構造解析事例 構造物・機械の強度・変形 電子基板の熱変形解析 複合材料構造物の静荷重解析 静荷重解析事例

Presentation on theme: "構造解析事例 構造物・機械の強度・変形 電子基板の熱変形解析 複合材料構造物の静荷重解析 静荷重解析事例"— Presentation transcript:

1 構造解析事例 構造物・機械の強度・変形 電子基板の熱変形解析 複合材料構造物の静荷重解析 静荷重解析事例
구조 해석은 기본적으로는 재료 역학이나 기계 역학의 복잡한 계산을 컴퓨터를 사용하여 보다 간편하게 하기에 다름 없습니다. 그래서 매우 광범위에 적용이 가능하지만 한편으로 해석 모델의 작성 및 해석 기법을 잘못 맞추면 전혀 다른 결과가 나옵니다.이 가운데 나온 결과를 받아들이지 않고 간편한 계산과 경험적인 값과 비교하는 등 결과를 평가하는 것이 중요합니다 構造物・機械の強度・変形 통상의 재료 역학의 계산과 마찬가지로 구조물에 하중이 가해졌을때 깨지거나 깨지지 않거나 혹은 어느 정도 변형되는지를 계산할 수 있습니다. 예를 들면 조립 품질이 요구되고 있을 때 중력이나 하중이 가해져도 요구를 만족할 수 있는지를 예측할 수 있습니다. 구체적인 예로서는, 이송용 암 등은 선단의 변위가 너무 크면 위치 결정 정도가 나빠서 정위치에 물건을 둘수없습니다. 변형량을 줄이도록 설계할 필요가 있지만, 한편으로 동작 속도나 모터의 원동력 등을 생각하면 조금이라도 가볍게 만들 필요가 있습니다. 이런 경우에 사용 상태를 상정하고 파라미터를 흔들고 해석을 함으로써, 보다 가볍고 튼튼한 것을 설계할 수 있습니다. 또 열이 하중을 줄 수도 있습니다. 물체의 온도가 변화하면 열 변형이 생기고, 그 변형량은 재료 고유의 열 팽창 계수에 의해서 결정됩니다. 예를 들어 잔에 뜨거운 물을 부으면 잔의 하부는 가열되고 팽창하려는 것에 윗부분은 팽창하지 않기 때문에 파손하는 경우가 있습니다.이런 문제에 대해서도 해석을 실시할 수 있습니다. 静荷重解析事例 電子基板の熱変形解析 圧入時応力解析 하우징(알루미늄 주조 부품)에 베어링을 압입할 때의 하우징의 응력 분포를 요구하는 하우징 파손 가능성을 해석에서 예측했어요. 맞춤 공차에 의한 응력이 발생한 상태에서, 전체에 하중이 걸리거나 온도 변화가 생길 경우의 응력 상태도 요구할 수 있습니다. 전자 기기의 발열로 인한 기판의 온도 분포의 불균형에 의한 기판이 어떻게 변형될지를 예측했습니다. 별도 실시한 열 전도 해석으로 추구한 온도 분포를 입력 조건으로 하고 있습니다. 複合材料構造物の静荷重解析 액정의 제조에 사용되는 CFRP제 유리 이송용 로봇 핸드에 대해서, 가동 시의 하중을 상정한 정하중 해석을 실시하고 변형량을 예측하였다. CFRP부품은 카본 섬유의 방향을 모의하고 방향에 의해서 다른 강성과 강도를 고려하고 평가할 필요가 있습니다.

