2. CAD/CAM/CAE 기술적의 내용_다. CAE(Computer Aided Engineering / 전산응용해석)
작성자공도리작성시간04.01.12조회수1,354 목록 댓글 0
다. CAE(Computer Aided Engineering / 전산응용해석)
컴퓨터를 이용한 공학적인 분석을 말한다. 설계된 제품 또는 설계할 제품이 기계적인 면에서 잘못이 없는가를 판단하게 하는 시스템이다. 비행기를 설계하고 공기저항 계수등을 계산할 수 있는 시스템으로 앞으로 CAD와 연계되어 설계 기술의 많은 발전을 가져올 것으로 기대되고 있다.
오늘날 CAE가 기능․성능 평가 시스템이 중심인 것은 변함이 없으나, CAE는 결코 CAD/CAM과 독립된 것이 아니라, 연휴하여 기능․성능 평가를 실현하는 것이다. 이와 같은 환경을 감안하여, CAE시스템도 CAD 형태를 베이스로 한 통합시스템이 보급되고 있다.
CAE의 개념에 기초한 설계 접근이란, 설계안의 성능이나 기능을 컴퓨터 상에서ꡒ시뮬레이션ꡓ하는 것을 주로 추진하는 시뮬레이션 주도형의 설계ꡓ로, 시작 실험을 줄이고, 최종적으로 최적설계를 확립하는 것을 목표로 한다. 과거에는 이미 만들어진 도면에 대하여 설계를 확인․검토하기 위한 해석이 대부분이었지만, CAE는 설계의 초기단계부터 이용함으로써, 최대의 효과를 발휘한다.
CAE용 컴퓨터내에서의 모델화에는 시뮬레이션이 필요하므로 유한요소법(Finite Element Method：FEM), 경계요소법(Boundary Element Method ; BEM)이나 BBA(Building Block Appr oach) 등이 사용가능한 범용 소프트웨어가 중요하다.
FEA software로 대표되는 CAE 툴은 해석책임자를 위한 툴만은 아니다. CAE가 추구하는ꡒ시뮬레이션 주도형 설계ꡓ에서는 일반 설계자가 스스로 해석을 실시하는 것이 필요하기 때문에 오늘날의 CAE시스템은 단순히 해석 툴을 제공하는 것뿐만 아니라, 입력데이터의 준비나 결과의 평가에 있어서 숙련된 해석자만이 수행할 수 있는 기술을 초심자도 쉽게 이용할 수 있도록 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
현재의 CAE에서는 주로, 3차원의 정지모델을 시뮬레이션하는 기술이 연구․개발되어 있지만, 여기에 시간적 요소(4차원 모델)를 넣어 시간경과를 시뮬레이션하는 기술도 연구․개발되고 있다. 이것으로 엔진의 연소 과정을 시뮬레이션 하든지, 로봇의 동작 진행과정을 시뮬레이션하는데 응용될 것이다.
FEA(Finite Element Analysis：유한요소해석)는 CAE 툴로서 높은 유용성을 가져 왔으며, 일반적으로 CAE 라면 FEA를 의미할 정도로 유사한 개념을 가지고 FEA을 중심으로 서술하겠다.
유한요소해석(FEA)란 : 유한요소법(Finite Element Method：FEM）의 이론체계에 기초하여 개발된 software(FEM 프로그램)을 이용하여 컴퓨터상에서 다양한 공학문제의 수치해석을 실시하는 것
공학분야에서 발생되는 다양한 역학적 현상을 정량적으로 해명하기 위해서는 미분방정식이라는 형태로 모델화하는 것이 많은데, 이러한 모델을 수리모델이라고 한다. 모델화에 의해 얻어진 미분방정식은 특별한 경우를 제외하고, 엄밀히 풀기는 곤란하다. 이와 같은 경우 차분법(Finite Difference Method ; FDM)이나 유한요소법, 경계요소법(Boundary Element Method ; BEM)과 같은 컴퓨터를 이용한 근사해석 방법이 이용된다.
