안녕하세요. 다쏘시스템 SIMULIA 브랜드팀 입니다.
이번 시간에는 알루미늄 Impact Bar가 단단한 바닥면에 낙하하여 충격 하중을 받는 문제에 대하여 Abaqus/CAE를 이용하여 충격 거동을 예측하는 방법을 소개해 드리겠습니다.
해석 순서
Part >> Property >> Assembly >> Step >> Interaction >> Load >> Mesh >> Job >> Visualization
1. Part
1-1. Abaqus/CAE 시작 후에 Part Module에서 Impact_Bar의 Part를 생성하기 위하여 model tree에서 “Part” 마우스 더블 클릭 (또는 Create Part 아이콘 클릭)
1-2. [그림1]과 같이 Creat Part에 대한 Dialog Box의 각 항목을 설정
a. Name에는 “Impact_Bar” 입력
b. Modeling Space에서 “3D” 선택
c. Type에서 “Deformable” 선택
d. Shape에서 “Solid” 선택
e. Approximate size에서 200 입력
f. “Continue…” 클릭
[그림1] Impact_Bard의 Create Part 설정
1-3. 모델의 단위는 mm이며 [그림2]와 같이 Sketch를 통하여 반지름 25mm인 원을 생성한 후에 200mm 돌출을 합니다. 생성된 Impact_Bar의 최종 형상은 [그림3]과 같습니다.
[그림2] Impact_Bar의 Sketch 형상 [그림3] Impact_Bar의 Part 최종 형상
1-4. 다음은 Impact_Bar와 낙하에 의한 충격이 발생할 단단한 바닥면을 생성할 차례입니다. [그림4]과 같이 Creat Part의 dialog box 에 입력합니다.
a. Modeling Space에서 “3D” 선택
b. Type에서 “Analytical rigid”
c. Approximate size에서 200 입력
d. “Continue…” 클릭
[그림4] Rigid_Plate의 Create Part 설정
1-5. 아래의 그림과 같이 Rigid_Plate의 Sketch 형상은 [그림5]와 같습니다.돌출 깊이는 200으로 입력합니다.
[그림5] Rigid_Plate의 Sketch 형상
1-6. Create Datum >> Point >> Midway between 2 points를 이용하여 생성된 Rigid_Plate 중앙에 a datum point을 생성합니다.
[그림6 Create Datum]
1-7. Rigid_Plate의 경계조건을 적용하기 위한 reference point을 생성합니다.
a. menu bar select Tools >> Reference Point 클릭 후에 위에서 생성한 the datum point을 선택
b. 생성된 reference point는 [그림7]과 같습니다.
[그림7] Rigid_Plate의 가운데 생성된 reference point
1-8. Rigid_Plate에 접촉 조건을 위한 surface 생성하기.
a. Tools >> Surface >> Create … 순서대로 클릭
b. Rigid_Plate 선택.
c. Rigid_Plate에서 Impact_Bar와 접촉이 발생되는 면을 선택하여야 합니다. 여기서는 “Brown”을 선택.
[그림8] Rigid_Plate의 Surface 접촉 발생면 선택
2. Property
2-1. Impact_Bar의 재료 물성 입력을 위한 순서입니다. 새로운 재료 모델을 생성하기 위하여 model tree에서 “Material”을 더블 클릭합니다.
a. 새로운 재료 모델 이름으로 “Aluminum” 설정합니다.
b. “Mechanical” 탭에서Elasticity >> Elastic
c. 탄성계수(Young’s Modulus) = 70E3와 프와송 비(Poisson’s Ratio) = 0.33을 입력
d. 충격해석은 동적 해석이기 때문에 밀도(density)도 반드시 입력.