2 動特性・振動問題 固有値解析事例 周波数応答解析事例 小型人工衛星の固有振動数・モード形状 正弦波振動試験時の応答加速度・伝達関数・強度
물체는 모두 있는 고유의 진동이라는 것을 가지고 있습니다. 예를 들면 목금의 음판은 하나하나의 길이가 다르기 때문에(고유)진동수가 다르며, 그 때문에 다른 음색이 발생합니다. 일반적으로 크거나 또는 무거우면 진동수가 낮아집니다. 이"고유 진동수"과 같은 주파수로 구조물을 흔들려 공진다면 흔들림이 매우 커지면서 이음이나 진동이 발생하고 최악의 경우에는 구조물이 파손됩니다. 예를 들면 차를 타고 있는 속도로 진동이나 소음이 커지는 그보다 낮은 속도나 빠른 속도에서는 별로 소리와 진동이 크지 않는데 이는 차량의 어딘가가 그때의 엔진과 타이어의 회전에 의한 진동수와 맞아떨어지기 때문입니다. 이 때문에 기계에 따라서는 설계 시 특정 고유 진동수의 회피가 필요합니다. 특히 회전 기계가 회전 수와 공진 주파수가 일치하면 진동이 나오기 쉬우므로 주의가 필요합니다. 고유 진동 해석에 의한 사전에 고유 진동수를 추정할 수 있습니다. 또 이 로봇 팔의 예에서 동작을 빠르게 하려면 급가속과 급정지가 필요하게 됩니다만, 이때에도 고유 진동수가 낮은 진동이 문제가 되는 경우가 있습니다.이 경우 진동 해석(과도 응답 해석)로 급정지를 모의한 해석을 하고 어느 정도 팔 끝이 흔들릴지 예측할 수도 있습니다 固有値解析事例 小型人工衛星の固有振動数・モード形状 재료와 벌집 패널을 이용한 구조물의 고유 진동수와 모드 형상을 구했다. 유효 질량비를 보면 어느 방향에 어느 정도 심한 모드인지, 즉 려진되기 쉬운 모드인지 알게 된다. 周波数応答解析事例 正弦波振動試験時の応答加速度・伝達関数・強度 정현파 진동 시험 때 공시체의 파손을 막기 위한 예측 분석을 실시하고 가속도 측정 점에서 어떤 응답을 발생하는지를 요구, 공시체의 강도를 예측했다. 전달 함수를 보면 가진방향의 유효 질량비가 큰 고유 진동수에 있어서 높은 응답이 생기는 것을 알 수 있습니다. 또 고유 모드에서 큰 진동이 있는 부위에 보다 큰 응답 가속도가 생깁니다. 주파수 응답 해석에서의 복합 재료 구조물의 강도 평가는 매우 복잡하지만 저희 회사에서 개발한 강도 평가 통합 툴에 의한 강도가 크리티칼한 부위를 비주얼로 표시하고 문제 해결이 가능하고 응답 가속도 및 응답 변위의 데이터도 표 계산 소프트웨어인 매크로 기능을 활용하면 효율적으로 처리할 수 있습니다

3 ランダム応答解析事例 ランダム振動試験時の応答加速度PSD・実効値 過渡応答解析事例 地震時の電子機器ラックの応答
무작위 진동 시험 때 구조물 내부의 전자 기기에 발생하는 가속도를 구하고 허용치를 넘지 않는지 평가합니다. 랜덤 응답 해석에서는 몇개의 주파수, 진폭의 입력이 중첩된 불규칙한 무작위 진동에 대한 응답을 해석합니다. 입력과 결과는 파워 스펙트럼 밀도 함수(PSD)과 실효치(RMS)으로 나타납니다. 수송 중이나 사용 환경에 대한 내성을 무작위 진동 시험에 의한 규정된 규격도 많아 시험 전의 분석 예측은 구조체의 설계 및 부품 선정에도 유효합니다. 過渡応答解析事例 地震時の電子機器ラックの応答 지진 발생 시 전자 기기 랙의 응답을 해석하고 부재의 응력이 허용치를 넘지 않는지 인접 구조물에 충돌할 정도의 변위가 생기지 않는지 내부의 기기에 과다한 가속도가 발생하지 않는지 평가했습니다. 과도 응답 해석에서는 하중이 시간과 함께 변화할 경우 구조물이 어떻게 응답하는지를 구할 수 있습니다 。 ※　画像クリックで動画に、ダブルクリックで元に戻ります

