성형 시뮬레이션이란 무엇인가요? | 전체 가이드 + Abaqus 시뮬레이션

금속 성형 시뮬레이션은 유한 요소 분석(FEA) 도구를 사용하여 금속 성형 작업을 복제하는 계산 과정입니다.

금속 성형은 금속을 기능성 부품으로 성형하는 데 가장 널리 사용되는 제조 공정 중 하나입니다. 자동차 차체 패널부터 항공우주 구조 부품에 이르기까지, 성형 공정은 금속의 큰 소성 변형을 수반하며, 성능에 영향을 줄 수 있는 얇아짐, 주름, 잔류 응력과 같은 결함을 방지하기 위해 정밀한 제어가 필요합니다.

Abaqus와 같은 고급 시뮬레이션 도구의 등장으로 엔지니어는 이제 값비싸고 시간이 많이 걸리는 물리적 시험 없이도 성형 공정을 가상으로 재현하고, 결과를 예측하고, 제조 매개변수를 최적화할 수 있습니다.

이 블로그에서는 Abaqus에서 다양한 유형의 금속 성형을 정확하게 모델링하는 방법을 살펴보며, 특히 판금 성형, 냉간 성형, 레이저 성형에 중점을 둡니다. 필요한 재료 및 속성, 솔버 선택, 일반적인 과제, 그리고 시작하는 데 필요한 리소스에 대해 자세히 알아보겠습니다.

What is Metal Forming Simulation?

금속 성형 시뮬레이션은 유한요소해석(FEA) 도구를 사용하여 금속 성형 작업을 재현하는 계산 과정입니다. 재료 특성, 금형 형상, 접촉 조건 및 하중 순서를 입력하여 시뮬레이션을 통해 금속의 변형 방식, 응력 집중 위치, 그리고 하중 제거 후 최종 형상의 거동을 예측합니다.

Why is It Important?

성형 공정을 시뮬레이션하면 엔지니어가 다음과 같은 이점을 얻을 수 있습니다.

• 얇아짐이나 균열 등의 결함을 예측합니다.
• 도구 설계와 공정 매개변수를 최적화합니다.
• 스프링백과 잔류응력을 평가합니다.
• 제조 과정에서 시행착오를 줄입니다.
• 물리적 프로토타입 제작에 따른 시간과 비용을 절감하세요.

Common Industries and Use Cases

성형 시뮬레이션은 자동차, 가전제품, 중장비, 혁신적 설계 탐색, 항공우주 등의 산업에 적용 가능한 다양한 프로세스에 사용됩니다.

그림 1: 현대 제조를 위한 성형 시뮬레이션

그림 2: 칩 형성 공정 시뮬레이션

What are the Types of Forming Simulation?

다양한 성형 공정에는 전문적인 시뮬레이션 접근법이 필요합니다. 가장 일반적인 방법으로는 판금 성형, 냉간 성형, 열간 성형, 레이저 성형 등이 있습니다.

1. 판금 성형

판금 성형에는 딥 드로잉, 스탬핑, 굽힘, 스트레치 성형과 같은 공정이 포함되며, 여기서는 얇은 판이 다이와 펀치로 성형됩니다.

• 과제: 큰 플라스틱 변형, 얇아짐, 주름 및 스프링백을 처리합니다.
• 모델링: 일반적으로 얇은 형상으로 인해 쉘이나 멤브레인 유한 요소를 사용합니다.

당신은 우리의에서 더 많은 것을 배우고 더 많은 연습을 할 수 있습니다 형성을 위한 튜토리얼.

2. 냉간 성형

냉간 성형 공정은 상당한 열 입력 없이 실온 또는 실온 근처에서 금속을 소성 변형시킵니다.

• 프로세스: 롤포밍, 프레스브레이킹, 압출.
• 집중하다: 소성 변형, 잔류 응력, 스프링백을 예측합니다.
• 모델링: 2D/3D 시뮬레이션에 평면 변형률이나 고체 요소를 사용하는 경우가 많습니다.

그림 3: 냉간 성형 시뮬레이션

냉간 성형 시뮬레이션의 전체 세부 정보를 확인하세요. 전체 튜토리얼.

