유용한 Abaqus 서브루틴 10가지 (2부) | 유한요소해석 응용 프로그램

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유한요소해석 응용 | 유한요소법의 엔지니어링 응용

When you want to simulate an analysis in the ABAQUS, you may encounter some complications that require user-defined coding. So, ABAQUS has left you a coding platform for this matter. It’s called the ABAQUS subroutine. Here, we have presented some Abaqus user subroutine examples. We explained some of them with finite element analysis applications in engineering.

유한요소해석(FEA)은 설계 최적화, 구조 해석, 열 해석, 유체 흐름 시뮬레이션 등 다양한 산업 분야에서 널리 사용됩니다. 자동차 산업에서는 FEA를 통해 차량 충돌 안전성 분석, 경량화를 위한 부품 설계 최적화, 그리고 공기역학 연구에 활용됩니다.[1][4] 항공우주 산업에서는 항공기 구조 건전성 분석, 날개 설계 최적화, 그리고 기류 패턴 연구에 FEA를 활용합니다.[1] 또한 토목공학 분야에서는 다양한 하중 조건에서 건물, 교량 및 기타 기반 시설의 구조적 거동을 분석하는 데 FEA가 매우 중요합니다.[4] 제조 분야에서는 금속 성형 및 몰딩과 같은 제조 공정을 시뮬레이션하고 최적화하기 위해 FEA를 활용합니다.[1][5] 유한요소해석 응용 분야를 심도 있게 논의합니다.

1. 프리크 & 비프리크

ABAQUS에서 제공하는 기존 쿨롱 마찰 모델의 확장된 버전이 관련 문제를 해결하는 데 더 이상 도움이 되지 않고, 접촉 표면 간의 전단 전달에 대한 복잡한 정의가 필요할 때 이 두 가지가 유용할 수 있습니다. 즉, 사용자 정의 마찰이 있는 접촉이 필요한 경우 FRIC(표준 솔버) 또는 VFRIC(명시적 솔버) 서브루틴을 사용할 수 있습니다.

Some FRIC & VFRIC instances

Pile foundation

2020년, 중국 산둥대학교 지반구조공학연구센터는 ABAQUS 서브루틴을 이용하여 유한요소해석을 수행하여 말뚝 그룹 내 개별 말뚝의 다양한 레이아웃에 따른 말뚝 그룹의 응답을 예측했습니다. FRIC 서브루틴은 ABAQUS의 접촉 쌍 계산을 위한 보조 플랫폼, 쌍곡선 단부 저항 모델, 그리고 표면 마찰 연화 모델로 개발되었습니다.

그림 1: 총 하중 6400KN에 대한 파일 그룹의 응답 [참고]

Subsea pipelines

해저 파이프라인은 주로 석유와 가스를 운송하는 데 사용됩니다.

2019년 테헤란 대학교 토목공학과에서는 해저 파이프라인의 국부 좌굴에 대한 연구를 진행했습니다. ABAQUS 소프트웨어와 FRIC 서브루틴을 이용하여 워킹 현상을 제거할 수 있는 모델을 시뮬레이션했습니다. FRIC 서브루틴을 이용하여 파이프라인-토양 상호작용 모델을 구현하여 파이프라인의 횡방향 및 축방향 이동을 제어했습니다.

그림 2: 해저 파이프라인

그림 3: 측면 변위 동안의 순환 파이프-토양 상호 작용 반응 [참고]

Tire- asphalt pavement contact behavior

2020년, 중국 국가과학기금은 건조한 조건에서 타이어와 포장도로의 접촉 거동에 대한 연구에 자금을 지원했습니다. 연구진은 ABAQUS 소프트웨어를 사용하여 3D 유한요소 모델을 시뮬레이션하고 이러한 거동을 분석했습니다. 또한, FRIC 서브루틴을 사용하여 타이어와 아스팔트 포장도로 사이의 접촉을 정의했습니다. 유한요소해석 애플리케이션

그림 4: 타이어-아스팔트 포장 접촉 시뮬레이션 [참고]

그림 5: 아스팔트 위의 타이어 자국

Metal cutting modeling of titanium alloy

티타늄 합금은 경금속으로, 항공우주, 자동차 등 다양한 산업에 사용됩니다. 이러한 합금을 가공하는 것은 까다로운 공정입니다.

2011년 중국학술위원회(CSC)는 절삭 공정 중 응력과 손상을 평가하는 연구를 지원했습니다. 연구진은 ABAQUS 서브루틴을 사용하여 티타늄 합금 절삭을 시뮬레이션했습니다. VFRIC 서브루틴은 향상된 마찰 모델과 직교 절삭 모델을 개발했습니다.

