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Chapter 8Chapter 8 Generative StructuralGenerative Structural

Analysis (GSA)

세종대학교기계공학과전용태

8 1 GPS8-1. GPS (Generative Part Structural(Generative Part Structural

Analysis)


GPS (Generative Part Structural Analysis)GPS (Generative Part Structural Analysis)하나의 파 되어 있는 S S f f• 하나의 파트로 되어 있는 Solid, Surface, Wireframe Model에 대하여 응력해석, 고유진동, 버클링, 동적해석을 지원하는워크벤치워크벤치.

• Static Analysis (정적해석) ~ 해석대상에 가해지는 하중조건• Static Analysis (정적해석) ~ 해석대상에 가해지는 하중조건이 시간에 따라 변하지 않을 때 이 하중에 대한 구조물의 응답을 구한다.을 구 다


파일 S C 를 연다

GPS: Static Analysis GPS: Static Analysis –– (1) (1) 시작하기시작하기

파일 Supporter.CATPart 를 연다. – 강의 홈페이지에서 다운로드한 파일 Open.



메인메뉴 S C 선택메인메뉴 View → Render Style → Customize View 선택

Custom View Mode 대화창에서 Material 선택해석결과를 여러 가지 색으로 시하기 위하여– 해석결과를 여러 가지 색으로 표시하기 위하여….



GS 메인메뉴 S &GSA Workbench : 메인메뉴 Start → Analysis & Simulation → Generative Structural Analysis 선택

N A l i C 창에서 St ti A l i 선택New Analysis Case 창에서 Static Analysis 선택



다음과 같이 S 에 S C 가 추가 됨다음과 같이 S-Tree 에 Static Case 가 추가 됨


GPS: Static Analysis GPS: Static Analysis –– (2) Pre(2) Pre--processing (processing (전처리전처리))(유한요소 델)을 생성하 S 에서 계산을• FEM Model (유한요소 모델)을 생성하고, Solver에서 계산을

수행하기 위한 입력 데이터를 준비하는 단계.

• 해석하기 위하여 각각의 단품에 대해서 Meshing 작업을 수행하고 재료의 물성값과 경계조건 등을 부여하고 재료의 물성값과 경계조건 등을 부여.

“Static Analysis”를 선택하면Static Analysis 를 선택하면Model의 Mesh 와 Properties 가자동으로 정의 됨


GPS: Static Analysis GPS: Static Analysis –– (2) Pre(2) Pre--processing (processing (전처리전처리))① (요소분할)① Meshing (요소분할)

S-Tree 의 “OCTREE~” 을 더블 클릭하거나 형상의 Mesh S b l 을 더블클릭Symbol 을 더블클릭

Mesh Symbol


GPS: Static Analysis GPS: Static Analysis –– (2) Pre(2) Pre--processing (processing (전처리전처리))OC 대화창이 면 원하는 S 값OCTREE Tetrahedron Mesh 대화창이 뜨면 원하는 Size 값을 입력하고 Element Type 을 선택하고 OK.

• Global 탭: 대상을 전체적으로 Meshing 할 때 Absolute sag

Element

Size

Element 는 각각 4개의 절점(node)을가진다

Linear Element 에 Mid-node를 가지고 있어서 해석결과의 정확도는 높으나 해석에


의 정확도는 높으나 해석에시간이 많이 소요된다

• Local 탭: 대상을 국부적으로 Meshing 할 때

Local Mesh Size: 일부 메쉬를 선택하고새 값을 입력 (응력집중이 예상되는 부위의 메쉬를 세분화할 때 쓰임)

Local Sag: 일부 메쉬를 선택하고 새로운sag 값을 입력

Imposed points: Point 들을생성시키 이용생성시키고 node로 이용


GPS: Static Analysis GPS: Static Analysis –– (2) Pre(2) Pre--processing (processing (전처리전처리))② ( 의 속성) 해석할 파 의 속성을 정의② Property (Part 의 속성): 해석할 파트의 속성을 정의.

