볼트 접합은 자동차, 기계, 건물, 교량 등 어디에나 있습니다. 하지만 볼트는 단순히 물체를 고정하는 데 그치지 않습니다. 하중을 견디고, 장력을 받으면 늘어나며, 심지어 파손될 수도 있습니다. 따라서 볼트를 시뮬레이션할 때는 제대로 된 작업이 필요합니다.
Abaqus는 볼트, 특히 예압을 모델링하는 여러 가지 방법을 제공합니다. 예압은 볼트를 조인 후 부품을 결합하는 힘입니다. 예압은 접합부의 거동, 강성, 그리고 분리 또는 파손 가능성에 영향을 미칩니다. 시뮬레이션에서 예압을 무시하면 부정확한 결과가 발생할 수 있습니다.
이 블로그에서는 Abaqus 볼트 하중을 적용하는 방법을 살펴봅니다. 간단한 타이 구속조건부터 세부적인 솔리드 볼트 모델링까지 다양한 모델링 방법을 살펴보겠습니다. 또한 힘 또는 수축을 사용하여 예압을 적용하는 방법과 각 방법을 언제 사용해야 하는지 알아봅니다. 이 가이드는 Abaqus 볼트 연결부에서 볼트 거동을 더욱 정확하게 시뮬레이션하는 데 도움이 됩니다.
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볼트와 조인트는 건물, 교량, 기계 등 다양한 엔지니어링 구조물의 안정성과 구조적 무결성에 중요한 역할을 합니다. 볼트는 여러 구성 요소를 고정하거나 연결하는 데 사용되어 하중을 전달하고 하중 경로의 연속성을 보장합니다. 조인트는 구조 요소를 연결하여 전체적인 안정성을 유지하면서 이동하고 변형할 수 있도록 합니다. 볼트와 조인트의 적절한 설계 및 선택은 구조물의 안전성과 내구성을 보장하는 데 매우 중요합니다. 볼트와 조인트를 선택할 때는 하중의 종류, 사용 재료, 환경 조건 등의 요소를 고려해야 합니다. 볼트와 조인트를 적절하게 설계하고 설치하지 않으면 구조물의 심각한 파손으로 이어질 수 있습니다. 이 패키지에서는 볼트와 조인트를 모델링하고, 실제 사례를 통해 연결부의 파손 및 기타 문제를 시뮬레이션하는 방법을 배웁니다.
A Quick Overview of Bolt and Abaqus Bolt Modeling
Bolted joints are everywhere, in buildings, cars, machines, and bridges. They connect parts. They hold things together. But they don’t just sit there. They carry loads. They stretch. Sometimes they even fail.
볼트 모델링이 중요한 이유가 바로 여기에 있습니다. 실제로 볼트는 당기거나, 전단하거나, 비틀리는 것과 같은 힘에 저항해야 합니다. 시뮬레이션에서는 이러한 거동을 신중하게 표현해야 합니다. 너무 단순화하면 결과가 잘못될 수 있습니다. 바로 이 부분에서 Abaqus 볼트 하중이 중요한 역할을 합니다.
Abaqus에서는 여러 가지 방법으로 볼트를 시뮬레이션할 수 있습니다. 예압을 적용하여 조임 상태를 시뮬레이션할 수 있고, 볼트가 주변 플레이트와 어떻게 상호 작용하는지 정의할 수 있습니다. 볼트를 완전한 3D 부품 또는 단순화된 커넥터로 모델링할 수도 있습니다. 각 접근 방식은 서로 다른 목표에 부합합니다.
그림 1: 볼트 연결의 예 [참조]
볼트 시뮬레이션이 중요한 이유는 무엇인가요?
- 볼트는 관절의 강성에 영향을 미칩니다.
- 그들은 하중이 한 부분에서 다른 부분으로 어떻게 전달되는지 제어합니다.
- 피로와 같은 어떤 경우에는 하중이 작아 보여도 시간이 지나면서 볼트가 파손될 수 있습니다.
So, understanding Abaqus bolt connection methods helps us model reality better. Whether you’re analyzing a steel frame or a car suspension, simulating bolts the right way makes a difference.
What is Bolt Pretension (Preload)?
실제로 볼트를 조일 때는 볼트를 늘립니다. 이 늘림은 연결된 부분을 서로 연결하는 힘을 생성합니다. 이 힘을 예압(pretension) 또는 예하중(preload)이라고 합니다.
