제조 효과 조기 시뮬레이션으로 견고한 설계 구현

설계·엔지니어링에서 가정은 단순화 메커니즘으로, 때론 그 단순화로 충분해서, 때론 비선형 효과 고려할 시간·도구 부족으로 쓰입니다.

많은 컴포넌트에서 제조 공정이 제품 성능에 큰 영향 주지만 가장 흔히 간과되는 효과 중 하나. 어떤 제조 효과 고려하고 무시할지 답이 항상 명확하진 않음. 엔지니어링 표준 관행: 설계자가 설계 빌드 → 분석가에게 넘김 → 분석가 빌드/분석. 이 접근은 번거롭고 이상적보다 오래 걸림. CAD-CAE 간 비이상적 연결과 데이터 전송, 초기 분석 실행에 실제 모델 빌드/분석/이해보다 더 많은 시간 소모 흔함.

3DEXPERIENCE Platform – 설계와 고체 역학 도구 통합:

DASSAULT SYSTÈMES 3DEXPERIENCE Platform은 CATIA 세계적 설계 기능과 SIMULIA 선형/비선형 고체 역학 도구 세트 결합. CAD-CAE 간 업계 일반보다 훨씬 매끄러운 연결 제공. 가이드 프로세스와 표준 템플릿으로 더 빠른 최초 답안 도출. 전문 구조 해석 엔지니어가 하던 초기 단순 계산/가정을 CAD와 초기 엔지니어링 도구 세트 내 임베드해 최초 모델과 구조 KPI 초기 추측 동시 도출. 최초 선형 구조 답안을 CAD 내에서 실행/분석 후 분석가에게 전달.

구조 해석 엔지니어는 '칼날 세우기'로 모델 추가 정제, '최초 패스' 모델에 적절한 효과 추가. 일부 제조 고려는 단순 '확장' 선형 가정이지만, 접촉, 소재 비선형, 응력-강화 효과 등 적절 시 포함. 이 정제가 간과될 수 있는 실패 드러내는 데 중요. '클래식' 비선형 예: 소재 비선형(강철 소성, 고무 비선형 거동, 다양한 소재/컴포넌트 균열/파손). 이들은 잘 이해되지만, 접촉 효과와 '비선형 기하' 영향은 더 자주 간과됨. 이 세 비선형 형태 모두 제조 공정 결과일 수 있고, 3DEXPERIENCE Platform에서 모두 모델링/분석/후처리 용이.

제조 효과가 시스템에 미치는 영향 보여주는 두 예시 평가:

• 로워 컨트롤 암 프레스 핏 연결(Press Fit Connection in a Lower Control Arm):

접촉은 엔지니어에게 잘 이해됨: 두 이상 컴포넌트 '충돌', 힘 전달 → 응력/변형 발생. 종종 고려 안 되지만 영향 클 수 있는 접촉 예가 '프레스 핏'. 약간 큰 외경 컴포넌트 작은 내경 컴포넌트에 '강제' 삽입. 프레스 핏은 상충 요건 균형: 간섭 너무 작으면 쉽게 빠져 시스템 무결성 손상(부품 분리). 너무 크면 높은 응력/변형 → 한 쪽 또는 양쪽 부품 파손.

3DEXPERIENCE Platform 시뮬레이션 모듈은 단순화 접근 대신 프레스 핏 포착 가능, 간섭 변이 고려해 프레스 핏 자체 응력과 '표준' 하중 포함 시 결과 응력 연구 가능. 프레스 핏 효과 미고려 시 치명적 결과 초래 가능.

위 예시에서 로워 컨트롤 암(프레스 핏 흔한 예)이 프레스 핏 효과 미고려 시 예기치 않게 파손 가능. 왼쪽 결과 오도 가능, 제조사 워런티 이슈 유발. 예기치 못한 파손과 리콜은 OEM 평판에도 영향.

업계에서 프레스 핏 효과는 보통 컴포넌트 상세 해석 단계 고려. 초기 설계 단계에서 과도 프레스 핏 감지/수정하면 전체 프로젝트 시간/비용 절감.

3DEXPERIENCE 워크플로 요약:

• 파라메트릭 CAD 모델링(Parametric CAD Modeling):

3DEXPERIENCE 플랫폼 파라메터 기반 설계로 다양한 구성 테스트 가능. 로워 컨트롤 암-부싱 간섭을 설계 파라미터로 정의/변경 가능.

• 통합 모델링·시뮬레이션(Integrated Modeling and Simulation):

CAD 모델링·시뮬레이션 통합 플랫폼으로 설계자가 컴포넌트 분석 후 시뮬레이션 엔지니어 전달. 3DEXPERIENCE 시뮬레이션 어시스턴스로 비전문가도 전문가 전달 전 기본 선형/비선형 시뮬레이션 수행 가능. 여기선 4KN 수직 하중, 2.5KN 측면(X 방향) 하중 두 케이스 정의. 설계자 레벨 비선형 효과 무시 위해 부싱을 로워 컨트롤 암에 타이(Tie), 부싱 내실린더 클램프.