1) 3D Property (Solid 요소): Solid 모델에 적용되며, 3D M h인 OCTREE T t h d M h 를 적용한다Mesh인 OCTREE Tetrahedron Mesher 를 적용한다 .

2) 2D Property (Shell 요소): Solid, Surfacer 모델에 적용되며 반드시 2D Mesher인 OCTREE Triangle Mesher되며, 반드시 2D Mesher인 OCTREE Triangle Mesher를 적용한다. 모델의 두께와 Material 정보가 필요.

3) 1D Property (Beam 요소): Wireframe 모델에 적용되며3) 1D Property (Beam 요소): Wireframe 모델에 적용되며, 1D Mesh 인 1D Mesh 를 적용한다. Material 과 단면정보, 그리고 단면의 방향성을 정하기 위한 Point 가 필요.


GPS: Static Analysis GPS: Static Analysis –– (2) Pre(2) Pre--processing (processing (전처리전처리))③ C ( ) 경계 건을 적용하 에③ Model Checker ( ): 경계조건을 적용하고 FEM Model에

모순이 없는지를 Check 한다.만약 모순이 존재하면 대화창 St t 부분에 KO 라고 표만약 모순이 존재하면 대화창 Status 부분에 KO 라고 표시되고 아래부분에 자세한 설명이 나타남.아래 대화창은 이상이 없을 경우의 모습아래 대화창은 이상이 없을 경우의 모습.

만약 이상이 있으만약 이상이 있으면 Status 가 KO 로 표시되며,이 곳에 자세한 설이 곳에 자세한 설명이 표기됨


GPS: Static Analysis GPS: Static Analysis –– (2) Pre(2) Pre--processing (processing (전처리전처리))④ (구속하기) C 에서는 나 가④ Restraint (구속하기): CATIA에서는 Restraint 나 Load 가

Mesh의 node에 적용되는 것이 아니라 surface, line, point 등과 같이 형상요소에 직접 적용된다등과 같이 형상요소에 직접 적용된다.

1) Clamp ( ) 아이콘: 완전 고정되는 구속조건 (DOF = 0)1) Clamp ( ) 아이콘: 완전 고정되는 구속조건 (DOF = 0)

MMouse클릭

Clamp


Symbol

④ (구속하기)④ Restraint (구속하기)2) Mechanical Restraint ( )

一. Surface Slider ( ): 선택된 surface 면 방향에 대한이동 (2 방향)과 surface에 수직한 방향에 대한 회전(1 방향)만을 허용한다 (즉 DOF = 3)(1 방향)만을 허용한다 (즉, DOF = 3)

Symbol



二. Slider ( ): Prismatic Joint 로 Virtual Part (VP)의Handle Point (HP)에만 적용. 주어진 축을 따라서만이동이 허용 (즉 DOF = 1~3) 따라서 해당되는 면에이동이 허용 (즉, DOF = 1~3). 따라서, 해당되는 면에Virtual Part ( ) 를 미리 정의 해두어야 함.


S 아이콘 ( ) 을 클릭하 이미 G 에 적Slider 아이콘 ( ) 을 클릭하고 이미 Geometry에 적용된 VP 를 선택한다. 그리고, 대화창에서 이동을 허용할 방향에 1을 입력하고 OK용할 방향에 1을 입력하고 OK.

