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[기술특집]차세대 대규모 구조해석 소프트웨어와 주조 프로세스 시뮬레이션 소프트웨어의 연계

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[첨단 헬로티]


미네무라 타카오 (峯村 貴央)   SCSK(주)


오늘날 설계․제조 현장에서 CAE의 활용이 추진되고 있으며, 당사 취급 툴도 설계나 생산 기술의 현장에서 많이 이용되고 있다. 또한 CAE 활용이 추진됨에 따라 실제 기기에서 일어난 현상을 보다 정확하게 재현하고 싶다는 유저 요구가 해마다 증가하고 있다. 



예를 들면 어떤 CAE 툴에서 구한 정확한 온도 분포를 다른 CAE 툴의 해석 조건으로서 활용하는 연계 해석 방법은 일반화되고 있다. 이 글에서는 당사가 취급하는 연구 개발, 제품 설계, 생산 기술, 재료 개발 등 여러 가지 분야용의 해석 툴 중에서 주조 프로세스 시뮬레이션 소프트웨어 ‘MAGMASOFT’와 차세대 대규모 구조해석 소프트웨어 ‘ADVENTURECluster’를 연계시킨 최신 토픽을 소개한다.


주조 프로세스 시뮬레이션 소프트웨어 MAGMASOFT


MAGMASOFT는 독일 MAGMA사가 개발한 주조 프로세스 시뮬레이션 소프트웨어로, 용융 금속의 주형 내의 탕흐름․응고는 물론이고, 잔류응력, 그리고 열처리 프로세스까지 시뮬레이트할 수 있다. 


주조 프로세스 시뮬레이션에 더해 코어의 모래 충전․경화 시뮬레이션 기능도 탑재되어 코어의 제조 프로세스에도 대응하고 있으며, 탕흐름에 동반하는 결함이나 응고 시의 싱크홀 예측, 주물의 잔류응력․변형․균열 예측이 가능하고 주형이나 코어형의 설계와 주조 방안의 최적화가 가능하다(그림 1). 


주조 현장의 공수 절감, 품질․생산성 향상, 제품의 신뢰성 향상으로 이어지고 있다. 그리고 최신판 MAGMA 5.4에서는 다이캐스트용으로 대폭적인 기능 강화가 실시됐다.


1. 슬리브에 대한 주탕․쇼트를 포함한 전체 프로세스에 대응


쇼트 슬리브 내의 주탕을 포함해 쇼트의 전체 프로세스를 실시함으로써 탕면 형상의 확인, 공기 권입이나 싱크홀을 최소화하는 플랜저의 ‘임계 유속’의 검토가 가능해졌다. 또한, 슬리브 내의 용탕 응고를 방지하는 로 내 용탕 온도, 주탕(도징) 공정의 최적화를 지원하고 있다.


2. 스프레이 공정의 상세화



스프레이 공정의 이하의 조건 고려가 가능해지고, 보다 고정도의 온도 분포의 산출이 가능해졌다(그림 2).


조건 : 금형 표면과 노즐 간의 거리, 국부적인 스프레이 효과의 강약, 스프레이 콘 형상, 스프레이 콘의 중첩, 금형의 오버랩, 스프레이 노즐의 오버랩.


3. 냉각관의 유속해석


냉각관 내의 3차원 탕흐름 해석에 의해 부위마다의 흐름 상태를 계산, 여기에서 열전도율을 산출해 주조 시뮬레이션에 반영시킴으로써 부위마다의 전열량을 보다 정확하게 계산하고, 금형의 온도 계산 정도를 향상시킨다(그림 3).



차세대 대규모 구조해석 소프트웨어 ADVENTURECluster


ADVENTURECluster는 ADVENTURE 프로젝트(일본학술진흥회 미래개척추진사업)의 성과인 ADVENTURE 시스템을 베이스로, 얼라이드엔지니어링사(SCSK 그룹 회사)가 개발한 일본산 차세대 대규모 구조해석 소프트웨어이다. 특징은 영역 분할과 반복법을 조합시킨 독자의 해법 CGCG법(특허 제3824582호)에 의해 높은 병열 성능과 메모리 소비량이 절감을 실현했다(그림 4).



이러한 특징을 이용해 기존 적용이 추진되어 온 엔진 부품의 신뢰성 평가에 더해, 사이즈가 크고 매우 많은 부품 수로 구성되는 금형에 대해서도 적용이 추진되고 있다. 금형 설계 공정에서 CAE를 도입함으로써 파손 방지를 위한 강도 평가, 형열림에 의한 버의 발생 대책, 이형 트러블의 사전 예측 등 금형의 신규 설계나 수선 코스트의 절감에 효과를 발휘하고 있다.


MAGMASOFT와 ADVENTURECluster의 연계 해석


MAGMASOFT와 ADVENTURECluster에는 연계 툴(MAGMAlink, ADVENTUREClusterCollabo)가 준비되어 있으며, 이것에 의해 MAGMASOFT에서 구한 온도 분포나 잔류응력을 ADVENTURECluster 모델에 쉽게 맵핑해 사용할 수 있다. 이 때 메시 패턴은 맞출 필요는 없다.


1. 온도 이력을 고려한 금형 고사이클 피로해석


MAGMASOFT로 주조 공정에서의 금형 온도 분포를 구하고, ADVENTURECluster의 해석 모델에 맵핑한다. 여기서 발생하는 열응력 이력을 해석에 의해 구하고, 그 결과로부터 피로안전율을 평가할 수 있다(그림 5). 



피로안전율로부터 형수명을 예측함으로써 피로강도가 낮은 부위의 특정이나 대책 형상의 검토에 이용할 수 있다. 강도․강성을 보증하면서 여육을 가급적 없애는 한계 설계를 지향한 구조 검토․신규 설계에도 도움이 되고 있다.


2. 이형해석


금형 내에서 응고한 제품의 압출 공정을 해석 상에서 모의함으로써 이형 시에 발생하는 트러블을 사전에 대책하는 것이 가능하다(그림 6). 제품의 열수축 과정에서는 복잡하게 변화하는 부품끼리의 접촉 상태를 고려해 서로 붙은 부위의 강약을 평가할 수 있다(그림 7). 



또한 압출 핀에 의한 제품 취출 공정에서는 각 핀에 발생하는 반력이나 응력을 평가함으로써 필요한 핀의 개수 검토나 레이아웃 설계에도 도움이 되고 있다(그림 8).



3. 버 예측


다이캐스트 금형에 성형기에서 출력되는 형체력․용융 금속 충전 시의 충전 압력․형온도를 설정해 해석한다(그림 9, 그림 10). 외력이나 열분포에 의한 금형의 변형을 구해, 실제 기기에서 발생하는 형열림량을 정확하게 예측할 수 있다(그림 11). 버의 발생 유무의 확인, 대책 검토에 이용되고 있다.



4. 잔류응력을 고려한 구조해석


MAGMASOFT로 주조 프로세스에서 발생하는 잔류응력을 구하고, ADVENTURECluster의 해석 모델에 맵핑, 잔류응력을 가진 상태에서 구조해석을 실시함으로써 제품 강도나 피로내구성 평가의 예측 정도 향상으로 이어지고 있다(그림 12).



이 글에서는 MAGMASOFT와 ADVENTURECluster를 연계시켜, 주조 금형이나 제품에서 일어나는 현상을 보다 정확하게 표현하는 방법을 소개했다. 동사는 앞으로도 여러 가지 툴의 활용과 연계를 강화해, 설계 단계부터 트러블 대책까지 여러 가지 상황에서 업무의 도움이 될 수 있는 솔루션을 제공해 갈 계획이다.



















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