FEA (유한 요소 해석)

유한 요소 해석이란 무엇입니까?

유한 요소 분석은 가상 환경에서 제품 및 시스템을 모델링하여 잠재적인(또는 기존) 제품 성능 문제를 찾아 해결하는 것입니다. FEA는 엔지니어와 과학자가 복잡한 구조, 음향, 전자기, 열, 유체 및 다중 물리 문제를 수학적으로 모델링하고 수치적으로 해결하는 데 사용하는 FEM의 실제 응용 프로그램입니다. FEA 소프트웨어는 광범위한 산업 분야에서 활용될 수 있지만 항공, 자동차, 전자, 산업 기계, 해양 및 소비재 산업에서 가장 일반적으로 사용됩니다.

유한 요소(FE) 모형은 설계의 형상을 형성하는 "노드"라는 점 시스템으로 구성됩니다. 이러한 노드에는 유한 요소 메쉬를 형성하고 모델의 재료 및 구조적 속성을 포함하는 유한 요소가 연결되어 특정 조건에 반응하는 방식을 정의합니다. 유한 요소 메쉬의 밀도는 특정 영역의 예상되는 응력 수준 변화에 따라 재료 전체에 걸쳐 달라질 수 있습니다. 응력의 큰 변화를 경험하는 영역은 일반적으로 응력 변화가 거의 또는 전혀 발생하지 않는 영역보다 더 높은 메쉬 밀도가 필요합니다. 관심 영역에는 이전에 테스트한 재료의 파괴 지점, 모깎기, 모서리, 복잡한 세부 사항 및 응력이 높은 영역이 포함될 수 있습니다.

Rotating machine structural simulation visual from the Simcenter 3D software.

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혜택 알아보기

FEA는 일상 제품의 엔지니어링 설계 및 분석을 지원하기 위해 실험 및 분석 방법을 대체하거나 보완하는 데 자주 사용되는 잘 정립된 방법론입니다. 프로토타이핑 및 실험과 비교할 때 FEA 기반 시뮬레이션은 다음과 같은 이점을 제공합니다.

성능 향상

유한 요소 해석을 통해 제품 성능 향상을 위한 엔지니어링 가능성을 신속하게 분석하고 탐색할 수 있습니다.

시간 단축

유한 요소 해석은 구축 및 테스트 방법보다 더 빠르게 최적화된 제품 설계를 시장에 출시하는 데 도움이 됩니다.

비용 감소

유한 요소 해석을 활용하면 기존의 물리적 프로토타입 기반 테스트 프로세스에 비해 제품 개발 비용을 크게 줄일 수 있습니다.

FEA 시뮬레이션 프로세스의 단계

어떤 소프트웨어를 사용하든 대부분의 FEA 시뮬레이션은 이러한 일반화된 단계를 따릅니다.

Simcenter 3D 소프트웨어의 히트 매핑 시각 자료가 있는 자동차 프레임의 3D 모델.

Pre-processing

전처리 단계에는 형상을 편집하고 시뮬레이션을 위해 준비하는 작업이 포함됩니다. 메싱(meshing)이라고 하는 프로세스에서 전처리 도구는 재료 속성, 하중, 구속조건 및 시뮬레이션 매개변수를 적용하기 전에 설계 형상을 작은 유한 요소로 변환합니다.

FE 전처리/후처리

CFD 시뮬레이션 소프트웨어는 CFD 솔버를 사용하여 이산화된 방정식을 반복적으로 풀기 시작합니다.

Solving

FEA 시뮬레이션 소프트웨어는 솔버를 사용하여 이산화된 방정식을 반복적으로 풀기 시작합니다. 이 단계에는 상당한 시간이나 컴퓨팅 리소스가 필요할 수 있습니다. 복잡한 시뮬레이션의 경우 더 많은 기업이 이 문제에 대한 비용 효율적인 솔루션으로 클라우드 컴퓨팅으로 전환하고 있습니다.

메카니컬 시뮬레이션

Simcenter 3D 소프트웨어의 기계 구조 비주얼에 대한 선형 해석.

Post-processing

해석이 완료되면 다음 단계는 보고서, 모니터, 플롯, 2D/3D 이미지 및 애니메이션을 사용하여 시뮬레이션 결과를 정성적 및 정량적으로 분석하고 시각화하는 것입니다. 결과의 확인 및 검증도 이 단계에 포함됩니다.

FE 전처리/후처리

FEA 해석의 유형

1D 해석 (빔 모델)

1D 해석은 빔 요소와 같이 두 개의 노드로만 구성된 1 차원 요소로만 생성 된 모델을 적용하는 것을 말합니다. 1D 해석은 차체나 기체와 같이 일반적으로 모델링하기 복잡한 구조의 초기 단계 해석을 살펴보는 데 유용할 수 있습니다. 1D 빔 모델은 엔지니어가 전체 형상이 더 심층적인 분석을 위해 준비되기 전에 신체 역학을 신속하게 평가하는 데 도움이 될 수 있습니다.

2D 해석(쉘 모델)

엔지니어는 판금으로 만든 부품과 같이 벽이 얇은 물체를 위한 사각형 또는 삼각형 요소와 같은 2차원 요소로 형상을 메쉬합니다. 그런 다음 요소 속성은 솔버가 응력, 변형률 및 기타 결과를 계산하는 데 사용할 쉘 요소의 두께를 정의합니다. FEA 전처리기에는 엔지니어가 형상에 쉘 메시를 생성하는 데 도움이 되는 빠른 메싱 알고리즘이 있습니다.

3D 해석(솔리드 모델)

엔진 블록과 같은 단단하고 두툼한 형상의 경우 엔지니어는 단단한 3차원 요소를 사용하여 형상을 표현합니다. 테트라, 피라미드 및 육각 요소는 솔리드 본체 전체에 생성됩니다. FEA 전처리기에는 엔지니어가 솔리드 메시 모델을 생성하는 데 필요한 도구가 있습니다.

다중물리 FEA

최신 FEA는 단일 물리 도메인을 개별적으로 시뮬레이션하는 것 이상입니다. 오늘날 FEA는 엔지니어가 유체 구조 상호 작용(FSI), 열-기계 시뮬레이션, 구조적 FE 기반 유연체를 사용한 다물체 역학, 전기 기계-열 등과 같은 다양한 물리학을 함께 결합할 수 있도록 함으로써 훨씬 더 다학제적이 되었습니다. 다중물리 시뮬레이션 은 최대 성능을 달성하기 위해 전체적인 교차 영역 엔지니어링이 필요한 점점 더 복잡해지는 제품에서 근본적으로 중요합니다.

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트랙터 설계의 시뮬레이션 모델을 나타내는 Simcenter 3D 소프트웨어 비주얼.

Simcenter 3D trial

CAD 형상을 시뮬레이션에 사용할 수 있는 형상으로 빠르게 변환할 수 있습니다.
구조 해석을 위해 모델을 효율적으로 메쉬하고 해석하여 설계 성능에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다.
Simcenter 3D 소프트웨어로 시뮬레이션 모델을 신속하게 업데이트하여 설계 변경 사항을 적용함으로써 몇 초 만에 다시 시뮬레이션할 수 있습니다.

자주 묻는 질문

유한 요소 해석이 정확합니까?

FEA를 배우기 어렵습니까?

FEA의 응용 분야는 무엇입니까?

FEM 분석이란?

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자료

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