필요성에 대한 간단한 예를 들자면 의자를 설계할 경우, 의자의 다리는 몇 개로 할 것이며, 다리의 직경은? 또한 최대로 주어지는 하중과 그에 따른 변형을 계산하여야 한다. 상기 과정의 계산을 거친 후에는 각각의 치수를 결정하고 CAD를 이용하여 평면도면을 설계한다.
여기서 중요한 것은, 도면작업이 아니라 의자가 제 기능(부서지지 않도록)을 발휘하도록 각 부분에 대한 치수를 정하는 일이다.
이러한 작업은 구조물의 하중과 변형을 다루는 학문인 재료역학을 이해하고 있어야 하는데 이러한 작업을 담당하는 것이 CAE이다.
건축, 토목, 기계분야에서 사용되는 구조물에서 주어진 하중을 충분히 견딜 수 있도록 설계 하고자 한다면 재료 역학에 대한 지식이 필요 할 것이고, 하늘을 나르는 비행기나 주행중인 자동차 주위의 공기의 유동에 대한 영향을 알고자 한다면 유체역학에 대한 지식이 필요하다. 이와 같이 CAE는 공학적 지식을 요구하며, 그에 해당하는 해석 및 분석과정을 수행한다
⑴ CAE 시스템의 주요 구성요소
㈎ 유한요소법(Finite Element Method)과 기계설계
어떤 제품에 관한 설계안이 제출되면 우선 시제품, 실험 또는 실험에 기초한 성능해석, 강도해석 평가 및 개선등의 작업이 이루어지고 있었으나, 이러한 방법은 막대한 노력과 비용, 시간이 지불된다. 이러한 과정을 지원하는 것이 CAE이다. CAE는 설계를 하는데 필요한 성능해석, 강도해석을 차분법이나, 유한요소법, 경계요소법 등의 공학적 근사해석방법으로부터 수행해 온 기술이다. 이와 같이 해서 해석되어진 결과로부터 재료의 재질이나 치수 등이 결정되면 CAD 시스템으로부터 도면이 컴퓨터에 의해 자동적으로 설계되며 CAD 데이터를 기초로 CAM시스템으로부터 가공, 검사, 조립 등이 컴퓨터에 의해 자동적으로 수행된다.
㈏ FEM에 의한 수치해석
물체가 외력을 받으면 변형이 일어난다는 역학적 현상은 고체역학에서 수식(방정식)으로 정의되며, 이 수식(방정식)을 FEM과 같은 수치해석 방법에 의해 컴퓨터가 다룰 수 있는 형식으로 변환하면 수치를 대입하면서 유한회 반복(수치계산처리)에 의해 풀어 낼 수 있다. 순서는 다음과 같다.
실제의 형상 : 예를 들면, 물체가 외력을 받아서 변형하는 물리현상
↓ ← 수리화
공학모델 : 기초공학에 있어서 방정식 문제
↓ ← 이산화(요소분활)
FEM 모델 : 유한요소법에 의해 변환된 문제
↓ ← 수치계산
공학모델의 근사해 : 실제 현상의 시뮬레이션 결과
㈐ FEA 프로세스
① 설계모델과 CAD형상
어떤 기계부품의 설계단계에서 적용한 하나의 구상을 이 부품에 대한 「설계모델」이라 부른다. 이 설계모델에는 전단응력등의 제약조건 으로, 형상이나 치수등을 변경한다면, 강도를 유지하면서 어느 정도의 경량화를 가능할까? 라는 식의 설계과제가 주어져 있다면, 다양한 설계 옵션을 들 수 있겠으나, 그 중에서 하나의 설계안이 굳혀지면, 동시에 CAD 형상이 작성되어 해석을 수행할 준비가 가능해 진다.
② 해석모델의 작성
설계안의 강도를 FEA로 확인하기 위해 해석모델을 생성한다 우선, 해석해야할 역학현상을 모델화 하고, 설계안에서 공학모델을 이끌어 낸다. 구체적으로는 해석에 필요한 정보로서, 해석영역의 기하형상, 재료특성, 하중 및 경계조건을 수정한다. 이 단계에서의 판단에 의해 모델의 대부분이 결정되므로 담당자는 공학지식과 경험을 바탕으로 하여 모델화에 신중을 기해야 한다.