4 구조해석에 기초한 설계지원 2. Ｍ：질량을 작게 한다 1. 강성 향상 설계, 진동 대책 3. Ｋ：강성을 올린다
고유 진동수는 물체의 고유 진동으로, 기계에는 공진을 피하기 위해서 특히 중요합니다. 또 고유 진동수를 구하는 것이 고유 진동 해석(혹은 고유치 해석)이며, 해석 결과에 대해서 고유 진동수(고유치)와 모드 형상이 출력됩니다.모드 형상은 진동할 때의 요동을(변형 형상)를 나타내는 것인 고유 진동수와 세트로 평가합니다 。 기계의 설계시에 종종 많이 나오는 문제로 고유 진동수를 올린다는 요구가 있습니다. 목적의 대부분은 공진 현상을 피하는 것이지만, 결과적으로 강도를 증가시키는 것이 많다고 생각됩니다.단 고유 진동수를 올린다는 것은 한정된 설계 조건 속에서는 어려움이 많습니다. 고유 진동수는 가장 단순한 1자유도의 스프링·마스계에서 보면 다음식으로 됩니다 　　　 ・・・(1) 　　　　　　f : 固有振動数 [Hz] 　　　　　　M : 質量 [kg] 　　　　　　K : バネ定数 [N/m] 이식은 매우 단순하지만, 설계를 실시하는 데는 매우 유용합니다.이 식을 생각하면 고유 진동수를 높이려면 M을 작게 하거나, K를 크게 할 수밖에 없어요. 그럼 차례로 생각하고 갑시다 2. Ｍ：질량을 작게 한다 우선 고유 진동수를 올릴때 간단한 방법인 M즉 질량을 줄이는 것을 생각합니다. 중요한것은 질량을 가볍게 하면 고유 진동수가 올라간다는 단순한 이야기입니다. 예를 들면 10kg으로 10Hz의 고유 진동수의 부품이 있었다고 합니다. 이를 10%경량화하고 9kg로 했다고 하면 10Hz× √(10/9)=10.5Hz입니다.즉 고유 진동수가 5%향상하게 됩니다 。 다만 여기에서 주의가 필요한 것은 상기는 어디까지나 스프링 끝에 질량이 붙어 있는 전체 질량이 고유 진동수와 맞물릴 경우의 이야기입니다. 실제로는 질량은 분포하며 물체의 형상으로 효과가 달라집니다.예를 들면 일부분만 떨리는 경우에는 그 떨리는 부분만 경량화하면 이런 효과가 얻어지지만, 구조물 전체가 흔들리고 있는 경우에는 효과는 적어집니다. 이런 때에 고유 진동 해석의 결과로 얻어지는 모드 형상은 어디가 흔들리고 있는지를 파악하기 위해서 중요한 정보가 됩니다. 또 하나의 주의점으로서, 가볍게 한다는 것은 단면적을 줄이고 판 후(판두께)을 줄이는 등 강성을 낮추기로 이어질 수 있습니다. 바꾸어 말하면 경량화도 강성(K)가 저하하고 질량의 하락 분을 상쇄하고 버려서는 아무런 득이 없습니다.이런 경우는 강도적인 관점에서도 좋지 않은 방향이 되기 때문에 유의할 필요가 있습니다. 자, 이런 주의점은 있지만"경량화"란 사용하는 재료도 줄고, 그것 말고도 많은 경우에 기계는 경량화가 요구됨으로 고유 진동수 향상을 위한 대책으로서는 매우 바람직한 대안으로 생각됩니다. 3. Ｋ：강성을 올린다 다음에 K, 즉 강성을 향상시키는 방법에 대해서 생각하고 갑니다. 이쪽이 구체적 방안으로는 다양하며 실제 설계 사례도 전술한 경량화보다는 훨씬 많습니다. K를 올릴는 경우 여러 경우에 경우 분류하다고 생각하기 쉽게 됩니다.예를 들어 다음과 같은 것을 생각할 수 있습니다 3.1 재료의 강성을 올린다. 이는 가장 손쉽게 할 수 있는 방법이지만 철계의 재료(탄소 강철, SUS등)를 사용하는 경우에는 그 이상의 종탄성 계수를 가진 재료가 필요하고 어려워집니다.알루미늄을 사용하고 있는 경우에는 철계의 재료로 하는 등의 선택 사항이 나옵니다만, 한편 알루미늄 철로 하면 밀도가 2.8배로 질량이 크게 증가하게 주의가 필요합니다. 이런 경우에 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)를 사용하면 질량을 줄이고, 더욱이 강성을 향상할 가능성이 있습니다

