MFBD를 이용한 2주식 트랙터 ROPS 가상시험방법 개발

제품. 트랙터 전도보호 구조물

해석 목적. MFBD 모듈을 이용한 전도보호 구조물(ROPS)의 가상시험방법 구현

전도보호 구조물(ROPS, Roll Over Protective Structure)은 트랙터나 중장비가 전도되었을 때 운전자의 부상을 최소화하도록 차체에 설치하는 구조물이다. 따라서 ROPS는 차량이 전도되었을 때 지면과의 충격력을 충분히 흡수할 수 있어야 하고, 운전자에게 안전 공간을 제공해야 한다. 이러한 ROPS의 안전성을 평가하기 위한 시험 절차는 농업기계화 촉진법에서 OECD CODE를 인용하여 규정하고 있다. 본 사례에서는 RecurDyn의 Implicit 솔버 기반의 MFBD 관련 툴킷을 이용하여 ROPS 시험 방법을 구현하고, Static 비선형 해석 결과와의 오차 및 해의 수렴성을 평가하였다.

◆ 주요 작업 프로세스

① 운전자 안전 영역, ROPS 구조물, 부하 액추에이터의 동역학 모델 구현

② ROPS 구조물의 유연체 모델 생성 (가늘고 긴 형상이기에 Shell로 모델링)

- 부하 액추에이터(Rigid)와 구조물(FFlex) 간의 접촉 시 Oscillation을 최소화하기 위해 Geo Surface Contact 사용

- 구조물의 대변형으로 인한 침투가 발생하지 않도록 접촉부에 Contact 정의

- 노드 공유가 어려운 Mid-surface 타입의 Shell element 특성을 고려하여 용접부를 FDR (RBE2) 요소로 모델링

③ 연속적 변위 부하 시험 절차 구현

④ 요구 에너지를 만족하는 최대 변위 비교 평가

◆ 주요 해석 기술

• ROPS 가상 시험을 위한 MFBD 모델 구현 기술
• Mid-surface 타입의 FE 모델에서 용접부 처리를 위한 FDR (RBE2) 요소 처리 기술
• 연속 변위 부하를 구현하기 위한 Scenario Analysis 기능과 Contact On/Off 제어 기술

◆ 관련 제품

• RecurDyn/Professional
• RecurDyn/FFlex

◆ 고객에게 주어진 과제 및 이슈

• 물리적 시험을 위한 샘플 제작에 수반되는 시간 및 비용적 손실
• 다수의 설계변경안에 대한 사전 안전성 평가 필요
• 잔류응력을 고려하기 위한 연속 부하 제어 방법 구현 필요
• Static 비선형 해석 모델보다 심플한 Contact 정의 및 높은 해의 수렴성 요구
• 해석 시간 단축 필요

◆ 해결

• RecurDyn의 MFBD를 이용하여 물리적 시험을 대체할 수 있는 해석 모델 구현
• CAD 형상의 Mid-surface geometry로부터 Shell element 유연체 모델을 생성하여 해석 시간 단축
• 구조물의 대변형 및 재료 비선형 특성(소성)을 고려하여 Multi-linear isotropic hardening을 사용
• 각 부하 단계에서 안전 영역 침범을 확인한 후, 소성 변형이 남은 상태로 연속적인 해석을 진행하기 위해 Scenario analysis를 이용한 Contact On/OFF 제어를 통해 연속 부하를 구현

◆ 성과

• MFBD를 이용한 Implicit solver 기반의 ROPS 비선형 해석 모델을 구현
• 시험 결과와 유사한 최대 변위 오차를 확인
• Static 비선형 해석 과정보다 비교적 심플한 Contact 정의로 높은 해의 수렴 결과를 얻음
• Scenario analysis 기능을 이용한 변위 제어 방식을 적용하여 시험 환경과 동일한 해석 방법을 구현

◆ 활용 및 해석사례

• 트랙터 미드모어 연성 해석
  • RecurDyn과 입자법을 이용하여 미드모어(mid mower)가 달린 트랙터의 동역학 거동을 해석