S b lSymbol



三. Sliding Pivot ( ): Cylindrical Joint 로 VP의 HP에만 적용. 주어진 축에 대한 이동 (1 방향)과 그 축을 중심의 회전 (1 방향)을 허용한다 (즉 DOF = 2)심의 회전 (1 방향)을 허용한다 (즉, DOF = 2)



四. Ball Joint ( ): Spherical Joint 로 VP 의 HP에만 적용. HP를 중심으로 모든 방향의 회전(3 방향)을 허용(즉 DOF = 3)(즉, DOF = 3)



五. Pivot ( ): Hinge Point로 VP 의 HP에만 적용. 주어진 축에 대한 회전 (1 방향)만 허용 (DOF = 1)


④ (구속하기)④ Restraint (구속하기)3) Generic Restraint ( )

一. Advanced Restraint ( ): 3 Translation 과 3 Rotation 을 조합하여 임의 Geometry에 종합적으로구속조건을 부여 대화창에서 선택을 OFF한 방향은구속조건을 부여. 대화창에서 선택을 OFF한 방향은구속이 해제 됨 (아래는 1 DOF)


④ (구속하기)④ Restraint (구속하기)3) Generic Restraint ( )

二. Isostatic Restraint ( ): Body를 간단히 구속하는방법으로 자동으로 세 점이 선택되고 그 점들은 아래와 같이 3 2 1 rule에 의해 자유도가 정해져서 강체의와 같이 3-2-1 rule에 의해 자유도가 정해져서, 강체의이동과 회전이 구속된다. 이를 적용하기 위해서는 화면상의 를 선택하면 모든 Part에 적용된다.상의 를 택하 에 적용 다

11

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즉 아이콘 을 클릭하 O 버튼 클릭하면즉, 아이콘 을 클릭하고 OK 버튼 클릭하면, isostatic restraint가 전체 assembly에 적용이 되고S-Tree 에 등록된다S-Tree 에 등록된다.


GPS: Static Analysis GPS: Static Analysis –– (2) Pre(2) Pre--processing (processing (전처리전처리))⑤ (하중적용) 하중적용 방법은 와 같이⑤ Load (하중적용): 하중적용 방법은 Restraint 와 같이 Mesh

의 node에 적용되는 것이 아니라 surface, line, point 등과같이 Geometry에 직접 적용된다같이 Geometry에 직접 적용된다.

1) Pressure ( ): Surface 나 Face에 적용되어 해당 면에1) Pressure ( ): Surface 나 Face에 적용되어 해당 면에수직인 방향으로 힘이 작용

예제 파일 Pressure Vessel CATPart 파일 open예제 파일 Pressure Vessel.CATPart 파일 open


Pressure 아이콘 ( ) 을 클릭하고 압력용기의 아래면과 윗면 선택면과 윗면 선택

Pressure 에 -1000 N/m2 입력 후 OK용기에 수직인 방향의 압력이 적용 됨용기에 수직인 방향의 압력이 적용 됨


GPS: Static Analysis GPS: Static Analysis –– (2) Pre(2) Pre--processing (processing (전처리전처리))⑤ (하중적용)⑤ Load (하중적용)

2) Forces ( )一. Distributed Force ( ): Geometry 나 VP에 분포하

중을 부여. 분포하중과 크기가 같은 집중하중이 표시되는데 작용점은 geometry 의 중심점 또는 VP 인 경되는데, 작용점은 geometry 의 중심점, 또는 VP 인 경우 HP가 된다. 을 클릭 & 윗면 선택 후 Z=-1000 N.



2) Forces ( )二. Moment ( ): Point, Vertex, Surface 와 VP 에 부여.

아이콘 을 클릭하고 Hole Surface 를 선택 후, Y = 500 Nm 입력하여 모멘트 하중 적용 예500 Nm 입력하여 모멘트 하중 적용 예



2) Forces ( )三. Bearing Load ( ): Hole 과 같은 원통형의 형상에서

Contact Load를 묘사한다. 아이콘 을 클릭하고Hole Surface 를 선택 후 Z = 500 N Angle=180degHole Surface 를 선택 후, Z = 500 N, Angle=180deg, Orientation = Radial, Type = Sinusoidal, Distribution = Outward 입력/선택하고 OK.력 택하


