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MFBD, 유연체 동역학 해석의 완성 – 펑션베이의 리커다인

MFBD란?
강체 기반의 해석은 물건이 충격을 받아도 변하지 않는다고 가정하고 해석한다. 물건을 강체로 해석하면 모델링도 쉽고 해석 작업도 간단하다. 그러나 실제로 모든 물건은 변형된다. 정확한 해석을 위해서는 변화를 전제로 한 유연체 해석이 필요하다. 대부분 해석은 변형을 테스트하는 데 목적이 있기 때문이다. 이에 더욱 정확한 해석을 위해 강체와 유연체 해석을 결합한 동역학 해석이 등장하게 되었다. 이는 강체 해석과 유연체 해석을 결합한 것으로, 유연다물체동역학(Multi Flexible Body Dynamics, MFBD)이라 부른다. MFBD는 시간적분 알고리즘과 운동 방정식을 기반으로, 가해진 힘에 대한 강체와 유연체의 응답을 시간의 영역에서 해석한다. 즉 강체의 운동을 해석하는 MBD(Multibody Dynamics)와 유연체의 응력·변형을 해석하는 FEM(Finite Element Method)이 결합해 물체의 동역학적 거동을 해석하는 것이다.

Modal vs Nodal
MFBD 기술에서는 시스템의 동역학적 거동에 의한 유연체의 FEM해석을 위하여, 물체의 ModeShape이라는 기본적인 거동을 이용해 근사화시킨 선형해석 방식인 Modal Method와 유연체의 모든 Node의 자유도를 고려하는 비선형해석 방식인 Nodal Method를 사용한다. Modal Method는 선형 소재나 미소 변형에 국한된 해석이 가능하다는 제약과 하중 작용점이 일정해야 하는 한계가 있다. 대신 간소화해서 해석하므로 대형 FEM 모델이나 제어시스템의 빠른 해석에 용이하다. Nodal Method는 비선형 소재 또는 대변형이 발생하는 모델도 풀 수 있고, 접촉 및 하중점 변동도 반영한 해석이 가능하다. 반면 계산량이 많기 때문에 대형보다는 중소형 FEM 모델과 세세한 동역학적 거동 해석에 적합하다.

진정한 MFBD – 리커다인
MFBD 해석을 가능케 하는 세계 최초의 통합 해석 소프트웨어가 바로 펑션베이(www.functionbay.com)의 리커다인(RecurDyn)이다. 리커다인은 Nodal Method와 Modal Method를 모두 지원하는 솔루션이다. 그 외의 대부분의 MBD 소프트웨어는 Modal Method나 제한적인 Nodal Method를 지원하는 형편이다.

리커다인의 MFBD는 Mesh-Pre-Solve-Post의 모든 과정을 리커다인 환경 내에서 수행 가능하다.
리커다인의 MFBD는 Mesh-Pre-Solve-Post의 모든 과정을 리커다인 환경 내에서 수행 가능하다.

리커다인의 MFBD는 시간에 따라 움직이면서 힘을 받는 물체, 즉 움직이면서 변형되는 물체의 해석이 가능하다. 이로써 앞서 언급한 강체 해석의 단점을 보완하면서 작업의 효율성과 생산성을 향상할 수 있다. MFBD는 동역학으로 수행을 할 때, 유연체를 지정만 하면 하나의 솔버로 강체와 유연체의 통합 해석을 수행하는 원리이기 때문이다.

무엇보다도 유연체의 시간에 따른 거동을 정확히 측정할 수 있다는 것이 장점이다. 대부분의 기계 시스템은 움직이기 때문에 MFBD를 통해 더 구체적이고 정확도 높은 해석이 가능하며 이 변화를 애니메이션으로 확인할 수 있기 때문에 결과를 직관적으로 알 수 있다. 이에 반복된 작업을 자동화하여 기존 작업의 효율성을 증대시키고 고도의 숙련도 없이도 쉽게 작업할 수 있다. 이렇게 강체와 유연체를 모두 포함한 시스템을 빠르고 정확하게 해석해주기 때문에 MFBD 기술의 활용성은 증가할 수 밖에 없다.

MFBD는 어렵다?
최근에는 설계자도 해석을 할 수 있어야 한다는 기조가 확산되고 있다. 설계나 해석 소프트웨어를 판매하는 기업들은 이런 기조에 편승해 설계 단에서 쉽게 해석을 할 수 있도록 다양한 솔루션을 내놓고 있다. 그러나, MFBD는 이런 분위기에 역행하듯 상대적으로 어려운 해석으로 인식되고 있다. MFBD를 수행하려면 강체를 유연체로 정의하기 위한 힘든 부가적인 작업이 뒤따르기 때문이다. 우선 CAD 데이터를 이용해 메시를 생성해야 하고 조인트(Joint), 힘(Force), 접촉(Contact) 등의 동역학 조건도 새로 정의해야 한다. Modal Method 사용 시에는 외부 구조 해석 소프트웨어를 이용해 ModeShape을 생성해야 하는 점도 번거롭다. 그래서, 유연체 모델링을 하는 데 있어 보다 간편한 프로세스로 하고자 하는 요구가 늘어났다.

