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한 등속조인트(CV 조인트) 제조사는 고객으로부터 기존 제품보다 더욱 굽은 각도로 동작하는 half-shaft를 요청 받았습니다. 하지만 기존의 CV 조인트의 부트(Boot)는 이미 한계에 가까운 상태였기에 더욱 굽은 각도에서 동작할 경우 구조적으로 파손이 발생했습니다.
회전 동작과 구부러지는 동작이 결합된 CV조인트의 움직임에는 복잡한 비선형적인 변형이 나타나기 때문에 기존의 유한요소해석(FEA)으로는 시뮬레이션이 쉽지 않았습니다. 또한 CV조인트는 동작 중에 자체적인 접촉 (Self contact)을 비롯, 다양한 요소와 접촉이 발생한다는 점도 FEA해석을 어렵게 하는 이유 중의 하나였습니다. 이 제조사는 이러한 부트의 동작을 이해하고 해결책을 찾아내기 위한 기술을 얻기 위해 펑션베이 리커다인의 대리점 중의 하나인 모션포트(MotionPort)사에 연락하게 되었습니다.
모션포트(MotionPort)는 현재의 부트 및 새로운 디자인의 부트를 모델링하기 위해 RecuDyn (FFlex와 함께)을 사용하여 다음과 같은 과정을 수행하였습니다.
- CV조인트의 다물체동역학(MBD) 모델에 유한요소 메시로 모델링 된 부트 모델을 임포트(Import)하였습니다.
- 벨(bell)과 드라이브 샤프트(drive shaft)의 위치에 맞추어 부트의 위치를 설정하였습니다.
- 부트의 주름 사이와 다른 요소들 사이에 유연체 접촉(flexible contact)을 정의하였습니다.
- 관심이 있는 다양한 굽힘각과 회전속도 조건 하에 시뮬레이션을 수행하였습니다.
고객은 이러한 과정을 통해 다음과 같은 성과를 거두었습니다.
- RecurDyn을 통해 기존 모델의 결과를 시뮬레이션을 통해 동일하게 얻을 수 있었습니다. (아래 이미지와 동영상 참고)
- 추가적인 분석을 통해 엔지니어들이 CV조인트의 동작 영역에 걸쳐 적은 스트레스를 받는 새로운 디자인을 하는 데 도움을 주었습니다.
- 새로운 부트 디자인은, 부트의 변형이나 파손을 유발할 수 있는 부트 내부의 회전 요소와 부트와의 접촉을 최소화하였습니다.
- 목표로 했던 성능의 제품을 만들 수 있었습니다.
아래의 이미지와 영상은 실제 실험결과와 잘 일치하는 시뮬레이션 결과를 보여줍니다.
좌) RecurDyn은 실제로 접촉이 일어나는 주름의 개수를 정확히 표현해냈습니다.
우) RecurDyn을 통해 부트가 움푹 들어가는 현상을 재현해냈습니다. 또한 이러한 현상을 나타내는 동적인 애니메이션은 엔지니어들에게 아이디어를 낼 수 있는 실마리를 제공하였습니다.
이 내용에 대한 논문을 아래 링크에서 확인가능합니다.
Need for Accurate Initial Conditions to Simulate Flexible Structures in Motion.pdf
논문 제목: Need for Accurate Initial Conditions to Simulate Flexible Structures in Motion (Nelson Woo, Brant Ross and Ryan West)
