유연 다물체 동역학 (MFBD) 글 편집
개요
MFBD (Multi Flexible Body Dynamics)는 강체의 운동을 해석하는 MBD (Multibody Dynamics)와 유연체의 응력 및 변형 등을 해석하는 FEM (Finite Element Method)을 결합하여, 강체와 유연체가 모두 포함된 시스템의 동역학적 거동을 해석하는 기술입니다. 강체와 유연체의 동역학적 거동을 하나의 해석기에서 동시에 해석함으로써 안정적인 결과를 제공합니다.
또한, MFBD 기술에서는 시스템의 동역학적 거동에 의한 유연체의 FEM해석을 위하여, 물체(parts or body)의 ModeShape을 이용하는 선형해석 방식인 Modal Method와 유연체의 모든 Node의 자유도를 고려하는 비선형해석 방식인 Nodal Method를 사용합니다.
RecurDyn은 이와 같은 두 가지 해석 방법을 적절히 조합할 수 있는 강력한 MFBD 해석 환경을 제공합니다. 특히, 동역학 소프트웨어로서는 최초로 자체 Mesh엔진을 탑재한 RecurDyn은 FEA 소프트웨어에서 작성한 FE모델을 Import하는 방법뿐만 아니라 RecurDyn의 모델링 환경 내에서 강체를 유연체로 변환 할 수 있어, 사용자들이 MFBD환경에 쉽게 접근할 수 있도록 편의를 제공합니다.
참고) FFlex와 RFlex는 각각 어떤 모델에 적용하는 것이 좋은가요?
해석 알고리즘 뿐만 아니라 모델링 편의성까지 고려
- 노드 좌표계 운동방정식(FFlex)과 모드 좌표계 운동방정식(RFlex)을 동시에 사용 가능
- Mesh-Pre-Solve-Post의 모든 과정을 RecurDyn 환경 내에서 수행 가능
- 손쉬운 직관적인 바디 타입 변환 지원 (강체↔유연체)
- 바디 타입 변환 시, 이미 정의된 Joint, Force, Contact을 그대로 유지
MBD (Multi-Body Dynamics) Analysis
구속조건 (Joint)에 의해 서로 연결된 물체들로 구성된 임의의 기계 시스템에서 힘이나 운동이 주어질 때의 환경을 쉽게 모델링하고 이때 발생되는 위치, 속도, 가속도, 힘을 시간에 대한 시뮬레이션으로 확인 할 수 있습니다.
MBD (Multi Body Dynamics) Analysis의 특징
- 사용자가 운동, 힘, 구속조건을 쉽게 모델링 할 수 있습니다.
- 사용자가 모델링하고 싶은 기계 시스템의 동역학적 메커니즘 요소를 직관적으로 RecurDyn으로 모델링하여 시뮬레이션 모델을 구성 할 수 있습니다.
MFBD (Multi Flexible Body Dynamics) Analysis
MBD 모델링 시 특정 Body를 선택적으로 유연체로 구성하여 MFBD 해석을 할 수 있으며 구속 조건, 외력 등을 쉽게 모델링하는 MBD Analysis의 장점을 그대로 활용할 수 있습니다. 또한, MFBD 해석을 통해 동역학적 거동 결과와 더불어 유연체의 FEM 결과도 확인 할 수 있습니다.
MFBD (Multi Flexible Body Dynamics Analysis) Analysis의 특징
- 원하는 부분만 부분적으로 유연체로 구성하고 이를 기존의 강체와의 조합으로 동역학 시뮬레이션을 수행 할 수 있습니다.
- 동역학적 거동으로부터 발생되는 힘으로 인해 유연체에 작용하는 stress, strain, deformation을 확인 할 수 있습니다.
- FEM에서 많이 신경 쓰게 되는 경계조건 등을 크게 고려할 필요 없이, 운동, 힘, 구속조건의 정의를 통해 자연스럽게 조건이 정의됩니다.
- 기존 강체로 구성된 동역학 모델에서 강체를 간편하게 유연체로 변환 할 수 있습니다.
- FEA 소프트웨어에서 생성한 FE모델을 기존 강체와 간편하게 교체하여 모델링 및 시뮬레이션을 할 수 있습니다.