3. 레이저 성형

레이저 성형은 레이저 빔을 사용하여 국부적인 가열과 열팽창을 통해 형상 변화를 유도합니다.

• 이익: 비접촉식 굽힘, 정밀한 제어.
• 시뮬레이션: 과도 가열 및 응력 진화를 모델링하려면 열-기계적 분석이 결합되어야 합니다.
• 특수 기술: 사용자 서브루틴(DFLUX)을 사용하여 이동 레이저 열 플럭스를 적용합니다.

그림 4: 레이저 성형 공정

우리의 서브루틴 파일과 함께 레이저 성형 시뮬레이션의 전체 세부 정보를 얻으십시오. 지도 시간.

4. 열간성형 및 첨단기술

열간 스탬핑, 초소성 성형, 증분형 시트 성형과 같은 공정에는 높은 온도나 새로운 메커니즘이 필요합니다.

• 메모: 여기에는 고급 재료 모델과 열 결합이 필요하며, 일반적으로 이에 대한 내용은 전용 튜토리얼에서 다룹니다.

What Materials and Properties Work Best for Forming Simulations?

성형 시뮬레이션에는 정확한 재료 데이터가 필수적입니다. 금속은 성형 과정에서 소성 변형, 변형 경화, 그리고 때로는 손상이나 파손을 겪습니다.

가소성 모델링

• 수확량 기준: 대부분의 형성 금속은 폰 미제스 항복 기준을 따릅니다.
• 강화 모델: 등방성 경화(균일한 강화) 또는 운동학적 경화(바우싱거 효과).
• 변형률: 일부 금속은 속도 민감도를 보이며, 변형률 속도에 따라 달라지는 모델은 정확도를 높입니다.

손상 및 실패

• 연성 손상 모델: 균열이나 네킹의 시작과 진화를 포착합니다.
• 파괴 기준: 금속판의 찢어짐이나 갈라짐을 예측하는 데 사용됩니다.

일반 금속에 대한 권장 속성

• 강철: 유동 곡선, 항복 응력, 인장 강도, 변형 경화 지수.
• 알류미늄: 강도는 낮고, 연성은 높음 - 변형률 속도 효과가 중요함.
• 티탄: 높은 강도 대 중량 비율로, 세부적인 가소성 모델이 필요합니다.

재료 데이터 소스

• 실험적 인장 시험 및 경도 측정.
• 문헌 및 자료 데이터베이스.
• 제조업체 데이터 시트.

How to Simulate Sheet Metal Forming in Abaqus

판금 성형 시뮬레이션은 현실적인 결과를 보장하기 위해 신중하게 설정해야 합니다.

기하학과 원소

• 사용 쉘 요소 (S4R, S4)는 얇은 금속판을 효과적으로 표현합니다.
• 두께를 정확하게 정의하세요. 쉘 요소는 본질적으로 두께를 고려합니다.

경계 조건

• 변위 또는 속도 경계 조건을 사용하여 도구 부품(다이, 펀치)을 고정합니다.
• 적절한 클램핑 제약 조건을 적용하여 변형 가능한 금속판을 모델링합니다.

접촉과 마찰

• Abaqus 접촉 알고리즘을 사용하여 도구와 시트 간의 접촉 상호 작용을 정의합니다.
• 현실적인 마찰 계수(예: 쿨롱 마찰 0.1~0.3)를 사용하여 금속 도구의 미끄러짐을 시뮬레이션합니다.

재료 모델링

• 등방성/운동학적 경화를 적용하여 탄성-소성 구성 법칙을 적용합니다.
• 성형 속도가 빠른 경우 변형률 속도 의존성을 포함합니다.

일반적인 과제와 해결책

• 솎아내기: 변형률 분포를 모니터링하세요. 과도한 희석은 파손으로 이어질 수 있습니다.
• 주름: 적절한 경계 제약 조건과 압축 응력을 모델링합니다.
• 스프링백: 하중 제거 단계를 사용하여 탄성 회복을 시뮬레이션하고 실험을 통해 검증합니다.