5 4. 견고한 설계, 파라메터 스타디 5. 복합재료 설계 3.2 部材의 강성을 올린다 3.3 振動되는점을 구속한다
단순한 케이스로는 부재의 단면적을 키우면서 판 후(판두께)을 증가 등이 생각됩니다. 예를 들면 한쪽만 지지되는 보의 경우 고유 진동수는 단면 2차 모멘트가 관여합니다. 그러므로 단면 2차 모멘트를 증가시키면 고유 진동수도 올라갑니다. 또 평판 면 외 모드는 평판에 리브를 추가하기로 향상시킬 수 있습니다.이것은 부분적으로 판 두께을 증가시키는 것과 같은 것입니다 3.3 振動되는점을 구속한다 가장 단순한 이야기로서는 편측보에서 양단고정보로 하면 고유 진동수는 비약적으로 올라옵니다. 다만 실제 구조물 설계 상의 제약 조건이 있고, 그렇게 간단하지 않습니다. 다만, 모드 형상을 살펴보고 어디가 흔들리는지 알면 대책이 가능한 것도 있습니다. 대책의 기본은 모드를 잘 확인하고 (모드 변형이 큰 것)을 구속하는 것입니다. 거꾸로 모드의 연결이 되는 곳을 구속시켜도 고유 진동수의 향상은 기대할 수 없습니다. 4. 견고한 설계, 파라메터 스타디 가공 정도의 상한 값과 하한 값에 파라미터를 흔들고 해석을 실시하고 목표 성능을 만족하는지 확인하거나 반대로 목표 성능에 대해서 어디까지 정밀도를 완화할수 있는지를 검토하기 위해서도 해석을 사용할 수 있습니다.이러한 접근 방식은 품질 공학과 실험 계획 법과 조합하고 견고 설계를 추구한다는 것도 가능합니다 5. 복합재료 설계 5.1 CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic : 탄소섬유 강화 플라스틱)은 복합 재료의 일종으로, 탄소 섬유(장섬유)을 한쪽 방향으로 나열하기도 직물로 한 것을 수지로 정한 것이며 가볍고 튼튼한 때문에 항공기를 비롯한 스포츠 용품(낚싯대나 골프 채)등에 사용됩니다. 단 섬유의 방향별 특성이 크게 다르기 때문에, 희망의 특성을 얻기 위해서는 구조물의 형태나 하중이 걸리는 방법을 고려하고 섬유의 종류나 방향(섬유 배향)등의 조합을 결정할 필요가 있습니다. 여기서는 장섬유를 전제로 설명하지만 이 밖에 짧은 섬유가 있습니다.짧은 섬유의 경우에는 섬유가 랜덤으로 배열하는 특성이 방향 의존이 낮아집니다 5.2 성형전 재료 주로 하기 3종입니다 실 탄소 섬유의 실직물이나 파이프 모양의 것에 감고(필라멘트 와인딩)사용. 직물 탄소 섬유를 짠 직물, 층상으로 한 것. 프리프레그(강화섬유) 탄소 섬유를 한 방향으로 나란히 층상으로 수지를 개량한 것. 위의 직물에 수지를 개량한 것도 있다.

6 5.3 CFRP의 특징 5.4 注意点 5.5 CFRP의 메릿트 섬유 방향은 강도·강성이 높다(강철의 몇배)
섬유 방향은 선 팽창 계수가 작다(-2×10-6~+2×10-6/K) 참고 쇠:12×10-6/K, 알루미늄:23×10-6/K 밀도가 작다(1.6~1.7g/cm3) 참고 쇠:7.9g/cm3알루미늄:2.7g/cm3 섬유와 직각 방향은 수지의 특성이 지배적 섬유로 전도성이 있다 5.4 注意点 현재 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)에는 강도 면에서 에폭시 수지 등 열 경화성 수지가 사용되고 있으며, CFRP의 일반적인 공법이며 오오토 클레이브 팽창형은 탄소 섬유 시트에 열 경화성 수지를 개량한 시트(프리프레그)을 금형상에 적층 하고 백에 덮은 후에 진공 흡입과 가열에 의한 성형하고 있습니다 5.5 CFRP의 메릿트 이러한 특징을 살림으로써 방향을 한정하면 강철을 웃도는 높은 강성을 얻으면서 경량화·저 열 변형을 실현할 수 있습니다. 힘이 걸리는 방향을 어는정도 방식이 어느 정도 확인할 수 있을 것(ex. 트러스 부재)에 사용하는 경우에 효과를 충분히 발휘할 수 있습니다 섬유와 직각 방향은 강도·강성 함께 약하다 전단 하중이 가세할 경우에는 45도 방향에도 섬유를 넣는다 제조성(성형시의 균열과 찢어짐)에 주의가 필요 등방성화(어느 방향에서도 강도·강성이 같도록 섬유를 지향하면 그다지 중량 장점이 없는 가격을 생각하면 중량의 제약이 없으면 강철과 알루미늄 합금이 사용하기 쉬운 복잡한 형상은 구성하기 어렵다 강도·강성 평가가 복잡한(CAE가 필수)