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유연체 파우치에 대한 충진 프로세스 시뮬레이션

ㆍ제품: 액체 세제가 담긴 유연체 파우치

ㆍ해석 목적: 최적의 장비 설정을 찾기 위한 설계 및 프로세스 관련 파라미터의 영향 분석

포장 기기 제조 업체는 제품, 포장 방식 또는 포장 재료가 변경되더라도 고성능을 유지할 수 있는 장비를 개발하기 위해 많은 노력을 기울인다. 본 사례에서, 이탈리아에 본사를 둔 다국적 포장 기업인 Coesia S.p.A.는 EnginSoft S.p.A. 및 Trento 대학과 협력하여 Doypack® 포장 장치를 이용하여 파우치를 준비하고 액체를 충진하고 밀봉하는 전체 과정을 시뮬레이션하였다. 이를 위하여 기계-파우치-유체에 대한 다중 물리 문제를 처리할 수 있는 가상 프로토타입을 개발하였다. 특히, 동적인 조건 하에서 유체와 유연체로 이루어진 파우치 간에 발생하는 상호 작용을 재현하기 위해 유연 다물체 동역학과 입자 기반의 유체 역학 간의 양방향 연성 해석이 사용되었다.

주요 작업 프로세스

① 대부분의 바디는 강체로 모델링 (예. clamps, suction cups, nozzle 및 shutter)

② 파우치는 대변형이 가능한 유연체로 모델링 (얇은 필름을 표현하기 위해 4개 노드, 6자유도의 shell 요소를 사용)

③ 프로세스의 모든 과정을 시뮬레이션 (opening, filling, closing 및 sloshing)

④ 짧은 시간에 다양한 타입의 파우치 제작을 위해 RecurDyn/ProcessNet을 이용한 유연체 파우치의 모델링 자동화

⑤ 신뢰성 높은 유체-구조 연성(FSI)을 구현하기 위해 RecurDyn과 Particleworks의 양방향 연성을 사용

⑥ 모델 검증을 위해 실험 데이터를 활용하고, 이를 통해 모델의 신뢰도와 CPU 타임 간의 균형을 고려한 최적의 입자 크기와 여러 수치 파라미터를 선정

   

A. Opening, B. Filling, C. Closing                                                                         액체 충진 과정 해석 결과

주요 해석 기술

• 대변형과 마찰을 포함한 접촉과 같은 비선형성을 처리할 수 있는 MFBD 기술
• 액체의 주입(injection)과 출렁임(sloshing)의 시뮬레이션에 적합한 입자 기반 CFD 기술
• 손쉽게 정확한 구조-유체 연성을 가능하게 해주는 RecurDyn과 Particleworks의 연성 인터페이스

Toolkits

• RecurDyn/Professional
• RecurDyn/FFlex
• RecurDyn/ProcessNet
• Particleworks Interface RecurDyn/Professional

고객에게 주어진 과제 및 이슈

• 파우치 아래쪽의 구겨짐을 방지하기 위한 바닥 보강제의 디자인과 안정성 간의 관계를 이해
• 반복적인 모델링과 합리적인 시뮬레이션 시간을 토대로 한 최적의 설계와 파라미터의 확인 필요
• 파우치의 전체적인 거동에 영향을 주는 주입된 유체의 비뉴턴 거동에 대한 고려 필요
• 동적인 동작 환경에서 밀봉 영역을 청결하게 유치하기 위해 지정된 지점 이상으로 유체가 넘치지 않는지 확인 필요
• 유체와 (움직이는) 유연체 간의 상호 작용 고려 필요

해결

• 동적인 조건에서 강체와 유연체를 모두 시뮬레이션할 수 있는 RecurDyn의 MFBD 기술을 활용
• RecurDyn/ProcessNet을 통해 모델링, 격자 생성을 자동화하여 손쉽게 DOE를 수행
• RecurDyn과 Particleworks 연성을 통해 유체와 유연체 간의 상호 작용을 고려

밀봉 전(왼쪽) 후(오른쪽)의 응력 컨투어                                                   바닥 보강재 디자인에 대한 파라메트릭 해석 결과

성과

• 개봉된/변형된 파우치 형상 및 파우치의 안정성을 정확하게 예측
• 시뮬레이션을 통해 파우치 형상과 안정성 등에 영향을 줄 수 있는 재료 물성치, 필름의 두께, 파우치 디자인 등의 관계에 대한 추가적인 아이디어를 획득
• 파우치 보강제의 적정한 두께와 강성을 확인
• 장비의 동작과 성능에 대한 유용한 정보 획득
• 가상 프로토타입을 통해 전통적인 실기 시험으로는 얻을 수 없는 중요한 정보를 획득
• 전체 시뮬레이션 시간은 GPU를 포함한 일반적인 워크스테이션에서 10시간 정도 소요. 이는 HPC 없이도 밤 시간을 활용한 수차례의 분석을 가능하게 함

Other Applications

• MBD - CFD의 연성해석 커피 캡슐 생산 설비의 수율 향상  
  • 유연체 포장용기에 담긴 유체 제품의 운반 시뮬레이션

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