• 선형 시뮬레이션 재사용해 고급 비선형 시뮬레이션 수행(Reuse of Linear Simulation to Perform Advanced Non-linear Simulation):

상세 정확 연구 위해 설계자가 부싱-로워 컨트롤 암 연결 파라미터 변경해 프레스 핏 효과 포함. CAD-FEM 연관성으로 선형 시뮬레이션 내 새 시뮬레이션 피처 정의/기존 수정 용이. 피처 매니저로 정의된 시뮬레이션 피처 통합 뷰, 최소 클릭으로 수정.

• 자동화와 협업(Automation and Collaboration):

전문 분석가가 명확한 워크플로용 시뮬레이션 템플릿 정의해 설계자가 제조 효과 고려 상세 분석 수행 가능하게. 웹 기반 위젯으로 사전 정의 시뮬레이션 구동해 설계자-시뮬레이션 엔지니어 효과적 협업, 공동 리뷰/설계 확정.

 

따라서 3DEXPERIENCE 플랫폼 종합 도구로 초기 설계 단계 프레스 핏 간섭 최적화, 원치 않는 파손/리콜 방지 가능.

• 클레비스 조인트 볼트 모델링(Bolt Modeling in a Clevis Joint):

제조 효과 두 번째 예: 클레비스 조인트. U자 링크(포크 엔드)에 핀/볼트 통과하는 커플링. 핀은 링크/로드 연결, 링크가 핀 중심 회전하면서 다른 방향 고정. 클레비스 조인트: 자동차/중장비 서스펜션, 산업 기계, 항공우주 링키지 등 광범위 사용. 작은 핀으로 저가 가정용품부터 산업/대형 기계에서 사람 무게 넘는 대형 볼트까지 다양. 대형 기계 애플리케이션에선 포크 엔드-로드 단순 '연결' 부족. 볼트 강체 토크 필요 → '운영 하중' 고려 전 제조 응력 부가. 볼트 하중이 '포크 엔드 휘게' 해 상당한 프리스트레스 유발. 제조 응력 무시 시 운영 하중 안전 계수 부정확 → 비보수적 피크 응력, 피로 수명 과예측.

이 죠 그리퍼에서 볼트 클레비스 조인트로 링크-죠 컴포넌트 연결. 이런 어셈블리에선 큰 볼트(높은 볼트 프리텐션)로 분리 방지. 볼트 하중이 클레비스 조인트 포크 당겨 조립 응력 발생. 이런 중장비는 과설계 흔함(비싼 장비 다운타임 리스크보다 여분 질량 선호). 하지만 높은 안전 계수에도 제조 효과+운영 하중 결합 고려 중요.

그림 9 시뮬레이션 결과: 운영 하중만으론 포크 응력 목표치 대비 ~20% 낮음. 하지만 제조 유도 응력 가산 시 실제 결과 목표치 대비 30% 높음. 항복 미만이어도 최종 컴포넌트 피로 → 현장 파손, 운영 다운타임 유발. 최적 볼트 조임력 선정 중요. 3DEXPERINCE 플랫폼이 이런 시뮬레이션 수행 설계 친화적 도구 제공, 워크플로 요약:

• 가상 볼트 모델링(Modeling a virtual bolt):

볼트 CAD 지오메트리 정의로 조임 효과 연구 시 불필요 복잡성(접촉 비선형 등) 발생 가능. 3DEXPERINCE 가상 볼트 정의 도구로 FE 엔티티로 볼트 표현 단순화, 프리텐션으로 조임 효과 연구. 설계자 간단하게 파트 에지 선택 또는 볼트 감지로 클레비스 조인트 위치 가상 볼트 정의.

• 선형 시뮬레이션 정의(Defining a linear simulation):

프레스 핏 예시처럼 시뮬레이션 어시스턴스 가이드로 설계자 시뮬레이션 설정. 면/에지/정점 등 CAD 피처 선택해 하중/경계 조건 쉽게 정의. 여기선 죠 하단 면 클램프, 클레비스 조인트 10KN 하중 인가.

• DOE·최적화용 커스텀 템플릿(Custom template for DOE and Optimization):

전문 분석가가 웹 기반 시뮬레이션 템플릿 정의해 설계자가 클레비스 조인트 볼트 조임력 값별 효과 연구 가능. 초기 설계 단계서 전문 분석가 루프 없이 DOE 구성. 여기선 1KN~5KN, 500N 간격 볼트 프리텐션 효과 연구.

• 웹 기반 결과 검증(Results Analytics):

프로세스 완료 후 설계자가 전문 분석가와 협업해 웹 기반 위젯(Results Analytics) 결과 시각화. 하중, 볼트 조임력 등 입력 파라미터 수정만으로 유사 애플리케이션 다른 모델에 템플릿 재사용. 아래 이미지서 볼트 힘 2KN 초과 시 허용 응력(150 MPa) 초과 가능성 확인.

따라서 전문 CAE 엔지니어는 고급 시뮬레이션 집중, 설계자가 초기 단계 제조 효과 담당해 전체 프로세스 시간/비용 절감.

결론:

제조 효과를 설계 초기 단계 고려하면 설계 '안전 계수' 더 정확히 이해 가능. 3DEXPERIENCE 플랫폼 설계자 친화적 도구로 제품 성능 더 일관되게 예측 → 고객 워런티/리콜/운영 비용 절감.

Transportation & Mobility 솔루션 전체 보기:

https://www.3ds.com/products-services/simulia/solutions/transportation-mobility/