e. “General” tab에서 Density 선택 후에 밀도 2.6 e‐3을 입력
f. “OK” 클릭
[그림9] Mechanical(왼쪽) & General(오른쪽) 재료 물성치 입력
2-2. 섹션 생성을 위하여 모델 트리에서 “Sections” 선택
a. 새로운 section 이름은 “Impact_Bar_Sect” and category에서 “Solid” 선택 그리고 type에서 “Homogeneous” 선택 후에 “Continue…” 클릭
b. 위에서 생성된 재료 모델 “Aluminum” 선택 후에 “OK” 클릭
[그림10 Section 생성]
2-3. 생성된 Section을 부여하기 위하여 “Section Assignments” 클릭
a. Viewport에서 Impact_bar의 geometry 선택 후에 prompt area에서 “Done” 클릭
b. Impact_Bar_Sect 선택후 “OK” 클릭
3. Assembly
3-1. model tree의 “Assembly” node를 더블 클릭 “Instances”
a. Instance type에서 “Dependent” 선택
b. “Impact_Bar“와 “Rigid_Plate” 선택
c. “Auto‐offset from other instances” 선택
d. “OK” 클릭
[그림11] Assembly를 위한 Instance 생성
3-2. Impact_Bar 한쪽면이 Rigid_Plate 사이에 충격하도록 하기 위해서 Impact_Bar를 회전과 이동을 시킵니다. 첫 번째로 아래와 같은 방법으로 x축을 기준으로 90 회전시킵니다.
a. “Rotate Instance” 아이콘 클릭
b. Impact_Bard 선택
c. 회전축을 X축 방향으로 설정하기 위하여 회전축 starting point를 (0,0,0) 입력하고 “Enter” 클릭
d. 회전축의 end point을 (1,0,0)로 입력하고 “Enter” 클릭.
e. 회전각을 90 (degrees) 입력
f. 회전된 Impact_Bar는 아래와 나타나 있는 바와 같은지 확인한 후에 “OK” 클릭
3-3. 회전후에 Impact_Bar를 Rigid_Plate의 중앙 위치로 이동시킵니다. Toolbox 에서 “Translate Instance” 아이콘 클릭
a. “Impact_Bar” geometry 선택 후에 “Done” 클릭
b. 하단 그림과 같이 시작점으로 “Impact_Bar”의 하단면 중앙에 있는 vertex 클릭.
c. End Point로 ”Rigid_Plate”에 있는 reference point를 선택.
d. “Ok” 클릭
e. 최종적으로 완료된 “Impact_Bar”와 “Rigid_Part” 사이의 assembly는 [그림12]와 같습니다.
[그림12] Impact_Bar의 회전(오른쪽)과 이동(왼쪽)을 이용한 위치 지정
4. Step
4-1. Step을 생성하기 위하여 Model tree에서 “Steps” node 클릭
a. 충격 해석은 Abaqus/Explicit을 이용한 해석이기 때문에 step 이름 “Impact_Analysis” 입력 후에, procedure 에서 “General”, “Dynamic, Explicit” 선택 그리고 마지막으로 “Continue…” 클릭
b. “Basic” tab의 “Edit Step”에서 time period는 0.05 seconds로 설정.
[그림13] 낙하충격을 위한 Step 생성
4-2. 결과 출력을 설정하기 위하여 model tree에서 “Field Output Requests” 더블 클릭
a. “F‐Output‐1” 더블 클릭.
b. 충격이 발생하는 동안 더 많은 결과를 출력하기 위해서는 “Interval”의 값을 100으로 설정.
c. History의 경우에도 마찬가지로 “History output Requests” 동일한 방법으로 200으로 설정.
[그림14] Field Output과 History Output의 변수 설정하기
5. Load
5-1. “Impact_Bar”의 충격 속도는 초기 조건으로 를 설정하며 이를 하기 위하여 Load Module에서 “Create Predefined Field” 아이콘 클릭
a. predefined field 이름 설정.
b. Step selection에서 “Initial” 선택.
c. Category에서 “Mechanical” 선택 후에 “Velocity” 선택.
d. View Port에서 “Impact_Bar” 선택
f. Click “Done” in the prompt region.
g. “Edit Predefined Field”의 V2 field에서 속도 ‐500 [mm/s] 입력을 하면 속도 벡터가 [그림16]과 같이 표시되어집니다.
