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제목 [기본] ABAQUS, Isight, TOSCA, fe-safe를 활용한 Brake 로터의 최적설계안 도출 사례 날짜 2016.03.28 09:10
글쓴이 KCC 조회 1258

SIMULIA.png


안녕하세요. 한국CAE컨설팅 SIMULIA Team입니다.

오늘은 SIMULIA의 포트폴리오를?활용하여?Motocycle의 Barke rotor의 최적설계를 할 수 있는 방법론을 제시합니다.

설계엔지니어는 이를 통해 신뢰할 수 있는 범위내에서 더 가볍고 내구성이 뛰어난?Brake rotor의 형상에 대한 최적화를 도출할 수 있습니다.?

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Brake rotor의 Design Optimization Process는 아래와 같은 step을 통해 수행됩니다.

Step 1. ABAQUS의 구조/열 해석을 통한 물리적 거동에 대한 이해와 설계-해석 파라미터 모델링

- 파라미터 기반의 CAD 및 FE모델 생성

- ABAQUS/CAE에서 형상 생성 : Boolean operations을 통해 원하는 파트의 형태를 만들어 내고 자동으로 요소를 생성할 수 있게 모델을 생성

- ABAQUS/CAE에서 자동요소생성 : 파라메트릭 모델링 및 스크립트로 생성된 브레이크 모델에 대해 다른 형태로의 자동생성이 가능

- ABAQUS/CAE에서 하중 및 접촉 조건 부여

- Structural Analysis & Thermal Analysis Results

??a. Brake Disk에 실제 하중이 전달되는 것과 같이 Brake에 전달되는 하중은 패드 세그먼트에 순차적으로 인가

? b. 이와 같은 방법으로 모사된 하중은 비대칭 형태로 하중이 전달되고 결과적으로?Disk의 비대칭 변형이 발생되는 원인의 작용

??c. Brake 캐리어의 회전으로 하중이 이동되고 이로 인해 응력의 패턴과 영역이 변화


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Step 2. Isight를 이용한 Brake Disk의 설계 탐색과 냉각 최적화

- 효율적인 냉각을 위해 설계 최적화를 통한 평가 방법의 필요성 증대, Isight를 활용하여 통기 구멍의 수, 위치 및 크기에 대한 최상의 조합을 파라미터 기반의 최적화 수행

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- Isight Work Flow

?? a. Data Exchanger - 스크립트를 통한 모델링 자동화 및 설계변수 parsing

?? b. Calculator : 설계 변수에 따른 제동 및 냉각 영역 계산

?? c. ABAQUS : 열 해석 수행

?? d. Simcode : 해석 결과 추출을 위한 스크립트 실행 및 결과 parsing

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- 최적화 결과

?? a. 효과적인 제동을 위한 제동 영역을 충분히 남기면서도 디스크의 최고 온도를 30도 이상 감소시킴

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Step 3. TOSCA Structure를 이용한 위상최적화를 통한 설계 최적화

- TOSCA Structure의?Non-parametric 최적화 기능을 사용하면, 재질의 최적화된 분포를 통해 경량화와 강성을 통시에 만족하는 최적 설계 수행 가능

- 유한요소 해석 모델 구성

- 위상 최적화 작업의 정의 : 디자인 응답(Design Response), 목적 함수(Objective function), 구속 조건(Constraint), 형상 제약조건(Geometric Restrictions)

- 위상 최적화 결과

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Step 4. 구조적 결함을 제거하기 위해 TOSCA Structure를 이용한 형상 최적화

- 캐리어의 높은 응력이 저주기 수명으로 이어질 수 있음. 응력의 핫 스팟(hot spots)영역을 제거하기 위해 최외각 요소절점을 이용하여 위상 최적화를 수행

- 최적화 작업 정의

?? a. 설계영역(Design area) : Cut outs of the carrier

?? b. 목적(Objective) : Minimize stress peaks

?? c. Mass constraint

?? d. 제조상의 제한 조건을 고려

?? e. Structural model

- 형상 최적화 결과

?? a. 응력 분포의 균질화(Homogenized)

?? b. 응력의 최대값이 25% 감소

?? c. 중량은 유지

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Step 5. fe-safe를 이용한 내구해석

- 피로수명은 운전자의 성향과 하중 이력에 따라 차이가 있으며, 따라서 정확한 피로수명 예측을 위해 고급 피로 알고리즘과 다양한 재질의 DB가 요구됨

- 피로수명 해석 결과 비교

?? a. 수명 증가

?? b. 높은 안전 계수 (1.4)

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Summary

- SIMULIA 포트폴리오인 ABAQUS, Isight, TOSCA, fe-safe를 활용하여 Brake rotor의 최적설계에 대한 방법론 제시

- 그 결과, 초기 설계 안에 대하여 다음과 같은 개선 사항 도출

- Total workflow는 첨부 동영상 파일 참조

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-?SIMULIA S/W?및 기술문의 : bhchoi@koreacae.com (070-4187-0214, 010-9274-3496)


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