FEA / Finite Element Analysis

FEA(유한 요소 해석)는 구조나 성능관련 잠재적(또는 기존) 문제를 찾고 해석하기 위해, 가상 환경에서 제품 및 시스템의 모델링입니다. FEA는 엔지니어 및 과학자가 매우 복잡한 구조, 유체 및 다중 물리학 문제를 수학적으로 모델링하고 수치로 해석하는 데 사용하는 FEM(유한 요소 방법)의 실제적인 애플리케이션입니다. FEA 소프트웨어는 광범위한 산업에서 활용할 수 있지만, 항공, 생체역학 및 자동차 산업에서 가장 많이 사용됩니다.

FE(유한 요소) 모델에는 설계의 형태를 구현하는 "노드"라고 불리는 점들의 시스템으로 구성되어 있습니다. 이러한 노드들에 연결된 것은 유한 요소 자체이며, 유한 요소 메시를 형성하고 모델의 재료 및 구조 속성을 포함함으로써, 특정 조건에 반응하는 방법을 정의합니다. 유한 요소 메시의 밀도는 특정 영역의 예견된 응력 수준의 변화에 따라 재료 전체에 걸쳐 달라질 수 있습니다. 주로 응력의 높은 변화가 발생하는 영역에는 응력 변화가 적거나 없는 영역보다 더 높은 메시 밀도가 필요합니다. 관심 있는 점에는 이전에 테스트한 재료의 파괴 점, 필렛, 코너, 복잡한 상세정보 및 높은 응력 영역이 포함될 수 있습니다.

FE 모델은 1차원(1D 빔), 2차원(2D 쉘) 또는 3차원(3D 솔리드) 요소를 사용하여 생성할 수 있습니다. 솔리드 엘리먼트 대신 빔과 쉘을 사용하여 정확도를 저하하지 않고 더 적은 노드를 사용하여 대표 모델을 생성할 수 있습니다. 각 모델링 체계에는 다음과 같이 정의할 다양한 속성이 필요합니다.

  • 단면 면적
  • 관성 모멘트
  • 비틀림 상수
  • 철판 두께
  • 굽힘 강도
  • 가로 방향 전단

FEA에서 실제 작동 환경의 효과를 시뮬레이션하기 위해, 다음을 포함하여 다양한 하중 유형을 FE 모델에 적용할 수 있습니다.

  • 노드: 힘, 모멘트, 변위, 속도, 가속도, 온도 및 열플럭스
  • 요소: 분산 하중, 압력, 온도 및 열플럭스
  • 가속도 바디 하중(중력)

해석 유형에는 다음이 포함됩니다.

  • 선형 정역학: 정적인 하중 및 구속조건이 적용된 선형 해석
  • 비선형 정역학 및 동역학: 접촉으로 인한 효과(모델의 일부가 다른 부분과 접한 위치), 비선형 재료 정의(소성, 탄성 등) 및 큰 변위(선형 해석 접근을 제한되어 있는 작은 변위 이론을 초과하는 변형률)
  • 정상 모드: 진동의 고유 주파수
  • 동적 응답: 시간과 주파수에 의해 달라지는 하중 또는 모션
  • 좌굴: 구조가 불안정하게 되는 임계 하중
  • 열 전달: 전도, 복사 및 상 변화

솔버에 의해 계산된 일반 결과에는 다음이 포함됩니다.

  • 노드 변위, 속도 및 가속
  • 요소 힘, 변형률 및 응력

FEA의 장점

FEA는 새 제품 설계에 사용하거나 기존 제품을 개선하거나, 제조 전에 명세에 설계를 수행할 수 있는지 확인하는 데 사용할 수 있습니다. FEA를 사용하면,

  • 제품 성능과 신뢰성 예측 및 개선
  • 실제 시제품 제작 및 테스트 감소
  • 다른 설계 및 재료 평가
  • 설계 최적화 및 재료 사용 감소

FEA 소프트웨어

FEA 소프트웨어 애플리케이션의 예는 다음과 같습니다.

Simcenter 3D is a unified, scalable, open and extensible environment for FEA with connections to design, 1D simulation, test and data management. Simcenter speeds the FEA process by combining best-in-class geometry editing, associative simulation modeling and multi-discipline solutions embedded with industry expertise. Simcenter 3D integrates fast and accurate solvers that power structural, acoustics, flow, thermal, motion and composites analyses, as well as optimization and multiphysics simulation.

NX Nastran은 응력, 진동, 구조적 오류/내구성, 열 전달, 음향/소음 및 플러터/공력 탄성을 해석하는 유한 요소 솔버입니다.

LMS Samtech에는 기계 시스템의 주요 성능 엔지니어링 특성을 시뮬레이션하는 FEM(유한 요소법) 솔버 도구가 포함되어 있습니다. 풍력 발전 터빈 개발, 회전 동역학, 구조 해석 및 열 해석, 복합소재 등과 같은 애플리케이션의 상세 요구 사항을 충족시키도록 설계되어 있습니다. 이 제품의 첨단 솔버는 비선형 FEM과 멀티바디 시뮬레이션을 모두 처리합니다. 또한 소프트웨어에는 고급 CAE 통합 플랫폼이 탑재되어 항공 엔지니어링 프로세스를 관리할 수 있습니다.

STAR-CCM+은 CFD(전산 유체 역학), CSM(전산 고체 역학), 열 전달, 입자 동역학, 반응 흐름, 전기 화학, 전자기학, 음향 및 유동학에 대한 독립형 시뮬레이션 솔루션입니다. STAR-CCM+는 통합된 단일 사용자 인터페이스와 자동화된 워크플로를 통해 정확하고 효율적인 시뮬레이션 기술을 제공합니다. 이를 통해 복합한 실제 문제의 해석 및 탐색이 용이합니다.

HEEDS는 효율적이고 사용이 간편한 설계 탐색 프레임워크를 제공합니다. 워크플로는 기존 설계 및 시뮬레이션 도구와의 통합을 통해 손쉽게 자동화됩니다. HEEDS는 설계 공간을 자동으로 탐색하여 제품 비용 절감, 허용 한계 이하로 응력 유지 등의 목표 및 제약 사항을 충족하는 솔루션을 신속하게 식별해 냅니다.

Femap은 CAD 시스템에 독립적인 솔버 호환성 솔루션인 Windows 기반의 고급 엔지니어링 FEA용 전/후처리 프로세서입니다. Femap은 엔지니어와 해석자들에게 아무리 복잡한 작업도 쉽고 정확하게, 효율적으로 처리할 수 있는 FEA 모델링 솔루션을 제공합니다.

Solid Edge Simulation은 설계 엔지니어들이 Solid Edge 환경 내에서 디지털 방식으로 파트와 어셈블리 설계를 검증할 수 있도록 돕는 기본 내장된 FEA 입니다. 입증된 Femap 유한 요소 모델링 기술을 기반으로 하고 있는 Solid Edge Simulation은 물리적 프로토타입의 필요성을 크게 줄여 재료와 테스트 비용을 절감하는 한편 설계 시간을 단축시켜줍니다.

FEA 소프트웨어 개발자들은 다음과 같은 소프트웨어 컴포넌트를 애플리케이션을 위한 토대로서 사용하고 있습니다.

Parasolid는 3D 지오메트리 모델링 컴포넌트 소프트웨어로서 Parasolid 기반 제품의 사용자들이 복잡한 파트와 어셈블리를 모델링할 수 있도록 지원합니다. 수백 여 개의 다양한 CAD, CAM 및 CAE 애플리케이션에서 지오메트리 엔진으로 사용됩니다.

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