CAD에서 FEA(유한 요소 분석)란 무엇입니까?

이 문서:

• FEA(유한 요소 분석)란 무엇입니까
• 유한 요소 해석 및 시뮬레이션 소프트웨어의 원리
• FEA의 일반 프로세스
• 유한요소법의 유형
• CAD의 유한 요소 분석 애플리케이션
• FEA 소프트웨어가 유용한 이유
• 결론

엔지니어는 자신이 설계하는 모든 제품 및 구조의 무결성과 안전에 대해 전적으로 책임을 져야 하는 부끄럽지 않은 위치에 있습니다. 설계상의 작은 실수는 종종 임박한 재난으로 이어집니다(자주 법원에 가서 소송을 당함).

이것이 제품과 구조가 실제 세계에 배포되기 전에 일련의 스트레스 테스트 및 최적화를 거치는 이유입니다. 그러나 수백 번의 반복(및 확장)에 걸쳐 그렇게 하는 것은 엄청나게 비용이 많이 들 수 있습니다. 따라서 엔지니어는 종종 이 테스트를 자동화하고 단순화하기 위해 시뮬레이션 모델링 기술(예:유한 요소 분석)을 찾습니다.

이것은 반복적인 프로토타이핑을 위한 재료의 사용을 줄이는 데 도움이 됩니다. 그렇지 않으면 구현에 사용됩니다.

유한 요소 해석은 엔지니어와 CAD 설계자가 설계에 대한 "응력"을 시뮬레이션하는 데 사용하는 가장 일반적인 기술 중 하나입니다.

FEA(유한 요소 분석)란 무엇입니까?

유한 요소 분석(FEA)은 일련의 물리학 기반 계산으로 엔지니어링 문제를 해결하는 데 사용되는 수치 기술입니다.

예를 들어 교량을 설계하는 엔지니어는 하중을 받는 구조물의 거동을 예측해야 합니다. 구조적 응력의 분포를 설명하는 방정식 시스템은 알려져 있지만 교량과 같은 복잡한 구조의 경우 쉽게(또는 직접) 풀 수 없습니다.

따라서 시스템은 계산이 쉽게 이루어지고 풀릴 수 있는 작은 요소("유한 요소")로 분할되어야 합니다.

유한 요소는 1차원, 2차원 또는 3차원일 수 있습니다.

유한 요소 해석 및 시뮬레이션 소프트웨어의 원리

유한 요소 방법은 일반적으로 엔지니어링에서 경계 문제(필드 문제)의 근사 솔루션을 계산하기 위해 FEA에서 사용됩니다.

"필드"는 일반적으로 물리적 구조를 주 도메인으로 나타냅니다.

"필드 변수"는 미분 방정식의 지배를 받는 관심 변수입니다. 변수(또는 관련 변수)의 특정 값에 대한 경계 조건을 달성해야 합니다.

"노드"는 일반적으로 명시적으로 계산되는 필드 변수의 값을 포함하는 유한 요소의 특정 지점입니다. 그런 다음 이 값은 모양 함수를 사용하여 노드에서 값을 보간하여 비절점에서 값을 계산하는 데 사용됩니다.

FEA의 일반 프로세스

1. 제조를 위한 전처리

이 단계에서는 도메인 문제, 재료 속성, 기하학적 속성, 메쉬 모델, 경계 조건 및 요소 유형을 정의해야 합니다. 일반적으로 이 단계에서 엔지니어는 문제를 최대한 단순화하여 빠르고 정확한 결과를 얻습니다.

예를 들어, 시뮬레이션 전에 CAD 모델에는 시뮬레이션에 필수적이지 않은 필렛, 구멍 또는 기타 기능이 많이 있을 수 있지만 계산 리소스를 많이 사용하고 렌더링 시간을 늘리는 기능이 있습니다. 엔지니어는 일반적으로 시뮬레이션 속도를 높이기 위해 이러한 기능을 제거합니다.

