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July 11, 2019

ALE adaptive meshing을 활용한 Self-Piercing Riveting (SPR) 해석 사례 소개

안녕하세요 다쏘시스템코리아 SIMULIA 브랜드팀입니다.​​이번 포스팅은 ALE adaptive meshing을 활용한 Self-piercing riveting 해석을 소개해 드리겠습니다.​Abaqus의 adaptive meshing 기술은 Lagrangian
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안녕하세요 다쏘시스템코리아 SIMULIA 브랜드팀입니다.

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이번 포스팅은 ALE adaptive meshing을 활용한 Self-piercing riveting 해석을 소개해 드리겠습니다.

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Abaqus의 adaptive meshing 기술은 Lagrangian analysis와 Eulerian analysis을 결합한 특징 가지고 있습니다. 이러한 유형의 adaptive meshing을 흔히 Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) analysis라고 합니다.

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Abaqus에서는 “ALE adaptive meshing” 또는 “adaptive meshing”라고 부릅니다.

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큰 변형이 생기는 해석 수행 시 불완전한 유한 요소의 이산화(discretization)로 인해 초기 요소의 과도한 왜곡(distortion)이 발생하게 됩니다.

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이는 실제 해석에서 문제가 발생되고 해석이 된다 하더라고 정확성에 문제가 생길 수 있습니다. ALE 기법을 사용하게 된다면 문제를 보다 합리적으로 정확하게 풀 수 있습니다.

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Abaqus에서는 3가지 adaptivity 기법을 제공하고 있습니다.

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– Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) analysis

– Mesh-to-mesh solution mapping (“rezoning”)

– Adaptive remeshing

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1. Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) adaptive meshing는 Abaqus/Standard 와 Abaqus/Explicit 모두 사용 가능하며 한 번의 해석만으로 요소의 왜곡을 컨트롤할 수 있습니다.

Abaqus/Standard 사용 시 acoustic domain mesh나 타이어 마모 해석 등에 사용할 수 있고 Abaqus/Explicit 사용 시에는 충격 해석, 관통 해석, 슬로싱, 단조, 압연, 롤링 해석 등에 사용됩니다. Abaqus/Explicit 해석 시 사용하는 것이 일반적입니다.

ALE Adaptive mesh의 주요 특징으로는 매끄러운 Mesh가 균일한 간격으로 생성됩니다. 이로 인해 요소의 왜곡을 줄이고 일정한 aspect ratio를 유지하게 만듭니다. 또한 동일한 Mesh 토폴로지가 유지됩니다. 즉 요소와 절점 수, 연결 구조가 변경되지 않습니다. 마지막으로 영역이 지정되면 자동으로 ALE Adaptive meshing이 수행됩니다.

* CAE 및 Keyword 모두 사용 가능



< 그림 1. adaptive meshing 유무 비교 >


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2. Mesh-to-mesh solution mapping (“rezoning”)은 Abaqus/Standard에서만 가능하며 distortion을 제어하기 위한 방법입니다. Remesh가 필요한 시기(strain 기준)를 사용자가 설정하고 변형된 해석 모델의 형상에 새로운 mesh를 생성하여 해석을 진행할 수 있습니다. 따라서 solution discontinuity가 발생할 수 있고 과도한 element distortion이 발생한 후 remesh가 되면 solution discontinuity가 커지게 됨.


* Keyword만 가능


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3. Adaptive remeshing은 Abaqus/CAE에서 job이 실행된 Abaqus/Standard 해석에서만 가능합니다. 주로 해석 결과의 품질을 향상시키기 위하여 사용하고 보통 mesh의 밀도를 얼마만큼 해야 정확한 해석 결과를 얻을 수 있을지 모르는 경우나 응력이 집중되는 부분에 적절한 refined mesh를 적용하고 싶은 경우 등에 사용됩니다.


* CAE만 가능


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==활용 사례==


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Self-piercing riveting (SPR) 해석을 통해 adaptive meshing을 소개 드리겠습니다.