- 예:
Let’s say you’re changing a car tire. You put the wrench on a wheel bolt, then use your leg to push it down hard. You might hear a sharp sound as the bolt stretches slightly. That noise isn’t the bolt breaking; it’s the sound of tension building inside the bolt as it stretches and tightens. What you’re doing here is applying preload. You’re pulling the bolt, creating internal force that clamps the wheel to the hub. This force helps keep the wheel secure while driving.
그림 2: 예압(예하중)을 가하기 전과 후의 볼트
Why Apply Preload?
볼트를 조이면 볼트가 늘어납니다. 이 늘어남은 볼트에 인장력을 발생시켜 연결된 부품들을 서로 잡아당깁니다. 동시에 플레이트를 단단히 고정하는 클램핑력도 발생합니다. 이것이 예압입니다.
예압은 내부 그립과 같은 역할을 합니다. 접합부를 단단히 고정합니다. 외부 하중이 플레이트를 분리하려고 할 때에도 예압을 먼저 극복해야 합니다. 즉, 볼트가 열리거나 미끄러지기 전에 더 많은 저항을 견딜 수 있다는 의미입니다. 바로 이것이 예압이 중요한 이유입니다.
시뮬레이션에서 Abaqus 볼트 하중을 적용하면 이 중요한 효과가 재현됩니다. 이 기능이 없으면 Abaqus 볼트 연결부가 너무 약하게 작용하거나 너무 빨리 분리되어 잘못된 응력 또는 파손 예측으로 이어질 수 있습니다.
How to Specify Bolt Preload?
예압은 일반적으로 다음을 사용하여 계산됩니다. 토크 기반 공식.
토크 렌치로 볼트를 조이는 경우 다음을 사용하세요.
어디:
- 에프피 예압력(N)은
- T는 조임 토크(N·m)입니다.
- K는 토크 계수(윤활에 따라 ~0.2~0.3)입니다.
- d는 공칭 볼트 직경(m)입니다.
재료 기반 목표 예압
Some standards suggest using 75%–90% of the bolt’s yield strength to avoid over-tightening.
어디:
볼트의 인장 응력 면적입니다
볼트 재료의 항복 강도입니다
볼트의 인장 응력 면적입니다
볼트 재료의 항복 강도입니다Abaqus에서 예압을 적용하는 방법은 다양하며, 이는 볼트 및 볼트 접합부 모델링 유형에 따라 달라집니다. 따라서 다음 섹션에서는 볼트 접합부 모델링에서 Abaqus를 사용하여 예압을 적용하는 방법을 살펴보겠습니다.
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볼트와 조인트는 건물, 교량, 기계 등 다양한 엔지니어링 구조물의 안정성과 구조적 무결성에 중요한 역할을 합니다. 볼트는 여러 구성 요소를 고정하거나 연결하는 데 사용되어 하중을 전달하고 하중 경로의 연속성을 보장합니다. 조인트는 구조 요소를 연결하여 전체적인 안정성을 유지하면서 이동하고 변형할 수 있도록 합니다. 볼트와 조인트의 적절한 설계 및 선택은 구조물의 안전성과 내구성을 보장하는 데 매우 중요합니다. 볼트와 조인트를 선택할 때는 하중의 종류, 사용 재료, 환경 조건 등의 요소를 고려해야 합니다. 볼트와 조인트를 적절하게 설계하고 설치하지 않으면 구조물의 심각한 파손으로 이어질 수 있습니다. 이 패키지에서는 볼트와 조인트를 모델링하고, 실제 사례를 통해 연결부의 파손 및 기타 문제를 시뮬레이션하는 방법을 배웁니다.
Common Approaches to Abaqus Bolt Connection Modeling
Abaqus에서 볼트를 모델링하는 방법은 여러 가지가 있습니다. 속도, 정확도, 또는 고장 예측 등 목표에 따라 선택해야 합니다. 볼트 모델링은 단순화된 방법과 세부적인 방법으로 나눌 수 있습니다. 각 방법을 단계별로 살펴보겠습니다.
Not Preloaded Bolt Modelling
이 유형은 조임 동작을 시뮬레이션하지 않고 부품만 고정해야 할 때 유용합니다. 더 빠르고 쉽지만 실제 예압 작용이 부족합니다.
Tie Connection
두 개의 표면을 용접하는 것과 비슷하다고 생각하시면 됩니다. 구멍 표면이나 판 사이에 연결 구속조건을 사용합니다.
- 쉽고 빠릅니다
- 볼트 형상이 필요하지 않습니다
- 분리 또는 예압은 허용되지 않습니다.