다음으로는, FEM모델을 생성한다. 즉, 공학모델에서 채용한 해석영역을 요소분활(mesh)하고, 하중이나 경계조건을 적용한다.
③ 해석의 실행과 결과의 검토
해석의 실행은 자동화되어 있다. 계산이 끝나는 즉시 결과를 확인 할 수 있으며, 다양한 결과의 표시방법이 가능하다. 여기서 읽어 낸 정보를 기초로, 모델이나, 해석결과의 수행한다. 이 판단은 해석모델의 생성단계에서의 판단과 밀접한 관계가 있으며, 결과의 검토 또한, 사용자의 공학적 지식과 경험을 이용해야 하는 작업이다.
④ 설계안의 평가
대체로 설계자는 설계모델에 부여한 기준에 따라 해석결과로부터 설계안을 평가하고, 옳지 못한 경우가 있으면, 설계모델로부터 대책안을 마련해야 한다.
물론, 일련의 FEA프로세스를 설계 cycle로 짜서 효과를 얻기까지는 담당자의 기술적 노하우의 축적에 상당한 시간이 필요하다. FEA의 이용기술이 어느 수준이상에 도달하고, 프로젝트의 시간제약의 범위에서 설계평가가 가능하게 된다면, FEA는 제품개발에 있어서 반드시 필요한 강력한 설계 툴이 될 것이다.
㈑ FEM의 적용용분야
- 고체역학 : 탄성역학, 소성역학 등의 구조문제
- 유체역학 : 유체의 흐름과 열이동의 문제, 확산문제
- 선형문제 : 재료적으로 선형성을 나타내는 물체(탄성체)를 대상으
로 한다. 기하학적으로 선형인 변형거동(미소변형 즉, 미소변형)
을 다룬다.
- 비선형문제 : 재료비선형, 기하학적비선형, 상태변화
- 정적문제
- 동적문제 : 고유진동문제, 정상진동문제, 과도진동문제
- 기본해석 타입 : 선형정적문제, 선형동적문제, 비선형정적문제
비선형동적문제
- 기타 : 열전달, 음장, 전장, 전자장등의 포텐셜 문제 및 이들의 복
합 문제
㈒ FEM의 구성 : 지배방정식, 미분방정식의 근사해법, 좌표함수의
근사화방법 (이산화), 영역의 요소분활 (mesh), 경계조건의 이산화
㈓ FEM의 특징
① 정도 control이 가능한 근사 해법이다.
② 모델화에 대한 유연성이 높다.
③ 범용성이 있고, 응용범위가 넓다
㈔ FEM의 문제점
① 컴퓨터 설비가 필요 ② 정확성과 비용과의 균형 문제
③ blackbox로서의 문제 ④ 범용성에 관한 문제
㈕ FEA에 필요한 Software
CAE 소프트웨어는 크게 프리프로세싱(Pre-Processing), 프로세싱(Processing), 포스트프로세싱(Post-Processing)으로 크게 구분된다.
프리프로세싱
수치해석을 하기 위한 준비 과정으로 모델의 기하학적 형상을 수정하여 수치해석 모델로 만들어 하중 및 변위 조건 등의 경계 조건을 작성
프로세싱
프리프로세싱에서 준비된 입력 자료를 가지고 직접 수치해석을 수행
포스트프로세싱
해석 결과를 도식적 또는 가시적으로 출력하여 결과에 대한 타당성 여부를 체크
이 단계를 전체의 흐름에서 보면, ꡒ입력(input)→계산(solve)→출력(output)ꡓ이라는 각 단계에 해당한다.
- 대표적인 CAE Software
프로그램 개발회사
BravoFEM Schlumberger
CADDS Computervision
CATIA Dassault Systems
Euclid Marta Datavision
FEMAP Enterprise Software Products
FEMB ETA
HyperMesh Altair Computing
I-DEAS SDRC
I/FEM Intergraph
LapCAD LAPCAD Engineering
Media Debis
MSC/Aries MSC
MSC/Patran MSC
Pro/Engineer Parametric Technology Corp.