< 그림 2. Self-piercing riveting 후 단면 >


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– Feature of Self-piercing Riveting (SPR)


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Self-piercing riveting (SPR)은 구멍이 없는 두 개 이상의 재료 층을 결합하는 데 사용되는 프로세스입니다. Self-piercing riveting (SPR)은 알루미늄 부품을 접합하기 위한 연결 요소, 이종 재료 간 결합 및 접합에 사용합니다.


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이종 재료 접합에 가정 적합한 결합 방법으로 용접방법에 비해 유독가스, 스파크, 소음 발생이 적고, 비용 및 생산 시간을 단축하는 특징이 있습니다.


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Self-piercing riveting (SPR)의 process는 6가지 스태프로 구분해 볼 수 있습니다.


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< 동영상 1. Self-piercing riveting process >


* Ref. Bollhoff Group ( https://www.youtube.com/watch?v=ixR4eqRJGRc&vl=en )


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1. Positioning


2. Holding


3. Piercing


4. Stamping


5. Forming


6. Setting


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ALE 없이 해석을 진행할 경우 요소의 과도한 변형으로 결과를 얻지 못하게 됩니다.



< 그림 3. 요소의 과도 변형으로 에너지 발산 FM(좌) DZ(우) >


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Abaqus에 SPR 해석을 시도해 볼 수 해석 방법은 3가지 정도입니다.


– ALE (2-d axisymmetric with ALE)


– SPH


– CEL


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< 그림 5. SPR해석을 위해 고려해야 할 사항 >


해석 검증을 위해 실험 방법과 재료의 물성 등을 R. Porcaro et al. / Journal of Materials Processing Technology 171 (2006) 10-20 논문을 참고하여 해석을 진행하였습니다.


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<그림 6-1. SPR 해석을 위한 Die 종류 및 리벳 설명>



< 그림 6-2. SPR 해석을 위한 ALE tool setup >



< 그림 6-3. SPR 해석을 위한 SPH tool setup >


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INPUT (1STEP 구성) , OUTPUT ( PUNCH Force, deformation 등), 경계조건 ( CAX 요소 사용 시 DIE ALL Fix, holder, punch는 x축만 free)



< 그림 7. SPR 해석을 위한 물성 정보 >


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< 동영상 2. ALE를 사용한 FM series 결과 동영상 >



<그림 8. ALE를 사용한 FM series의 실험과 해석 Force-Displacement curve 비교 >



< 동영상 3. SPH를 사용한 DZ series 결과 동영상 >



<그림 9. SPH를 사용한 FM series의 실험과 해석 Force-Displacement curve 비교 >


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SPH를 사용한 경우 해석 시간도 ALE에 비해 8배 많이 소요되었으며 반력도 실험 대비 차이가 크게 발생하였다. (추후 보정 필요)


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맺음말


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이산화탄소의 규제와 자동차의 연비 향상에 대응하기 위해 자동차 차체의 경량화를 위한 많은 연구들이 활발히 진행되고 있습니다. EV 자동차, 항공기의 경우 연비 및 환경 규제뿐만 아니라 주행성능 향상 및 성능 안전장치를 장착되는 부품의 기능 수가 증가함에 따라 자동차의 무게 또한 증가되고 있다. 자동차의 중량 감소를 위해 여러 가지 방법의 경량화 기술이 적용되고 있는 추세이며 차체 및 섀시를 경량화하기 위하여 알루미늄, 마그네슘, CFRP(Carbon fiber reinforced plastics), 고장력 강판 등이 적용되고 있고 이에 따라 이종 소재 접합 기술인 Self-Piercing Riveting(SPR) 기술 연구가 필요하게 됩니다. Abaqus ALE 해석기법을 활용한다면 보다 빠르게 이종 소재 접합 검증 해석을 수행할 수 있으며 접합성 검증 및 접합부의 기계적 강도 평가를 수행할 수 있습니다.


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작성자 다쏘시스템코리아 SIMULIA 이주완


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