 있습니다.

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