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G-Modeling을 통해 누구나 사용 가능한 MFBD를 실현
이런 요구사항을 고려한 리커다인의 개발사 펑션베이는 약 5년에 걸친 기능 개선을 통해 누구나 손쉽게 MFBD를 활용할 수 있도록 리커다인 V8R5 부터 G-Modeling이라는 컨셉을 제공하고 있다. 이는 앞서 말한 MFBD를 수행하기 위한 다양한 사전 준비 작업을 자동화했다고 보면 되는데, 리커다인에는 매시를 생성해 주는 메시어가 포함되어 있어 유연체를 생성할 때 외부 메시 프로그램을 사용할 필요가 없고 ModeShape을 생성하는 Modal Solver도 포함되어 있는데 이런 부분이 G-Modeling을 이용한 자동화를 가능하게 했다. 물론 Nodal Method 역시 자동화에 포함되어 있다.
G-Modeling을 사용하게 되면 해석 목적에 따라 강체에서 유연체, 다시 유연체에서 강체로 변환이 자유롭다. 또한, 변환 시 기연결된 Joint, Force, Contact가 그대로 유지된다. 해석 업무를 실제로 진행할 때 MFBD 해석 만을 수행하지는 않는다. 부품의 변형이 적고 응력 발생이 크지 않은 경우나 전체적인 거동에 대한 이해를 위해 빠른 해석이 필요할 때는 강체 해석이 더 효율적이다. 강체와 유연체 간의 변환이 자주 발생한다는 것인데 이 과정이 G-Modeling에 의해 간편하게 수행된다. 또한, 앞서 설명한 MFBD의 두 가지 방법인 Modal Method와 Nodal Method 해석 간의 전환을 위한 모델 변환도 손쉽게 이루어진다.

리커다인의 G-Manager를 이용하면 유연체의 생성, 변환, 기존 시스템과의 연결 등을 고민할 필요 없이 해석 목적에 따라 강체를 유연체로, 유연체를 강체로 리커다인 플랫폼 내에서 자유롭게 변환할 수 있다.
리커다인의 G-Manager를 이용하면 유연체의 생성, 변환, 기존 시스템과의 연결 등을 고민할 필요 없이 해석 목적에 따라 강체를 유연체로, 유연체를 강체로 리커다인 플랫폼 내에서 자유롭게 변환할 수 있다.

이렇게, 유연체의 생성, 변환, 기존 시스템과의 연결 등을 고민할 필요 없이 해석 목적에 따라 강체를 유연체로, 유연체를 강체로 자유롭게 변환할 수 있기 때문에 기존에는 숙련자가 하루 이틀씩 걸리던 모델링 작업을 초보자도 몇 분 만에 끝낼 수 있다. G-Modeling은 『유연 다물체 동역학 시스템 모델링의 일반화 방법』이라는 특허로 등록되었다.

G-Modeling 따라가 보기

1. 강체 모델을 유연체 모델로 변환하기

G-Manager 메뉴에서 유연체 모델로 변환하고 싶은 부분을 선택한다.
G-Manager 메뉴에서 유연체 모델로 변환하고 싶은 부분을 선택한다.
선택한 부분에 대해 자동 메쉬를 실행한다.
선택한 부분에 대해 자동 메쉬를 실행한다.
Relation Map을 통해 강체 모델에서 정의했던 Joint의 구속조건이 그대로 넘어온 것을 확인할 수 있다.
Relation Map을 통해 강체 모델에서 정의했던 Joint의 구속조건이 그대로 넘어온 것을 확인할 수 있다.
이제 원하는 해석을 실행한다. (예제에서는 서스펜션 테스트용 리그). 컨투어(Contour) 보기를 통해 발생하는 스트레스, 변형 등을 확인할 수 있다. MFBD 해석이기 때문에 가능한 부분이다.
이제 원하는 해석을 실행한다. (예제에서는 서스펜션 테스트용 리그). 컨투어(Contour) 보기를 통해 발생하는 스트레스, 변형 등을 확인할 수 있다. MFBD 해석이기 때문에 가능한 부분이다.

2.유연체 모델을 강체 모델로 다시 변환하기

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G-Manager 메뉴에서 강체 모델로 변환하고 싶은 부분을 선택하고 ‘강체로 변환’ 명령만 주면 변환된다.
G-Manager 메뉴에서 강체 모델로 변환하고 싶은 부분을 선택하고 ‘강체로 변환’ 명령만 주면 변환된다.
Relation Map을 통해 강체 모델에서 정의했던 Joint가 그대로 넘어온 것을 확인할 수 있다.
Relation Map을 통해 강체 모델에서 정의했던 Joint가 그대로 넘어온 것을 확인할 수 있다.

3. Modal Method 해석 실행하기

Modal Method 해석을 실행하기 위해서는 메쉬가 만들어져 있어야한다. 여기서도 Relation Map을 통해 강체 모델에서 정의했던 Joint가 그대로 넘어온 것을 확인할 수 있다.
Modal Method 해석을 실행하기 위해서는 메쉬가 만들어져 있어야한다. 여기서도 Relation Map을 통해 강체 모델에서 정의했던 Joint가 그대로 넘어온 것을 확인할 수 있다.
G-Manager 메뉴에서 RFlex(Modal Method)를 선택 후 RFlexGen을 실행하기만 하면 Mode Shape을 생성해 준다. Mode Shape 메뉴에서 Shape 별로 거동을 확인할 수 있다.
G-Manager 메뉴에서 RFlex(Modal Method)를 선택 후 RFlexGen을 실행하기만 하면 Mode Shape을 생성해 준다. Mode Shape 메뉴에서 Shape 별로 거동을 확인할 수 있다.
리커다인 개발사인 펑선베이의 김상태 팀장
리커다인 개발사인 펑선베이의 김상태 팀장
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About 이상준 기자

생산제조인을 위한 매거진 MFG 편집장 이상준입니다. 대한민국 제조업 발전을 위해 일합니다.