Unigraphics EDS
컴퓨터를 이용한 공학적인 분석을 말한다. 설계된 제품 또는 설계할 제품이 기계적인 면에서 잘못이 없는가를 판단하게 하는 시스템이다. 비행기를 설계하고 공기저항 계수등을 계산할 수 있는 시스템으로 앞으로 CAD와 연계되어 설계 기술의 많은 발전을 가져올 것으로 기대되고 있다.
오늘날 CAE가 기능․성능 평가 시스템이 중심인 것은 변함이 없으나, CAE는 결코 CAD/CAM과 독립된 것이 아니라, 연휴하여 기능․성능 평가를 실현하는 것이다. 이와 같은 환경을 감안하여, CAE시스템도 CAD 형태를 베이스로 한 통합시스템이 보급되고 있다.
CAE의 개념에 기초한 설계 접근이란, 설계안의 성능이나 기능을 컴퓨터 상에서ꡒ시뮬레이션ꡓ하는 것을 주로 추진하는 시뮬레이션 주도형의 설계ꡓ로, 시작 실험을 줄이고, 최종적으로 최적설계를 확립하는 것을 목표로 한다. 과거에는 이미 만들어진 도면에 대하여 설계를 확인․검토하기 위한 해석이 대부분이었지만, CAE는 설계의 초기단계부터 이용함으로써, 최대의 효과를 발휘한다.
CAE용 컴퓨터내에서의 모델화에는 시뮬레이션이 필요하므로 유한요소법(Finite Element Method：FEM), 경계요소법(Boundary Element Method ; BEM)이나 BBA(Building Block Appr oach) 등이 사용가능한 범용 소프트웨어가 중요하다.
FEA software로 대표되는 CAE 툴은 해석책임자를 위한 툴만은 아니다. CAE가 추구하는ꡒ시뮬레이션 주도형 설계ꡓ에서는 일반 설계자가 스스로 해석을 실시하는 것이 필요하기 때문에 오늘날의 CAE시스템은 단순히 해석 툴을 제공하는 것뿐만 아니라, 입력데이터의 준비나 결과의 평가에 있어서 숙련된 해석자만이 수행할 수 있는 기술을 초심자도 쉽게 이용할 수 있도록 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
현재의 CAE에서는 주로, 3차원의 정지모델을 시뮬레이션하는 기술이 연구․개발되어 있지만, 여기에 시간적 요소(4차원 모델)를 넣어 시간경과를 시뮬레이션하는 기술도 연구․개발되고 있다. 이것으로 엔진의 연소 과정을 시뮬레이션 하든지, 로봇의 동작 진행과정을 시뮬레이션하는데 응용될 것이다.
FEA(Finite Element Analysis：유한요소해석)는 CAE 툴로서 높은 유용성을 가져 왔으며, 일반적으로 CAE 라면 FEA를 의미할 정도로 유사한 개념을 가지고 FEA을 중심으로 서술하겠다.
유한요소해석(FEA)란 : 유한요소법(Finite Element Method：FEM）의 이론체계에 기초하여 개발된 software(FEM 프로그램)을 이용하여 컴퓨터상에서 다양한 공학문제의 수치해석을 실시하는 것
공학분야에서 발생되는 다양한 역학적 현상을 정량적으로 해명하기 위해서는 미분방정식이라는 형태로 모델화하는 것이 많은데, 이러한 모델을 수리모델이라고 한다. 모델화에 의해 얻어진 미분방정식은 특별한 경우를 제외하고, 엄밀히 풀기는 곤란하다. 이와 같은 경우 차분법(Finite Difference Method ; FDM)이나 유한요소법, 경계요소법(Boundary Element Method ; BEM)과 같은 컴퓨터를 이용한 근사해석 방법이 이용된다.
필요성에 대한 간단한 예를 들자면 의자를 설계할 경우, 의자의 다리는 몇 개로 할 것이며, 다리의 직경은? 또한 최대로 주어지는 하중과 그에 따른 변형을 계산하여야 한다. 상기 과정의 계산을 거친 후에는 각각의 치수를 결정하고 CAD를 이용하여 평면도면을 설계한다.