Abaqus Forming Simulation | Example: Deep Drawing Analysis

아래 그림과 표에 제시된 기하학적 및 기계적 사양을 활용하여 원통형 용기의 딥 드로잉 공정을 시뮬레이션하십시오. 이어서, 이 작업을 수행하는 데 필요한 펀치의 힘을 계산하십시오. 펀치는 시트 내부로 60mm 하강합니다.

그림 5: 심층 드로잉 스케치

1단계: 기하학적 모델링(부품 모듈)

각 구성 요소는 Part 모듈 내에서 생성됩니다. 각 구성 요소에 이름을 지정하여 정확도와 효율성을 높여보세요!

시트 모델링

다음 경로를 통해 Sketch 환경에 액세스하세요.

부품→ 생성→ 이름: 공백; 축대칭; 변형 가능; 셸; 대략적인 크기: 0.3

펀치를 모델링하려면 다음 경로를 따르세요.

부품→ 생성→ 이름: 펀치; 축대칭; 해석적 강체; 와이어; 대략적인 크기: 0.2

2단계: 기하학적 및 기계적 속성 설정(속성 모듈)

재료 생성 도구를 사용하여 새 재료를 생성하고, 재료 이름에 Steel을 입력하고, 밀도, 영률, 푸아송 비에 각각 2e11과 0.3인 7800을 입력합니다. 그런 다음 같은 대화 상자에서 경로를 선택합니다.

기계적 → 가소성 → 플라스틱

아래 그림을 사용하여 플라스틱의 특성을 설명해보세요.

그림 6: 재료 속성 정의

3단계: 모듈 조립

이 모듈에서는 시트와 같은 독립 모드에서 모든 구성 요소의 인스턴스를 생성합니다.

인스턴스 → 생성 → 비우기 → 적용

그림 7: 어셈블리 모델

4단계: 솔루션 유형 정의(단계 모듈)

명시적 방법을 사용하여 시트의 딥 드로잉을 분석하는 데는 한 단계만 필요합니다(암시적 방법을 사용하는 경우 여러 단계가 필요하기 때문에 언급했습니다). 따라서 '시간 간격'을 0.007로 설정하고 동적 명시적 유형의 '딥 드로잉'이라는 이름의 단계를 생성합니다.

5단계: 연락처 정의(상호 작용 모듈)

먼저, 상호작용 모듈에서 두 가지 상호작용 속성을 정의하여 접촉 표면의 기계적 속성을 정의합니다. 첫 번째 특성은 마찰이 없는 것으로 정의되는 시트와 펀치 사이의 접촉 표면(마찰 없음이라고 함)이고, 두 번째 특성은 두 가지 표면, 즉 마찰이 0.1인 시트가 있는 블랭크 홀더와 시트가 있는 매트릭스에 속합니다.

절차는 아래와 같습니다.

그림 8: 연락처 정의

두 번째 경우에는 페널티 옵션을 선택하여 마찰을 정의하고 '마찰'이라는 이름을 지정합니다.

6단계: 하중 적용(모듈 하중)

현재 분석의 목표는 펀치 운동과 블랭크 홀더 힘을 아래 경로에 부드러운 함수 형태로 적용하고 그림에 따라 계산하는 것입니다. (하중이 크게 가속되어 준정적 상태를 유지하는 것을 원하지 않기 때문입니다.)

도구 → 진폭 → 만들기 → 이름: 진폭 로드, 유형: 부드러운 단계 → 계속.

7단계: 메싱

시트를 메시로만 맞추면 됩니다.

그림 9: 메싱

8단계: 문제 해결(직무 모듈)

문제를 해결하기 위해 작업 모듈로 이동하여 Deep이라는 제목의 새 작업을 생성합니다. 문제를 해결한 후 "결과" 버튼을 클릭하여 결과를 확인하세요.

9단계: 결과 검토(시각화 모듈)

모델을 저장하고 원하는 결과를 관찰합니다.

그림 10: 딥 드로잉 결과

튜토리얼에 대한 자세한 내용을 보려면 전체 PDF를 다운로드하고 여기에서 전체 가이드에 액세스할 수 있습니다.

성형 공정 시뮬레이션 전체 가이드 PDF

Which Abaqus Solver Should You Use for Forming Simulation?

