CATIA를 이용한 굴삭기 만들기 : 구조해석

오늘은 저번에 카티아로 만든 굴삭기의 구조해석을 해보도록 하겠습니다. 일단 이 책에서는 기본적으로 Bucket을 가지고 구조해석을 시행하고 있습니다.

 

 

일단 각 형상들을 하나의 body로 assemble 시킵니다. 후훗 다시 봐도 뿌듯하네요. 

 

구조해석을 하려면 일단 재질을 적용시켜주어야 합니다. 굴삭기의 Bucket은 보통 철로 만들어져 있으니.. 철(Iron)을 적용시켜줍니다. 그런 다음 View Mode를 Shade with material로 바꾸면 다음과 같이 보입니다.

 

 

재질 적용 후 Generative Structural Analysis 워크벤치를 오픈합니다.

 

 

 

구조해석을 하기 위해서는 Bucket의 각 부분을 해석 가능한 유한개의 요소로 나누어야 한답니다. 즉, 메쉬(Mesh)를 만들어주어야 한단 뜻이랍니다.

 

메쉬를 Absolute sag 0.5mm, parabolic element type으로 설정한 뒤 Compute하고 Mesh Only 옵션을 적용한 후 Spec Tree의 Nodes and Elements에서 Mesh Visualization을 선택해주면 다음과 같은 화면을 볼 수 있습니다.

 

 

여기서 View Mode를 Shade with edge로 바꾸면 다음과 같이 각각의 메쉬들을 확인할 수 있습니다.

 

 

이렇게 Bucket에 메쉬를 적용시켜주고 형상분석을 위해 메쉬를 숨기고 형상의 Link를 Show시켜야 합니다. 그 이유는 카티아가 형상 기반 해석방법을 사용하기 때문이라는군요. 즉, 분석하려는 형상이 출력되어 있어야 해석이 가능하다고 하는군요.

 

이제 분석을 위해 조건을 걸어주도록 하겠습니다. 즉, 이 구조에 힘을 가해주는 것이지요. 그 전에 제한(Restraint)를 걸어주어야 합니다. 왜냐하면 실제 굴삭기 구조에서 Bucket은 한 방향으로만 움직이기 때문에 Bucket 단독으로 분석한다 하더라도 이렇게 제한을 걸어주어야 실제 굴삭기 구조에서 분석하는 것과 비슷한 조건을 갖출 수 있어 더 정확한 분석이 가능합니다.

  

 

Bucket이 Arm과 연결되는 부분의 움직임을 User-defined Restraint로서 제한하도록 하겠습니다. 연결부위를 선택하면 위와 같이 나오는데, 여기서 Y축을 중심으로 회전하는 움직임을 제외한 나머지 움직임은 모두 제한해줍니다. 즉, 아래 그림과 같이 화살표로 표시된 부분만 선택을 해제해줍니다.

 

 

자세히 보시면 보이실 수도 있는데(;;) 위의 그림에서는 그 앞의 그림과 비교하였을 때 Y축을 중심으로 회전하는 화살표가 빠져있음을 알 수 있습니다.

 

그 다음 이 구조에 힘을 가해주도록 하겠습니다.

 

 

Loads Toolbar에서 Distribute Load를 실행 후, Bucket의 갈퀴 끝을 선택해준 후 여기에 X축 방향으로 1000N의 힘을 가해주는 조건을 설정해줍시다. Distribute Load는 입력한 하중을 선택한 면에 분배하여 적용하는 명령이라고 합니다. 1N은 약 102g의 질량을 가진 물체의 무게와 비슷하므로 1000N이면 102Kg의 질량을 가진 물체의 무게 정도 되겠네요.

 

위와 같이 설정해준 뒤 Compute를 실행하여 계산을 시행하면 됩니다. 이때 다음과 같은 에러가 뜰 수 있는데요.

 

 

Rotation constraints가 Mesh 부분으로 고려되지 않았다는 뜻인 것 같은데요(;;) 정확히 아시는 분은 댓글 좀.. 이 에러 메세지를 없애려면, 다음과 같이 설정하면 되더라구요.

 

 

Arm과의 연결부분에서 User-defined Restraint를 적용해줄 때 위와 같이 Select Mesh Parts에서 All을 선택해주면 위와 같은 에러 메세지가 나타나지 않습니다.

 

우여곡절 끝에 Compute를 끝내게 되면 이제 구조해석의 결과를 볼 수 있게 됩니다.

 

 

 

먼저 변형률을 보는 명령은 Deformation입니다.

 

 

위와 같은  상태에서 Deformation 명령을 주게 되면..

 

 

아래와 같이 변형률이 적용된 Bucket으로 형상이 출력됩니다.

 

 

 

그 다음 해석은 Von Mises입니다. 폰 미제스 응력 (von Mises stress)은 등가응력(effective or equivalent stress)라고도 하는데, 형상에 걸리는 응력(stress)의 분포를 그 크기만으로 보여주는 명령입니다.

 

 

화살표로 표시된 Von Mises 명령을 실행시키면 위와 같은 형상이 출력되며 오른쪽에 나와있는 척도로 응력이 Bucket의 어디에 얼마만큼 걸리는지 알 수 있습니다. 위 결과대로라면 Bucket의 메인 부분과 맞닿아있는 힌지 부분에 응력이 가장 많이 걸리는군요(빨간색).

 

이 Bucket은 막혀있는 구조물이 아니라서 확인이 되지 않는 안쪽 부분이 없지만, 형상에 따라서는 막혀있어서 겉으로는 보이지 않는 부분도 있을 것입니다. 그럴 경우에는 Cut Plane Analysis 명령으로서 보이지 않는 내부 단면에 가해지는 응력도 확인할 수 있습니다.