그림 6: 절단 공정 시뮬레이션 [참고]

메모: If you want to learn more about this useful subroutine and see some examples, check this course:

ABAQUS의 VFRICTION 및 VFRIC 서브루틴 소개

• 5.00

이 튜토리얼은 고전적인 컬럼비아 방정식이 더 복잡하여 그래픽 ABAQUS 환경으로 구현할 수 없는 경우에 도움을 줍니다. 이 패키지는 이 두 서브루틴을 소개하고 작성하는 방법을 설명합니다. 이 소개에서는 VFRICTION 및 VFRIC 서브루틴의 다양한 선택 및 필수 매개변수에 대해 설명합니다.

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2. UMESHMOTION 서브루틴

메시 노드의 동작을 정의하려면 UMESHMOTION 서브루틴을 사용해야 합니다. 이 서브루틴은 적응형 메시 생성 중에 메시 동작 제약 조건을 지정하는 데 도움이 됩니다. 이 서브루틴은 적응형 메시 생성이 수행되는 모든 증분(increment)의 마지막에 호출됩니다. UMESHMOTION 서브루틴에서 유한요소법을 엔지니어링에 적용하는 방법은 다음과 같습니다.

Engineering applications of finite element method for the UMESHMOTION subroutine

Artificial knee joints

2020년 도쿄대학교 기계공학과에서는 인공 무릎 관절의 마모 시뮬레이션을 연구했습니다. 연구진은 ABAQUS 소프트웨어와 UMESHMOTION 서브루틴을 사용하여 인공 관절의 마모를 평가했습니다. UMESHMOTION 서브루틴은 접촉 영역의 형상을 업데이트하는 데 사용되었습니다. 이는 Abaqus 사용자 서브루틴의 중요한 예시입니다.

그림 7: 전체 무릎 교체 수술

그림 8: 전체 무릎 교체 시뮬레이션 [참고]

서브루틴 작성은 인공 무릎 관절의 유한요소 모델링 및 분석에서 중요한 역할을 하며, 연구자와 엔지니어가 이러한 임플란트의 설계와 성능을 정확하게 시뮬레이션하고 최적화할 수 있도록 지원합니다. 이 분야에서 서브루틴 작성의 주요 활용 사례는 다음과 같습니다.

사용자 정의 서브루틴을 개발하여 인공 무릎 관절에서 발생할 수 있는 마모, 박리, 피로 균열, 임플란트-골 계면의 풀림 등 파손 및 손상 메커니즘을 모델링할 수도 있습니다. 이러한 서브루틴은 고급 손상 모델, 파괴 역학 원리, 그리고 실험 데이터를 통합하여 임플란트의 장기 성능과 내구성을 예측할 수 있습니다. 서브루틴 작성 기능을 활용하여 연구자와 엔지니어는 인공 슬관절 설계, 재료 및 하중 조건의 복잡한 세부 사항을 포착하는 매우 정확하고 맞춤형 유한 요소 모델을 생성할 수 있습니다. 이러한 모델은 설계 최적화, 전임상 시험 및 환자 맞춤형 시뮬레이션에 활용될 수 있으며, 궁극적으로 임플란트 성능, 수명 및 환자 치료 결과를 개선하는 데 도움이 됩니다. 

Fretting wear

2020년, 중국 장학 위원회는 가변 마찰 계수 하에서 프레팅 마모 유한요소 해석에 대한 연구에 자금을 지원했습니다. 프레팅 마모는 패스너의 이탈이나 기타 문제를 야기할 수 있으며, 실험에서 미세 운동을 측정하는 것도 어렵습니다. 따라서 FEM 시뮬레이션과 ABAQUS 서브루틴을 통해 그 거동을 분석할 수 있습니다. UMESHMOTION 서브루틴은 접촉 표면 형상의 연속적인 변화를 실행했습니다.

그림 9: 기본 모델의 치수 및 기하학 [참고]

Note: You’re interested in this complicated yet very useful subroutine?! Want to see some examples? Click on this section:

아바쿠스의 유메쉬모션 서브루틴

• 4.53

메시 노드의 동작을 정의하려면 UMESHMOTION 서브루틴을 사용해야 합니다. 이 서브루틴은 적응형 메시 생성 중에 메시 동작 제약 조건을 지정하는 데 도움이 됩니다. 이 튜토리얼 패키지에서는 UMESHMOTION 서브루틴을 사용해야 하는 경우와 사용 방법을 알아봅니다. 이 패키지에는 "성형 공정에서 UMESHMOTION 서브루틴 작성", "압연 공정에서 UMESHMOTION 서브루틴 작성", 그리고 "UMESHMOTION을 통한 트레드 마모 시뮬레이션"의 세 가지 워크숍이 포함되어 있습니다. 마모 공정에서는 Archard 모델이 사용되며, 이는 학술 및 산업 프로젝트에서 매우 널리 사용됩니다.

