유한 요소 해석

FEA(유한 요소 해석)는 제품 및 어셈블리의 구조, 음향, 전자기 또는 열 성능을 가상으로 모델링 및 시뮬레이션하는 기법입니다. FEA는 FEM(유한 요소 방법)의 실제 애플리케이션입니다.

유한 요소 해석이란 무엇인가요?

유한 요소 해석은 잠재적(또는 기존) 제품 성능 문제를 찾고 해석하기 위해 가상 환경에서 제품 및 시스템을 모델링하는 작업입니다. FEA는 FEM을 실제로 적용한 분야이며, 엔지니어 및 과학자가 복잡한 구조, 음향, 전자기, 열, 유체 및 다중 물리 문제를 수학적으로 모델링하고 수치로 해석하는 데 사용됩니다. FEA 소프트웨어는 광범위한 산업에서 활용할 수 있지만, 항공, 자동차, 전자, 산업용 기계, 해양 및 소비재 산업에서 가장 많이 사용됩니다.

FE(유한 요소) 모델에는 설계의 형태를 구현하는 '노드'라고 불리는 점들의 시스템으로 구성되어 있습니다. 이러한 노드들에 유한 요소가 연결되어, 유한 요소 메시를 형성하고 모델의 재료 및 구조 속성을 포함함으로써, 특정 조건에서의 반응 방식을 정의합니다. 유한 요소 메시의 밀도는 특정 영역의 예견된 응력 수준의 변화에 따라 재료 전체에 걸쳐 달라질 수 있습니다. 주로 응력의 큰 변화가 발생하는 영역에는 응력 변화가 적거나 없는 영역보다 더 높은 메시 밀도가 필요합니다. 관심 포인트에는 이전에 테스트한 재료의 파괴 점, 필렛, 코너, 복잡한 상세정보, 높은 응력 영역이 포함될 수 있습니다.

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Simcenter 3D 소프트웨어를 통해 구현한 전기차 파워트레인 기어박스의 구조 역학에 대한 유한 요소 해석의 시각적 이미지

이점 활용

FEA는 확고히 정립된 방법론으로, 주로 실험 및 분석 방법을 대체하거나 보완하여 일상 제품의 엔지니어링 설계 및 분석을 지원합니다. 프로토타입 및 실험에 비해 FEA 기반 시뮬레이션은 다음과 같은 이점을 제공합니다.

성능 향상

유한 요소 해석을 통해 엔지니어링 가능성을 신속하게 분석하고 탐색하여 제품 성능을 향상합니다.

시간 단축

유한 요소 해석을 사용하면 구축 및 테스트 방법보다 더 빠르게 제품 설계를 최적화할 수 있습니다.

비용 감소

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

FEA 시뮬레이션 프로세스의 단계

소프트웨어 종류에 관계없이 대부분의 FEA 시뮬레이션은 이러한 일반화된 단계를 따릅니다.

Simcenter 3D 소프트웨어를 통해 구현한 히트매핑 시각 자료가 표시된 자동차 프레임의 3D 모델

프리프로세싱

프리프로세싱 단계에서는 지오메트리를 편집하고 시뮬레이션을 준비합니다. 메싱이라고 하는 프로세스에서는 프리프로세싱 도구가 재료 속성, 하중, 구속조건, 시뮬레이션 매개변수를 적용하기 전에 설계 지오메트리를 작은 유한 요소로 변환합니다.

FE 프리프로세싱/포스트프로세싱 살펴보기

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

해석

FEA 시뮬레이션 소프트웨어는 CFD 솔버를 사용하여 이산화된 방정식을 반복적으로 해석하기 시작합니다. 이 단계에는 상당한 시간이나 컴퓨팅 리소스가 필요할 수 있습니다. 복잡한 시뮬레이션을 실행할 경우 점점 더 많은 기업이 비용 효율적인 솔루션인 클라우드 컴퓨팅으로 전환하고 있습니다.

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Simcenter 3D 소프트웨어의 기계 구조 시각 이미지에 대한 선형 해석

포스트프로세싱

해석이 완료되면 다음 단계에서 보고서, 모니터, 플롯, 2D/3D 이미지, 애니메이션을 사용하여 시뮬레이션 결과를 정성적 및 정량적으로 분석하고 시각화합니다. 이 단계에서는 결과의 확인 및 검증도 수행됩니다.

FE 프리프로세싱/포스트프로세싱 살펴보기

FEA 해석의 유형

1D 해석(빔 모델)
1D 해석은 빔 요소와 같이 두 개의 노드로만 구성되어 있는 1차원 요소로만 생성된 모델을 적용합니다. 1D 해석은 차체 또는 기체와 같이 일반적으로 모델링하기 복잡한 구조를 초기 단계에 해석하는 데 유용합니다. 엔지니어는 심층 분석을 위해 전체 지오메트리를 준비하기 전에 1D 빔 모델을 통해 동체 역학을 신속하게 평가할 수 있습니다.

2D 해석(셸 모델)
엔지니어는 판금으로 만든 부품과 같은 얇은 벽체의 사각형 또는 삼각형 요소 등의 2차원 요소로 지오메트리를 메싱합니다. 그런 다음 요소 특성은 셸 요소의 두께를 정의하고, 이를 사용하여 솔버에서 응력, 변형률, 기타 결과를 계산합니다. FEA 프리프로세서에는 고속 메싱 알고리즘이 탑재되어 엔지니어는 이를 통해 지오메트리에 셸 메시를 생성할 수 있습니다.

3D 해석(솔리드 모델)
엔진 블록과 같은 두꺼운 솔리드 지오메트리의 경우 엔지니어는 솔리드 3차원 요소를 사용하여 지오메트리를 구현합니다. 사면체, 피라미드 및 육각형 요소가 솔리드 바디 전체에 생성됩니다. FEA 프리프로세서에는 엔지니어가 솔리드 메시 모델을 생성하는 데 필요한 도구가 장착되어 있습니다.

다중 물리 FEA
최신 FEA는 단일 물리 영역을 개별적으로 시뮬레이션하는 것 이상의 기능을 수행합니다. 오늘날 FEA는 엔지니어가 FSI(유체-구조 상호작용), 열-기계 시뮬레이션, FE 기반의 구조적 유연체가 있는 다물체 동역학, 전기 기계-열 등과 같은 여러 물리를 결합하도록 지원하면서 훨씬 더 많은 분야에서 사용되고 있습니다. 다중 물리 시뮬레이션은 점점 더 복잡해지는 제품에서 총체적인 영역 간 엔지니어링을 통해 성능을 극대화하는 데 근본적으로 중요합니다.

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트랙터 설계의 시뮬레이션 모델을 나타내는 Simcenter 3D 소프트웨어 이미지

Simcenter 3D 체험판

CAD 지오메트리를 시뮬레이션에 사용 가능한 지오메트리로 빠르게 전환할 수 있습니다.
구조 해석을 위해 모델을 효율적으로 메싱하고 해석하여 설계 성능에 대한 인사이트를 확보합니다.
Simcenter 3D 소프트웨어로 시뮬레이션 모델을 신속하게 업데이트하여 변경 사항을 설계할 수 있으므로 몇 초 만에 다시 시뮬레이션할 수 있습니다.

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온디맨드 웨비나 | 레거시 유한 요소 데이터를 재사용하여 시스템 수준 모델 생성

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