특징 및 장점
MFBD의 차별성
- 2D 접촉 요소와 더불어 3D접촉 요소 지원
- 개별 노드에 대한 경계조건 정의 가능
- 다양한 Rigid Body Element (Rigid, Interpolation) 지원
- 다양한 Element 타입(Beam, Shell, Solid, Rigid)의 지원
- SMP 지원을 통한 빠른 해석 지원
- 외부 소프트웨어에서 생성한 Mesh 데이터로 유연체 생성 가능 (ANSYS, Nastran, Design Space 포맷 지원)
- 외부 FEA 소프트웨어의 Modal 해석 결과로 유연체 생성 가능 (ANSYS, Nastran, IDEAS, RADIOSS/OptiStruct, Simulation Mechanical 지원)
특징 및 장점
Joint Connections & Contact
- MFBD 해석을 수행할 경우 Rigid-to-Rigid, Rigid-to-Flexible 또는 Flexible-to-Flexible 바디 사이에 동일한 Joint 연결 요소를 사용할 수 있습니다.
- Rigid-to-Rigid, Rigid-to-Flexible 또는 Flexible-to-Flexible 바디 사이에 Contact를 정의할 수 있습니다.
Self Contact
- 하나의 유연체 내에 Self Contact을 정의할 수 있으며 동역학 시뮬레이션을 통하여 동적 거동에 의한 접촉에 의해 발생하는 유연체의 Stress, Strain, Deformation 결과를 확인 할 수 있습니다.
Nonlinear Flexibility
- 동역학적 거동으로부터 전달되는 힘에 의해 발생하는, 유연체의 변형이 큰 상황에 대한 시뮬레이션을 할 수 있고 애니메이션뿐만 아니라 정량적 결과(Contour, Plot)도 확인 할 수 있습니다.
Accurate Loading Conditions
- 동역학적 거동에 의해 발생되는 구속조건(Joint), 힘, 접촉 등에 의한 외부의 복합적인 힘을 하나의 유연체에 자연스럽게 전달하여 동역학 시뮬레이션을 실행 할 수 있습니다. 결과적으로 해석하고자 하는 전체 기계 시스템의 동역학적 거동에 의해, 그 기계시스템에 속한 특정 유연체에 작용하는 Stress, Strain, Deformation 결과를 확인 할 수 있습니다.
Mesher
- RecurDyn은 동역학 소프트웨어로서는 최초로 자체 Mesh엔진을 탑재하여 보다 편리한 MFBD환경을 제공합니다. 이 Mesh엔진이 제공해주는 RecurDyn의 AutoMesh 기능을 통해, MBD에서 MFBD로 확장하기 위해 강체를 유연체로 교체하는 과정을 원클릭으로 쉽고 빠르게 수행할 수 있습니다.
- 또한, 다음과 같이 다양한 Element를 지원하기 때문에 복잡한 Geometry도 효과적으로 Meshing하여 빠르고 정확한 MFBD 시뮬레이션이 가능합니다.
- 2-node beam (Beam2)
- 3-node tri shell (Shell3)
- 4-node quad shell (Shell4)
- 4-node tetra (Solid4)
- 5-node pyramid (Solid5)
- 6-node wedge (Solid6)
- 8-node hexa (Solid8)
- 10-node tetra (Solid10)
적용 사례
Parking Brake
- 사용된 Toolkit: FFlex, Professional
- 목적: Parking Brake system에서 파손이 많이 일어나는 부분에 대하여, Parking Brake system의 실제 메커니즘을 적용한 동역학 시뮬레이션을 통해 파손 부위의 응력을 예측하고 개선합니다.
- 모델링 방법: Parking Brake system에서 서로간의 접촉에 의해 파손이 일어날 것으로 예상되는 두 부품 중 상대적으로 강성이 높은 부품을 Rigid Body로 모델링하고 파손이 일어나는 부품을 Flexible Body로 모델링하여 두 Body 사이에 접촉(Contact)을 정의 하였습니다.
Landing Gear
- 사용된 Toolkit: FFlex, Professional
- 목적: 비행기 착륙 시 랜딩기어의 동역학적 거동을 해석하여 파손 및 안정성에 대한 평가를 할 수 있습니다.