[그림15] Impact_Bar 초기 속도 설정 [그림16] Impact_Bar에 표시된 초기 속도
5-2. Rigid Plate의 경계조건을 적용하기 위하여 model tree에서 “BCs” 더블 클릭
a. “Rigid_Plate_BC” 이름 입력 후에 type으로 “Symmetry/Antisymmetry/Encastre”을 선택.
b. reference point 선택 후에 “Done” 클릭
c. “Rigid_plate”를 고정시키기 위하여 “ENCASTRE” 선택 후에 “OK” 클릭
6. Interaction
6-1. “Impact_Bar”와 “Rigid_Plate” 사이에 general 접촉조건을 적용하기 위하여 첫 번째로 model tree에서 “Interaction Properties” node를 더블 클릭하기
a. interaction properties 이름 설정 후에 and type으로 “Contact” 선택하고 “Continue…” 클릭
b. Mechanical tab에서“Tangential Behavior”
c. friction formulation에서 “Penalty” 선택
d. Friction Coefficient는0.5로 설정
e. Mechanical tab에서 “Normal Behavior” 선택
d. defaults로 설정 후에, “OK” 클릭
6-2. Model tree에서 “Interactions” node을 더블 클릭.
a. interaction에 이름 입력 후에 “General Contact (Explicit)” 선택하고 “Continue…” 클릭
b. Edit Interactions Window에서 “All* with self” 선택.
c. “Contact Properties tab에서 Global Property assignment 앞에서 생성한 “Interaction Property”를 선택.
d. “OK” 클릭
[그림17] general contact 설정
7. Mesh
7-1. “Impact_Bar”에 대한 해석 모델링을 하기 위하여 model tree에서 “Mesh” 더블 클릭.
a. Element Library에서 “Explicit” 선택
b. Geometric order에서 “Linear” 선택
c. Family에서 “3D Stress” 선택
d. “Hex” tab 하단에서 C3D8R 확인
e. “OK” 클릭
[그림18] Impact_Bar 요소 종류 설정
7-2. Toolbox area 에서 “Seed Part” 아이콘 선택
a. “Sizing Controls”에서 approximate global size를 5 입력 후에 “OK” 클릭.
7-3. Toolbox area에서 “Mesh Part” 아이콘 선택
8. Job
8-1. 지금까지 생성한 해석으로 충격 해석을 실행하기 위하여 model tree에서 “Job” node 더블 클릭
a. job의 이름과 설명 입력 후에 “Continue…” 클릭
b. defaults 설정 후에, “OK” 클릭
8-2. 생성된 job을 submit 하기 위하여 job에서 마우스 버튼 오른쪽 클릭 후에 “Submit”
8-3. 해석을 수행하고 있는 동안에 “Monitor”을 통하여 error 또는 warning 메시지를 확인 가능
8-4. 해석이 성공적으로 완료되었다는 메시지가 나타나면 결과를 확인하기 위하여 “Results” 클릭
9. Visualize
9-1. Animation을 이용하여 Impact_Bar가 충격 하중에 의한 응력 변화를 쉽게 확인할 수 있습니다.
a. “Plot Contours on Deformed Shape” 클릭
b. “Animate : Time History”. 클릭
[그림19] Impact_Bar의 시간에 따른 응력 변화
9-2. History Output를 통하여 충격 동안에 발생되는 다양한 Energy 거동을 확인할 수 있습니다.
a. “Create XY Data” 아이콘 클릭
b. “ODB field output” 선택 후 “Continue…” 클릭
c. Artificial Strain Energy (ALLAE), Internal Energy (ALLIE), Kinetic Energy (ALLKE), Total Energy (ETOTAL) 선택 후 “Plot” 클릭
[그림20] Impact_Bar의 시간에 따른 에너지 곡선
Reference
Abaqus Example Problem Guide : 2.1.13 Oblique impact of a copper rod
이상으로 Abaqus/CAE를 이용한 낙하충격 해석에 대한 소개를 마치도록 하겠습니다.
Abaqus을 이용한 해석에 관해 문의가 있으시면 SIMULIA 기술지원팀으로 연락 부탁드립니다.
글/라재연
다쏘시스템 SIMULIA 솔루션 컨설턴트
시뮬리아 아바쿠스 SIMULIA ABAQUS