이것은 수동으로(디자이너가 이러한 기능을 하나씩 제거하여) 수행하거나 Spatial 소프트웨어에서 CAD 디피처링을 사용하여 자동으로 수행할 수 있습니다. 이 프로세스를 자동화할 때 얻을 수 있는 한 가지 큰 이점은 사람의 실수를 줄이는 것입니다.

Spatial의 3D InterOp 및 Modeler 솔루션으로 기능 인식 및 손쉬운 Defeaturing

2. 솔루션

여기에서 필드 변수의 알려지지 않은 값에 대한 계산이 수행됩니다. 이 값을 사용하여 응력 및 반력과 같은 파생 변수를 계산할 수 있습니다.

3. 후처리

정렬, 플로팅 및 인쇄는 선택한 결과가 유한 요소 분석에 대한 솔루션으로 구현되는 최종 활동 세트입니다.

유한 요소법의 유형

일부 분야(예:유체 역학)에 대한 FEA 모델링의 단점으로 인해 유한 요소 해석 적용의 다양성을 향상시키면서 솔루션 프로세스에 대한 몇 가지 개선이 필요했습니다.

몇 가지 일반적인 유형은 다음과 같습니다.

• 확장 유한 방법(XFEM)

파손 파손이나 파손 등의 문제는 유한요소법으로 직접 처리할 수 없습니다.

Galerkin 방법과 Heaviside 단계 함수를 사용하는 XFEM은 형상 함수의 확장을 가능하게 합니다. 노드에는 고려를 위해 불연속점에서 각각 추가 자유도가 부여됩니다.

• 일반화된 유한 요소 방법

이 유형에서 모양 함수는 전역 좌표로 정의되는 동안 단위 분할로 곱해집니다. 이것은 로컬 요소 기능을 형성할 수 있는 동안 재메싱을 방지합니다.

CAD의 유한 요소 분석 애플리케이션

FEA는 CAD 설계에서 가장 강력하고 일반적으로 사용되는 기능 중 하나입니다.

작은 직사각형 및 삼각형 모양을 포함하는 유한 요소를 사용하여 객체를 분석하기 위해 CAD에 필수적입니다. 전체 객체를 분석하기 위해 전체 객체 네트워크의 각 유한 요소를 분석하고 결과를 결합하여 복잡한 객체의 전체 동작을 플롯합니다. 각 요소는 응력-변형률, 역학, 열 속성 또는 기타 특성(적용 위치에 따라 다름)과 같은 특정 속성 임계값에 대해 분석할 수 있습니다.

CAD 작업 흐름에서 설계에 필요한 대로 각 요소와 네트워크 구조를 정의할 수 있습니다.

FEA 소프트웨어가 유용한 이유

FEA를 사용하면 엔지니어가 테스트 목적으로 물리적 모델을 만들 필요 없이 설계된 모델의 시뮬레이션을 수행할 수 있습니다.

FEA는 더 많은 이점을 제공합니다.

분석 중 FEM을 사용하면 다양한 재료 유형을 모델링할 수 있으며 제한된 효과가 복잡한 형상의 작은 설계 영역에 미치는 영향을 모니터링할 수 있습니다.

엔지니어는 광범위한 작업에 대한 유한 요소 모델링에 특화된 소프트웨어를 사용할 수 있습니다.

유체 역학, 충돌로 인한 차량 변형 및 인체 뼈에 가해지는 응력은 엔지니어가 유한 요소 모델링 소프트웨어를 실제로 활용하는 일부입니다.

결론

FEA는 예측적이지만 긍정적이지는 않습니다.

설계가 시뮬레이션된 응력을 확실히 견딜 수 있는지 확인하지 않습니다. 엔지니어는 물리적 테스트 비용을 절감하면서 설계가 부과된 응력에 어떻게 반응할 수 있는지에 대한 보기만 제공합니다.

전반적인 FEA 경험을 위해 이 기능이 포함된 여러 CAD 소프트웨어가 있어 어떤 엔지니어링 분야에서든 더 정확하고 더 나은 구조를 설계하는 데 도움이 될 수 있습니다.