여기서 중요한 것은, 도면작업이 아니라 의자가 제 기능(부서지지 않도록)을 발휘하도록 각 부분에 대한 치수를 정하는 일이다.
이러한 작업은 구조물의 하중과 변형을 다루는 학문인 재료역학을 이해하고 있어야 하는데 이러한 작업을 담당하는 것이 CAE이다.
건축, 토목, 기계분야에서 사용되는 구조물에서 주어진 하중을 충분히 견딜 수 있도록 설계 하고자 한다면 재료 역학에 대한 지식이 필요 할 것이고, 하늘을 나르는 비행기나 주행중인 자동차 주위의 공기의 유동에 대한 영향을 알고자 한다면 유체역학에 대한 지식이 필요하다. 이와 같이 CAE는 공학적 지식을 요구하며, 그에 해당하는 해석 및 분석과정을 수행한다
⑴ CAE 시스템의 주요 구성요소
㈎ 유한요소법(Finite Element Method)과 기계설계
어떤 제품에 관한 설계안이 제출되면 우선 시제품, 실험 또는 실험에 기초한 성능해석, 강도해석 평가 및 개선등의 작업이 이루어지고 있었으나, 이러한 방법은 막대한 노력과 비용, 시간이 지불된다. 이러한 과정을 지원하는 것이 CAE이다. CAE는 설계를 하는데 필요한 성능해석, 강도해석을 차분법이나, 유한요소법, 경계요소법 등의 공학적 근사해석방법으로부터 수행해 온 기술이다. 이와 같이 해서 해석되어진 결과로부터 재료의 재질이나 치수 등이 결정되면 CAD 시스템으로부터 도면이 컴퓨터에 의해 자동적으로 설계되며 CAD 데이터를 기초로 CAM시스템으로부터 가공, 검사, 조립 등이 컴퓨터에 의해 자동적으로 수행된다.
㈏ FEM에 의한 수치해석
물체가 외력을 받으면 변형이 일어난다는 역학적 현상은 고체역학에서 수식(방정식)으로 정의되며, 이 수식(방정식)을 FEM과 같은 수치해석 방법에 의해 컴퓨터가 다룰 수 있는 형식으로 변환하면 수치를 대입하면서 유한회 반복(수치계산처리)에 의해 풀어 낼 수 있다. 순서는 다음과 같다.
실제의 형상 : 예를 들면, 물체가 외력을 받아서 변형하는 물리현상
↓ ← 수리화
공학모델 : 기초공학에 있어서 방정식 문제
↓ ← 이산화(요소분활)
FEM 모델 : 유한요소법에 의해 변환된 문제
↓ ← 수치계산
공학모델의 근사해 : 실제 현상의 시뮬레이션 결과
㈐ FEA 프로세스
① 설계모델과 CAD형상
어떤 기계부품의 설계단계에서 적용한 하나의 구상을 이 부품에 대한 「설계모델」이라 부른다. 이 설계모델에는 전단응력등의 제약조건 으로, 형상이나 치수등을 변경한다면, 강도를 유지하면서 어느 정도의 경량화를 가능할까? 라는 식의 설계과제가 주어져 있다면, 다양한 설계 옵션을 들 수 있겠으나, 그 중에서 하나의 설계안이 굳혀지면, 동시에 CAD 형상이 작성되어 해석을 수행할 준비가 가능해 진다.
② 해석모델의 작성
설계안의 강도를 FEA로 확인하기 위해 해석모델을 생성한다 우선, 해석해야할 역학현상을 모델화 하고, 설계안에서 공학모델을 이끌어 낸다. 구체적으로는 해석에 필요한 정보로서, 해석영역의 기하형상, 재료특성, 하중 및 경계조건을 수정한다. 이 단계에서의 판단에 의해 모델의 대부분이 결정되므로 담당자는 공학지식과 경험을 바탕으로 하여 모델화에 신중을 기해야 한다.