시뮬레이션을 위해 Abaqus/Standard와 Abaqus/Explicit 중 하나를 선택할 때 중요한 것은 솔버의 강점과 프로세스의 복잡성을 일치시키는 것입니다. 간단하게 시작해서 필요한 경우 전환하면 됩니다.

Abaqus/명시적

• 심각한 접촉, 복잡한 비선형성, 큰 변형이 있는 시뮬레이션에 가장 적합합니다.
• 매우 동적인 성형 작업이나 표준 솔버가 수렴하지 못할 때 적합합니다.
• 명시적인 시간 통합 방식을 사용합니다. 복잡한 접촉에 대해 계산 집약적이지만 안정적입니다.

Abaqus/표준

• 원활한 로딩이 가능한 준정적 프로세스에 적합합니다.
• 암묵적 시간 적분을 사용합니다. 많은 경우 수렴 속도가 빠르지만 심각한 접촉이나 복잡한 물질적 거동에는 어려움을 겪을 수 있습니다.

솔버 선택을 위한 팁

• 간단한 성형 단계에는 표준 솔버로 시작하세요.
• 수렴 문제가 발생하거나 접촉이 매우 비선형적인 경우 명시적 방식으로 전환합니다.
• Explicit에서 대량 스케일링을 사용하여 계산 시간을 줄이되 물리적 정확도를 주의 깊게 모니터링합니다.

How Do You Ensure Accurate Results in Forming Simulations?

시뮬레이션을 형성할 때 정확한 결과를 보장하려면 고품질 메싱, 적절한 수렴 제어, 질량 스케일링의 신중한 사용, 철저한 후처리 검증에 집중하세요.

메시 품질 및 크기

• 중요한 변형 구역에서는 더 세밀한 메시를 사용합니다.
• 계산 리소스에 맞춰 메시 밀도의 균형을 맞춥니다.

융합 제어

• 접촉 상태를 모니터링하고 페널티 매개변수를 조정합니다.
• 가능하다면 자동 안정화 기능을 사용하세요.

명시적 대량 확장

• 인공 질량을 조심스럽게 추가하여 안정된 시간 증가량을 늘리세요.
• 더 작은 타임스텝 실행에 대한 결과를 검증합니다.

후처리 검사

• 두께 분포를 검사하여 얇아짐을 확인합니다.
• 스프링백 각도를 평가하고 실험 또는 분석 데이터와 비교합니다.
• 잔류응력 패턴을 분석합니다.

결론

이 블로그에서는 Abaqus를 사용하여 판금, 냉간 성형 및 레이저 성형 시뮬레이션을 정확하게 모델링하는 방법을 살펴보았습니다. 다양한 성형 공정 유형을 이해하고, 적절한 재료 특성을 선택하고, 적절한 솔버와 메시 구성을 설정함으로써 박화, 스프링백, 잔류 응력과 같은 일반적인 문제를 효과적으로 예측하고 해결할 수 있습니다.

Abaqus의 다재다능한 도구(명시적 및 표준 솔버부터 열-기계 결합까지)를 사용하면 복잡한 성형 작업을 자신 있게 시뮬레이션할 수 있습니다. 다양한 튜토리얼과 시뮬레이션 패키지를 통해 성형 시뮬레이션을 시작하고 실력을 향상시키는 것이 그 어느 때보다 쉬워졌습니다. 산업 분야든 연구 분야든, Abaqus는 성형 공정을 최적화하고 제품 개발을 가속화하는 강력한 플랫폼을 제공합니다.

그만큼 CAE 보조원 저희는 고객님의 모든 CAE 요구 사항을 충족하기 위해 최선을 다하고 있으며, 고객님의 피드백은 이러한 목표 달성에 큰 도움이 됩니다. 궁금한 점이 있거나 문제가 발생하면 WhatsApp을 포함한 소셜 미디어 계정을 통해 언제든지 공유해 주세요.

모든 수준의 사용자를 위한 무료 PDF 가이드와 자세한 동영상이 포함된 포괄적인 Abaqus 튜토리얼 페이지를 살펴보세요. 무료 및 프리미엄 패키지와 함께 Abaqus를 효율적으로 마스터하는 데 필요한 필수 정보를 확인하세요. Abaqus 여정을 시작하세요. Abaqus 튜토리얼 지금!