Angle: 베어링하중이 분포되는 각도

Orientation 180 deg 270 deg

Radial: 하중벡터가 작용된 곡면에 수직 분포

Parallel: 하중의 방향이 서로 나란하게 분포

ProfileSinusoidal: Sine 곡선 모양

Parabolic: 포물선 모양

Law: 외부의 곡선의 방정식으로 정의

Distribution : 하중분포 정의 (Outward, Inward)


Outward: 축이 구멍에가하는 힘

Inward: 구멍이 축에가하는 힘


2) Forces ( )四. Imported Force ( ), Imported Moment ( ): 외부

의 하중데이터를 파일로 import 하여 적용 (*.txt, *.xls 의 파일 형식 지원)의 파일 형식 지원).



3) Acceleration ( ): Part에 작용하는 일정한 크기의가속도를 표현하여 자중을 고려가속도를 표현하여 자중을 고려

一. Acceleration ( ): 중력에 의한 자중. Z = -9.8 m/s2

입력 후 OK입력 후 OK



3) Acceleration ( ): Part에 작용하는 일정한 크기의가속도를 표현하여 자중을 고려가속도를 표현하여 자중을 고려

二. Rotation Force ( ): Part가 회전할 때 자중에 의해발생되는 힘발생되는 힘



4) Enforced Displacement ( ): Restraints 에 의해 구속된 방향으로 0 이 아닌 변위 값을 부여하여 결과적으로는된 방향으로 0 이 아닌 변위 값을 부여하여 결과적으로는하중을 적용하는 것과 같은 결과를 얻을 수 있다.

Smooth Virtual Part 클릭 후 구멍내부 선택Smooth Virtual Part 클릭 후, 구멍내부 선택

Advanced Restraint 클릭 후, 위의 SMP 선택. Z 축 이동만을 구속Z 축 이동만을 구속


f 클릭 후 아래와 같이Enforced Displacement 클릭 후, 아래와 같이geometry 에서 Advanced Restraint를 선택.대화창에서는 이동이 고정된 Z 축방향 이동성분만 활대화창에서는 이동이 고정된 Z 축방향 이동성분만 활성화. 입력 칸에 -2mm 입력하고 OK.


GPS: Static Analysis GPS: Static Analysis –– (3) Solving ((3) Solving (해석해석))① 저장경 지정 ( )① Data 저장경로 지정 ( )

1) Storage Location ( ): 계산결과를 저장할 위치 지정. 지정 후 경로는 S T 에 추가 됨지정 후, 경로는 S-Tree에 추가 됨

2) Clear Storage ( ): 새로운 계산을 하기 전 기존의 데이터를 저장경로로부터 삭제터를 저장경로로부터 삭제

3) Temporary Storage Location ( ): 임시 저장 폴더 경로


GPS: Static Analysis GPS: Static Analysis –– (3) Solving ((3) Solving (해석해석))② C (S C ) 전처리 과정에서 부여된 하중② Computing (Static Case) : 전처리 과정에서 부여된 하중

조건과 경계조건을 고려하여 결과값을 계산.

Computing 이전(以前)I M t i l 이 정의되어져야 한다I. Material 이 정의되어져야 한다.II. 경계조건과 하중조건이 정확하게 입력되어야 한다

M d l Ch k 를 사용하여 경계/하중조건의 적합☞ Model Checker 를 사용하여 경계/하중조건의 적합성 여부를 확인할 수 있다.


GPS: Static Analysis GPS: Static Analysis –– (3) Solving ((3) Solving (해석해석))② C (S C )② Computing (Static Case)

1) All: 전처리 과정에서 부여된 경계조건, 하중조건, Mass, 속성(P t ) 등 모든 입력조건 하에서 최종결과 값을속성(Property) 등 모든 입력조건 하에서 최종결과 값을계산한다.