- 모델링 방법: 착륙 시 랜딩기어 암과 각 지지대를 연결하는 조인트(joint)에 의한 반력, 랜딩기어 암의 접촉력에 의해 랜딩기어 암에 작용하는 Stress를 해석하고 파손을 예측합니다.
Double Valve Spring
- 사용한 Toolkit: FFlex, Professional
- 목적: Double valve spring이 적용 된 valve system에서 CAM과 Double valve spring 사이의 접촉에 의한 Double valve spring의 동역학적 거동 및 stress, strain, deformation을 확인합니다.
- 모델링 방법: 재질 및 특성을 그대로 모델링 한 Double valve spring의 유연체를 self contact을 활용하여 시뮬레이션을 수행 하였습니다.
Manufacturing Robot
- 사용된 Toolkit : FFlex, RFlex, Professional, CoLink
- 목적: Manufacturing Robot Arm이 이송물을 운반할 때의 동역학적 거동에 대하여 그리퍼와 이송물 사이의 접촉력을 확인하고 로봇 각 관절의 구동 토크를 제어하는 시뮬레이션을 할 수 있습니다.
- 모델링 방법: 로봇의 그리퍼와 이송물을 유연체로 구성하여 운반 시 접촉력에 의한 두 유연체에 작용하는 stress, stain, deformation 값을 계산하여 이송물의 종류에 따른 로봇관절의 구동 토크를 제어할 수 있습니다.
Printer
- 사용된 Toolkit: FFlex, RFlex, Belt, MTT3D, Professional, CoLink
- 목적: 잉크젯 프린터의 프린팅 작업 시 프린터 케이스부터 캐리지까지 프린터의 모든 주요 부품에 대한 동역학적 거동의 시뮬레이션을 통해 캐리지가 벨트에 의해 구동되면서 방향이 전환 될 때 하네스와 케이스의 진동을 확인합니다.
- 모델링 방법: 상대적으로 변형이 적은 프린터 케이스 부분은 RFlex (Modal Method), 변형이 큰 하네스는 FFlex (Nodal Method), 캐리지 구동 벨트는 shell belt, 용지는 MTT3D를 이용하여 구성하였습니다.
Paper
- 사용된 Toolkit: MTT3D
- 목적: 레이저 프린터 기기의 프린팅 작업 시 용지가 고속(분당 60장 이상)으로 이송되어 배출 될 때의 동역학적 거동을 롤러 형상과 공기저항을 적용함으로써 시뮬레이션 할 수 있고 배출된 용지가 적재(Stack)되는 거동을 예측 할 수 있습니다.
- 모델링 방법: 롤러 형상으로 인해 적용되는 용지의 횡방향 굽힘(bending)에 의한 용지의 종방향 강성 증가와 공기저항 효과가 더해져서 배출된 용지의 적재 거동을 예측할 수 있습니다.
Wind Turbine
- 사용된 Toolkit: FFlex, RFlex, Professional, Gear, Bearing
- 목적: 풍력 발전용 풍차의 블레이드와 증속기의 어셈블리 모델에 대하여 동역학적 거동에 대한 블레이드의 stress 상태를 시뮬레이션으로 평가합니다.
- 모델링 방법: 상대적으로 변형이 적은 블레이드를 RFlex (Modal method)로 구성하여 응력상태를 평가하고, 증속기 부분을 기어와 베어링, 유연체 조합으로 모델링하여 탄성변형을 고려합니다.
MFBD Solution
MFBD Solution은 RecurDyn의 MFBD를 보다 쉽게 사용할 수 있게 하고 MFBD Analysis를 통해 나온 결과를 효과적으로 활용할 수 있게 해주는 Solution입니다.
MBD 모델을 리커다인의 자체 Mesher의 AutoMesh기능을 이용하여 MFBD 모델로 쉽게 변환할 수 있으며, 시뮬레이션을 통해 얻은 MFBD 결과로부터 RecurDyn/Durability를 이용하여 내구성 해석을 수행할 수도 있습니다. 또한, RecurDyn/MTT3D, RecurDyn/Belt와 같이 여러 툴킷에서도 MFBD 기술이 적용되어 보다 다양한 솔루션을 제공하고 있습니다.
MFBD의 모델링 및 해석 프로세스