다음과 같은 경우에 사용하세요: 볼트의 힘이나 분리는 중요하지 않고, 단단한 연결만 중요합니다.
This method is often used when you’re not analyzing the bolt itself but just want to connect two parts firmly in your model. It’s great for early design stages or when you’re testing load paths in a large assembly. But keep in mind it doesn’t simulate real bolt behavior, so you can’t capture loosening, gapping, or clamping effects.
그림 3: 조인트용 타이 연결 샘플
위 그림에서 볼 수 있듯이 판 표면 사이의 연결 제약 조건이 유효하며 볼트는 연결에 아무런 역할을 하지 않습니다.
Rigid Beam Element Connector
이 방법은 요소 커넥터를 사용하여 조인트를 가로지르는 두 개의 참조점이나 표면을 연결합니다.
- 커넥터는 볼트의 강성을 나타냅니다.
- 기하학이나 예압을 시뮬레이션하지 않습니다.
- 힘과 모멘트를 전달할 수 있습니다
This method is like placing a strong rod between parts. It can simulate the stiffness of a bolt, but it doesn’t include the contact between the bolt head, nut, and plates. It’s useful when you’re more interested in the global response of the assembly than the exact bolt stress. But again, no preload and no contact effects are captured. Generally, element connectors help us reduce simulation cost and make it easier for users by modelling simply.
이 방법을 사용하려면 먼저 사용자가 구멍을 제어점(참조점)에 연결해야 합니다.
그림 4: 제어점에 구멍 결합
이 결합은 운동학적 결합(RBE2)이어야 합니다. 그러나 분포를 선택하는 것은 가능하지만 계산 비용이 더 많이 듭니다.
그림 5: 운동학적 결합(RBE2)
다음 그림에서 볼 수 있듯이 이제 구멍이 참조점에 결합되었습니다.
그림 6: 참조점에 대한 영화적으로 결합된 구멍
상호작용 모듈의 다음 단계에서는 커넥터 빌더를 사용하여 사용자가 지점 간에 커넥터를 구축해야 합니다.
그림 7: 두 컨트롤러 지점 간 커넥터 구축
위 그림에서 먼저 사용자는 좌표계를 생성하고 커넥터와 평행한 축을 선택해야 합니다. 두 번째로 커넥터 단면을 선택해야 합니다. 해당 단면이 없으면 새로 만들어야 합니다. 다음 그림에서는 선택된 "연결 범주"가 "조립/복합"이고 "연결 유형"이 "빔"인 것을 보여줍니다.
그림 8: 커넥터 섹션 만들기
마지막으로, 다음 그림에서는 참조 지점 사이에 볼트 연결을 나타내는 빔 요소 커넥터가 있는 것을 볼 수 있습니다.
그림 9: 볼트 연결을 대표하는 보 요소 커넥터
Preloaded Bolt Modelling
여기서는 실제 볼트 조임, 예압, 클램핑, 때로는 파손까지도 시뮬레이션합니다.
Translator Element Connector
이는 볼트 축을 따라 작용하는 축 변환기와 같은 커넥터 요소를 사용합니다.
- 힘 또는 길이로 적용되는 예압
- 자세한 볼트 모양이 없습니다.
- 솔리드 볼트 모델링보다 빠름
볼트의 거동을 시뮬레이션하는 디지털 스프링이라고 생각하면 됩니다. Abaqus를 사용하면 볼트 하중(힘 또는 축 방향 수축)을 적용하여 조임 시뮬레이션을 수행할 수 있습니다. 특히 대형 모델에서 예압 효과를 매우 잘 포착합니다. 하지만 플레이트와의 접촉을 모델링하지 않기 때문에 국부 응력 집중과 접합 마찰을 간과할 수 있습니다.
이 방법은 보 요소 커넥터와 매우 유사합니다. 모든 시뮬레이션 단계는 동일하지만, 커넥터 단면을 생성할 때 연결 유형을 "변환기"로 선택해야 합니다. 이렇게 하면 모델에 예압을 적용할 수 있습니다.
그림 10: 적절한 연결 유형 선택
이제 예압을 적용하기 위해 사용자는 하중 모듈에서 커넥터 힘을 선택해야 합니다.
그림 11: 부하 모듈에서 커넥터 힘 선택
마지막 단계에서는 사용자가 다음 그림에서 볼 수 있듯이 사전 로드 값을 가져와서 번역기 요소 커넥터에 사전 로드를 적용할 수 있습니다.