경계조건은 Clamp 하중조건은 윗 면에 분포하중 Z=경계조건은 Clamp, 하중조건은 윗 면에 분포하중 Z=-500 N 입력후 OK

F 500 NFz = -500 N

Clamp


정의 ( )Material 정의 ( ):


C 클릭 후 선택한 다음 OCompute 클릭 후 All 선택한 다음 OK

아래와 같이 메쉬분할 상태를 나타내는 대화창 뜸


메쉬분할이 끝나면 예상되는 C 계산시간 메 리메쉬분할이 끝나면 예상되는 CPU 계산시간, 메모리용량, 그리고 하드디스크 빈 공간 크기를 보여준다.

Yes 를 클릭하면 계산을 시작


S 의 에서 마/오 버튼누른S-Tree 의 Nodes and Elements에서 마/오 버튼누른후, Mesh Visualization 선택하면 경계/하중조건과 분할된 메쉬를 확인 가능할된 메쉬를 확인 가능


GPS: Static Analysis GPS: Static Analysis –– (4) Post(4) Post--processingprocessing① ( ) 해석결과 이미지 보기① Results Visualization ( ): 해석결과 이미지로 보기

여러 가지 색으로 결과를 보기위한 선결작업


GPS: Static Analysis GPS: Static Analysis –– (4) Post(4) Post--processingprocessing① ( )① Results Visualization ( )

1) Deformation ( ): 해석결과로 변형된 Mesh Part를 이미지로 보여준다.

변형 전 변형 후


다음과 같이 를 더블 클릭하면다음과 같이 Mesh Part를 더블 클릭하면deformation 이미지를 수정할 수 있는 대화창 뜸

Check ON: 변형된 메쉬 보임OFF: 변형되지 않은 메쉬 보임

Check ON: 메쉬의 모든 노드를 보여줌

수평 슬라이딩 바를 그래그하면


수평 슬라이딩 바를 그래그하면모든 메시요소들이 수축함

대화창의 “S 탭 전처리 과• Image Edition 대화창의 “Selection” 탭: 전처리 과정에서 적용했던 경계조건, 하중조건, 메쉬, Virtual Part 등을 선택적으로 화면에 출력 시킴Part 등을 선택적으로 화면에 출력 시킴

Available Groups (AvG) : 선택 가능한 요소들 di l들 display

모두 위(AvG)로 이동시킴

선택적으로 아래로 이동시킴

선택적으로 위로 이동시킴

모두 아래(AcG)로 이동시킴


Activated Group (AcG): 선택된 개체들을화면에 표시

선택적으 화면에 출력 시킨 예• 선택적으로 화면에 출력 시킨 예



2) Von Mises Stress ( ): 해석결과로 변형된 형상과함께 Part 각 부위에서의 Von Mises 응력값을 Color Map 이미지로 보여준다Map 이미지로 보여준다.


다음과 같이 를 더블 클릭하면다음과 같이 Mesh Part를 더블 클릭하면 Von Mises이미지를 수정할 수 있는 대화창 뜸


Check ON: Color Map이 element 경계에서 불연속적으로 나타남

각 노드에서의 계산 값을


각 노드에서의 계산 값을수치로 보여 줌


3) Displacement ( ): 해석결과로 변형된 형상과 함께각 노드에서의 변위벡터 이미지를 보여줌.


를 더블 클릭하면 이미지를Mesh Part를 더블 클릭하면 displacement 이미지를수정할 수 있는 대화창 뜸


Check ON: 변위량을 Color Map 으로보여줌


각 노드에서의 변위 값을수치로 보여 줌


4) Principal Stress, 주응력 ( ): 각 노드에서 순수 인장, 압축이 발생하는 방향과 응력값을 나타냄. 마찬가지로메쉬 파트를 더블클릭하여 팝업되는 대화창으로 부터메쉬 파트를 더블클릭하여 팝업되는 대화창으로 부터이미지를 수정 가능



5) Precision ( ): 계산 결과의 정확성을 검증한다. Strain energy (변형률에너지)를 측정하여 그 오차로서 계산의 정확도(타당성)을 표현한다서 계산의 정확도(타당성)을 표현한다.