 

 

Cut Plane 위에 놓여진 연보라색의 핸들을 조절하면 Cut되는 위치를 조절할 수 있습니다.

 

 

 

그 다음 해석은 Displacement입니다. 이는 가해진 하중에 의한 Bucket 형상의 변위(Displacement)를 뜻한다고 합니다. 즉, 힘이 가해져서 모양이 얼마나 변하는지를 알 수 있습니다.

 

 

위와 같이 확인할 수 있으며, 1000N이 가해지는 갈퀴의 중앙부분(빨간색)은 24.2mm나 변위가 생기는군요.

 

 

 

다음과 같이 Principal Stress 명령을 시행하여 주응력값을 알 수 있습니다. 주응력(Principal stress)란, 외력을 받는 물체 안에 있는 점에서의 응력을 생각할 때, 그 점을 포함하는 평면의 방향을 여러 가지 변화시키면 어느 면에 있어서 수직 응력이 최대로 되어 전단 응력이 생기지 않은 면이 3개가 있는데 이 면을 주 응력면이라 하며, 그 면에 작용하는 수직 응력을 주응력이라 한다고 합니다(네이버지식백과참조;;;).

 

 

 

 

그리고 다음과 같이 Precision 명령을 사용하여 해석에서 발생할 수 있는 에러 발생 빈도가 높은 지점을 표시할 수도 있습니다. 즉, 에러 발생 빈도가 높은 부분에서는 결과를 해석할 때 주의를 해야겠지요.

 

 

위 결과에 따르면 Bucket의 메인 부분과 맞닿아있는 힌지 부분이 에러가 많이 발생한다고 되어 있네요.

 

 

 

이렇게 해석한 값들을 웹파일 형식의 보고서로 작성할 수 있습니다.

 

 

Analysis Results Toolbar에서 Generate Report 명령을 시행시키면 이제까지 계산된 해석값을 다음과 같은 보고서 형식으로 만들어줍니다.

 

 

저장 경로를 지정할 수 있으며 Html 파일로 저장됩니다.

 

 

 

이제까지 카티아를 이용한 구조해석에 대해서 알아보았습니다. 솔직히 전공자가 아닌 이상 이해하기 힘든 부분이 많았습니다만..(저만 그랬나요;;) 카티아가 이런 것도 된다!!! 정도로 생각하시면 마음이 편하지 않을까 생각합니다. 물론 전공자 분들께는 크리티컬한 기능일 것입니다. 실제로 제품을 만들기 전에 이 구조해석을 통하여 디자인한 구조가 실제로 만들었을 때 제 역할을 할 것인지 시뮬레이션할 수 있어 원가절감의 효과를 거둘 수 있기 때문이지요.

 

다음 장은..

 

 

DMU Kinematics를 이용한 굴삭기의 움직임 구현입니다. 요 부분은 제가 많이 기대하는 부분입니다. 아직 하나도 몰라서요;;

 

 

 

지금까지 메이드인네버랜드였습니다.

 

앞으로도 굴삭기 제작기는 계속 업데이트 됩니다.

 

지난번 제작기를 보고싶으시다면!!! 

[CATIA를 이용한 굴삭기 만들기 : Bucket]

[CATIA를 이용한 굴삭기 만들기 : Arm]

[CATIA를 이용한 굴삭기 만들기 : Boom]

[CATIA를 이용한 굴삭기 만들기 : Cylinder]

[CATIA를 이용한 굴삭기 만들기 : 조종실과 프레임]

[CATIA를 이용한 굴삭기 만들기 : 하부 주행체]

[CATIA를 이용한 굴삭기 만들기 : 캐터필러 & etc]

[CATIA를 이용한 굴삭기 만들기 : 완성]

 

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  1. 배성훈 2016.01.10 05:29 신고 address / modify or delete / reply

    애쓰셨네용~ 6자유도중에 Rotation 부분에 반발력이 생기지 못하는거 같네요. 잘하신거예용~~

    • MadeInNeverland 2016.01.10 10:28 신고 address / modify or delete

      카티아를 더 공부해야하는데.. 시간이 허락치 않는다는 핑계로 못하고 있습니다ㅠ 일단 노트북도 살 계획이고, 올해 안에 좀 더 공부해서 포스팅할 생각입니다.

  2. 배성훈 2016.01.11 13:12 신고 address / modify or delete / reply

    Catia V5 Analysis는 Elfini Solver를 쓰고 있습니다. V4 때부터 들어있던 솔버로 알고 있구요. 저도 이걸로 논문을 쓴적이 있긴 합니다만... 해석엔지니어는 CAD vs. CAE 모델을 구분하는 것이 아직 산업현장에서 일반적입니다. 즉 V5 모델로 직접 해석하기 보다는 모델을 정리하여 Simulia로 전달해서 해석을 수행하는 거 같아요. 결론은 더 공부할 것이 없습니다^^

  3. 피부암통키 2016.05.06 22:36 신고 address / modify or delete / reply

    굴삭기 제작기 잘 보았습니다ㅎㅎ저도 이 책 사서 한번 해볼려고 하는데 파트가 총 몇개 정도 나오셨나요?

    • MadeInNeverland 2016.05.06 22:40 신고 address / modify or delete

      굴삭기 파트는 책에서 총 11개입니다.
      : bucket, arm, boom, cylinder, 조종실과 프레임, 하부 주행체, 무한궤도(트랙), track, link 01, link 02, pin

      여기에 추가적으로 knowledge advisor, assembly design, drafting, structural analysis, DMU kinematics, photo studio 과정이 이루어집니다ㅎ

  4. 피부암통키 2016.05.06 22:44 신고 address / modify or delete / reply

    감사합니다:)

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