그림 12: 번역기 요소 커넥터에 적절한 예압 적용
Solid Bolt
이 방법은 가장 상세하고 현실적인 방법입니다. 3D 솔리드 요소로 볼트 전체를 모델링하고, 분할된 단면에 Abaqus 볼트 하중을 적용한 후, 헤드와 너트 영역에서 접촉을 정의합니다.
- 볼트 모양, 예압 및 접촉 포함
- 실패, 분리 및 스트레스 피크를 포착할 수 있습니다.
- 메시와 접촉 설정이 필요합니다
If you’re analyzing bolt strength, local stress, or failure modes, this is the way to go. It’s slower and requires more setup, but the accuracy is worth it. It’s especially useful in dynamic studies, such as impact, where bolt failure simulation is critical.
볼트와 표면 사이의 상호 작용을 설정한 후 이 방법을 사용하기 위한 첫 번째 단계는 하중 모듈에 볼트 하중을 적용하는 것입니다.
그림 13: 하중 모듈에서 "볼트 하중" 유형 선택
그 후, 볼트 섕크에서 예압을 받는 표면을 선택해야 합니다. 이를 위해 "볼트 섕크 표면" 옵션을 사용하여 예압을 받을 표면을 생성해야 합니다.
그림 14: 예압을 적용하기 위한 표면 생성
이제 하중을 적용할 차례입니다. 다음 그림에서 볼 수 있듯이, 예압을 적용하거나 길이를 조정하는 두 가지 옵션을 사용할 수 있습니다. 이 단계에서는 "부품 수준에서 예압 섹션" 옵션을 활성화하는 것을 잊지 마세요.
그림 15: Abaqus에서 볼트 하중 적용
마지막으로, 이러한 단계를 거친 후 다음 그림에서 볼트에 예압이 적용된 것을 볼 수 있습니다.
그림 16: Abaqus의 예압 볼트
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볼트와 조인트는 건물, 교량, 기계 등 다양한 엔지니어링 구조물의 안정성과 구조적 무결성에 중요한 역할을 합니다. 볼트는 여러 구성 요소를 고정하거나 연결하는 데 사용되어 하중을 전달하고 하중 경로의 연속성을 보장합니다. 조인트는 구조 요소를 연결하여 전체적인 안정성을 유지하면서 이동하고 변형할 수 있도록 합니다. 볼트와 조인트의 적절한 설계 및 선택은 구조물의 안전성과 내구성을 보장하는 데 매우 중요합니다. 볼트와 조인트를 선택할 때는 하중의 종류, 사용 재료, 환경 조건 등의 요소를 고려해야 합니다. 볼트와 조인트를 적절하게 설계하고 설치하지 않으면 구조물의 심각한 파손으로 이어질 수 있습니다. 이 패키지에서는 볼트와 조인트를 모델링하고, 실제 사례를 통해 연결부의 파손 및 기타 문제를 시뮬레이션하는 방법을 배웁니다.
결론
이 글에서는 Abaqus 볼트 연결부를 모델링하고 Abaqus 볼트 예압을 적용하는 방법에 대해 다루었습니다. 시뮬레이션에서 볼트가 어떻게 표현되는지, 그리고 예압이라고 하는 조임 효과를 포함하는 방법에 대해 논의했습니다.
볼트 예압은 조인트 거동에 중요한 역할을 합니다. 강성, 하중 전달 및 파손에 영향을 미칩니다. 예압을 정확하게 시뮬레이션하지 않으면, 특히 피로나 분리가 발생하는 경우 모델이 잘못된 결과를 도출할 수 있습니다.
Abaqus와 Abaqus 볼트 하중에서 볼트를 모델링하는 다양한 방법을 살펴보았습니다. 먼저, 간단하고 빠른 설정을 위해 타이 연결 및 강체 빔 커넥터와 같은 비예압 방식을 설명했습니다. 다음으로, 트랜슬레이터 커넥터 및 솔리드 볼트 모델링과 같은 예압 방식을 다루었습니다. 이러한 방식을 통해 실제 체결력과 접촉 효과를 시뮬레이션할 수 있습니다. 또한 예압을 계산하고 적용하는 방법도 설명했습니다.
요약하자면, 볼트를 정확하게 시뮬레이션하려면 적절한 모델링 방법을 선택하고 필요에 따라 예압을 적용해야 합니다. Abaqus는 이를 위한 여러 도구를 제공하며, 적절한 도구를 선택하는 것은 해석 목표에 따라 달라집니다.
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