만약 관심부위의 error 값이상대적으로 크면 그 계산값은신뢰할 수 없으므로 Local Mesh를 이용하여 관심부위의Mesh 정보를 수정하여 다시계산해야 한다.


결과 부터 하는 법Precision 결과로부터 Local Meshing 하는 법

一. S-Tree 의 OCTREE Tetrahedron Mesh.1 더블클릭

二. 대화창의 “Local” 탭 선택, Local size 선택 후 Add 버튼 클릭. 수정하고자 하는 Local Part의 Face 들을모두 선택 후 Local Mesh Size=3mm 입력모두 선택 후, Local Mesh Size=3mm 입력


선택 후 버튼 클릭 수정하 자 하는三. Local sag 선택 후 Add 버튼 클릭. 수정하고자 하는Local Part의 Face 들을 모두 선택 후, Local Mesh Sag Value=0 3mm 입력 후 OKSag Value=0.3mm 입력 후 OK


C 실행 를 적용하기 전/후의四. Compute 실행. Local Mesh를 적용하기 전/후의Mesh 결과와 Precision 결과(다음 페이지)로부터Energy Error 가 감소 했음을 알 수 있다Energy Error 가 감소 했음을 알 수 있다.


Local Mesh적용 전/후의적용 전/후의Precision 결과


GPS: Static Analysis GPS: Static Analysis –– (4) Post(4) Post--processingprocessing② 이미지 응용 ( )② 이미지 응용 (Analysis Tools bar)

1) Animate ( ): Mesh 변형을 동영상으로 보기

Von Mises 응력결과의 Color Map과 변형모습이 애니메이션된다.

1 cycle의 프레임 수1 cycle의 프레임 수

애니메이션속도조절 바애니메이션

Loop 변경



2) Cut Plane Analysis ( ): Part의 내부단면 보기

Von Mises 응력결과의 Color Map과 변형모습이 애니메이션된다.

잘려진 단면부분만을보여줄지 여부

단면을 화면에 그릴지 여부



3) Amplification Magnitude ( ): 변형량을 실제보다 과장되게 하여 쉽게 알 수 있도록 함되게 하여 쉽게 알 수 있도록 함

실제 변형량 Factor를 1로하고 이에대한 비율로 변형량 증폭 (수평바)

세종대학교기계공학과전용태 변형량 길이(mm)를 직접 입력


4) Image Extrema ( ): 결과의 최대/최소값이 나타나는 위치를 표시하고 그 값을 수치로 보여줌치를 표시하고 그 값을 수치로 보여줌

Global: 전체 Part에서최대/최소값을 표시화면에 표시 될 최소/ 최대/최소값을 표시/

최대값 각각의 개수. 2 이상일 경우 최대/최소값을 순차적으로

표시


S 의 G 에서 마/오 버튼으• S-Tree의 Global Maximum 에서 마/오 버튼으로Focus On 클릭하면 최대값을 갖는 노드를 확대해서보여줌보여줌



5) Information ( ): 특정결과값의 정보 제공.S-Tree 에 나와있는 특정항목 또는 Part의 특정 메쉬를 클릭하면 해당 정보를 알 수 있다.



6) Image Layout ( ): 여러가지 해석결과를 동시에 보여줌


GPS: Static Analysis GPS: Static Analysis –– (4) Post(4) Post--processingprocessing③ 보 서 보기 ( ) 계산결과 요약③ 보고서 보기 (Report) : 계산결과 요약

아이콘을 클릭 후, 대화창에 보고서 파일경로와 이름을지정한 다음 OK지정한 다음 OK보고서는 HTML 포맷이므로 웹브라우저로 볼 수 있음


보 서 내용 예• 보고서 내용 예


chapter 8chapter 8 generative structuralgenerative...

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