다음으로는, FEM모델을 생성한다. 즉, 공학모델에서 채용한 해석영역을 요소분활(mesh)하고, 하중이나 경계조건을 적용한다.
③ 해석의 실행과 결과의 검토
해석의 실행은 자동화되어 있다. 계산이 끝나는 즉시 결과를 확인 할 수 있으며, 다양한 결과의 표시방법이 가능하다. 여기서 읽어 낸 정보를 기초로, 모델이나, 해석결과의 수행한다. 이 판단은 해석모델의 생성단계에서의 판단과 밀접한 관계가 있으며, 결과의 검토 또한, 사용자의 공학적 지식과 경험을 이용해야 하는 작업이다.
④ 설계안의 평가
대체로 설계자는 설계모델에 부여한 기준에 따라 해석결과로부터 설계안을 평가하고, 옳지 못한 경우가 있으면, 설계모델로부터 대책안을 마련해야 한다.
물론, 일련의 FEA프로세스를 설계 cycle로 짜서 효과를 얻기까지는 담당자의 기술적 노하우의 축적에 상당한 시간이 필요하다. FEA의 이용기술이 어느 수준이상에 도달하고, 프로젝트의 시간제약의 범위에서 설계평가가 가능하게 된다면, FEA는 제품개발에 있어서 반드시 필요한 강력한 설계 툴이 될 것이다.
㈑ FEM의 적용용분야
- 고체역학 : 탄성역학, 소성역학 등의 구조문제
- 유체역학 : 유체의 흐름과 열이동의 문제, 확산문제
- 선형문제 : 재료적으로 선형성을 나타내는 물체(탄성체)를 대상으
로 한다. 기하학적으로 선형인 변형거동(미소변형 즉, 미소변형)
을 다룬다.
- 비선형문제 : 재료비선형, 기하학적비선형, 상태변화
- 정적문제
- 동적문제 : 고유진동문제, 정상진동문제, 과도진동문제
- 기본해석 타입 : 선형정적문제, 선형동적문제, 비선형정적문제
비선형동적문제
- 기타 : 열전달, 음장, 전장, 전자장등의 포텐셜 문제 및 이들의 복
합 문제
㈒ FEM의 구성 : 지배방정식, 미분방정식의 근사해법, 좌표함수의
근사화방법 (이산화), 영역의 요소분활 (mesh), 경계조건의 이산화
㈓ FEM의 특징
① 정도 control이 가능한 근사 해법이다.
② 모델화에 대한 유연성이 높다.
③ 범용성이 있고, 응용범위가 넓다
㈔ FEM의 문제점
① 컴퓨터 설비가 필요 ② 정확성과 비용과의 균형 문제
③ blackbox로서의 문제 ④ 범용성에 관한 문제
㈕ FEA에 필요한 Software
CAE 소프트웨어는 크게 프리프로세싱(Pre-Processing), 프로세싱(Processing), 포스트프로세싱(Post-Processing)으로 크게 구분된다.
프리프로세싱
수치해석을 하기 위한 준비 과정으로 모델의 기하학적 형상을 수정하여 수치해석 모델로 만들어 하중 및 변위 조건 등의 경계 조건을 작성
프로세싱
프리프로세싱에서 준비된 입력 자료를 가지고 직접 수치해석을 수행
포스트프로세싱
해석 결과를 도식적 또는 가시적으로 출력하여 결과에 대한 타당성 여부를 체크
이 단계를 전체의 흐름에서 보면, ꡒ입력(input)→계산(solve)→출력(output)ꡓ이라는 각 단계에 해당한다.
- 대표적인 CAE Software
프로그램 개발회사
BravoFEM Schlumberger
CADDS Computervision
CATIA Dassault Systems
Euclid Marta Datavision
FEMAP Enterprise Software Products
FEMB ETA
HyperMesh Altair Computing
I-DEAS SDRC
I/FEM Intergraph
LapCAD LAPCAD Engineering
Media Debis
MSC/Aries MSC
MSC/Patran MSC
Pro/Engineer Parametric Technology Corp.
Unigraphics EDS
다음검색