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3. HETVAL 서브루틴

이 서브루틴은 열전달 해석 중 내부 열 생성을 제공합니다. 예를 들어, 용액 중 발생하는 상 변화와 연관될 수 있습니다. 이 서브루틴은 변형된 재료의 비율과 같은 상태 변수에 따라 달라질 수 있습니다.

HETVAL applications

Phase-field fracture method

위상장법은 파단면을 추적할 필요 없이 균열의 시작, 전파, 합체를 시뮬레이션하는 일반적인 기술입니다.

2021년 오비에도 대학교 건설 및 제조공학과에서는 HETVAL 서브루틴을 이용하여 ABAQUS 소프트웨어에서 위상장 파괴법을 강력하고 간단하게 적용하는 방법을 발표했습니다. 이 방법을 사용하면 ABAQUS의 내장 기능을 활용하고 사용자 요소를 정의할 필요가 없습니다. HETVAL 서브루틴은 내부 열유속과 온도에 따른 그 미분을 정의했습니다.

그림 10: 나사 장력 시험을 위한 최종 위상-필드 윤곽 [참고]

Rolling tire

2018년, 한국자동차부품연구원(KAFI)은 동적 구름 타이어의 온도 상승을 예측하는 시뮬레이션 방법을 개발했습니다. 연구진은 시뮬레이션에 ABAQUS 서브루틴을 사용했습니다. HETVAL 서브루틴은 총 소산 변형 에너지를 이용하여 열 발생률을 계산했습니다. 이 Abaqus 사용자 서브루틴 예제를 통해 더 나은 설계를 할 수 있습니다.

그림 11: 롤링 타이어 온도 분포 [참고]

탄소-탄소 복합재

2015년 ASME 총회에서는 열충격 조건이 탄소/탄소 복합재에 미치는 영향을 예측하는 연구가 발표되었습니다. 연구진은 ABAQUS 서브루틴, HETVAL, UMAT을 활용하여 이 연구를 수행했습니다. HETVAL 서브루틴은 탄소 재료의 열화로 인해 발생하는 내부 열을 구현했습니다.

그림 12: C/C 복합재 내 열유속 분포 [참고]

P91 steel welding

2021년 중국 국가중점연구개발계획(National Key Research and Development Program)은 P91강의 용접 잔류응력을 계산하는 방법을 발견하는 연구를 지원했습니다. 연구진은 HETVAL과 같은 ABAQUS 서브루틴을 사용하여 이 방법을 개발했습니다. HETVAL 서브루틴은 마르텐사이트 변태로 생성되는 상변태 잠열을 계산했습니다.

그림 13: 용접 공정 중 한 케이스의 응력 분포 [참고]

언급된 서브루틴에서 유한요소법을 엔지니어링에 적용하는 것을 즐기셨기를 바랍니다.

4. DFLUX 서브루틴

이 서브루틴은 질량 확산 또는 열전달 해석에서 불균일하게 분포된 플럭스를 정의하는 데 사용할 수 있습니다. 시간, 위치, 온도, 적분점 수, 요소 수 등의 함수로 정의할 수 있습니다.

그림 14: DFLUX를 사용한 아크 용접 시뮬레이션

Several applications of the DFLUX subroutine

Asphalt pavement

2018년, 중국 대련이공대학교는 반사 균열이 발생할 때 반복적인 온도 조건에서 아스팔트 포장의 거동을 관찰하는 시뮬레이션을 개발했습니다. 연구진은 DFLUX 및 FILM과 같은 ABAQUS 서브루틴을 사용했습니다. DFLUX 서브루틴은 포장 구조의 온도 분포를 계산했습니다. 이는 Abaqus 사용자 서브루틴 예시 중 하나일 뿐입니다. 웹에서 여러 서브루틴을 검색하여 찾아볼 수 있습니다.

그림 15: 아스팔트 포장 구조의 온도 분포 [참고]

유한요소모델링(FEM)은 토목 엔지니어들이 아스팔트 포장의 거동을 시뮬레이션하고 분석하는 데 필수적인 도구로 자리 잡았습니다. FEM을 통해 연구자와 실무자는 포장 시스템 내의 복잡한 재료 특성, 하중 조건 및 구조적 상호작용을 모델링하여 설계 최적화 및 성능 평가에 귀중한 통찰력을 얻을 수 있습니다.

아스팔트 포장 분석에서 FEM의 주요 응용 분야

1. 구조 응답 분석: 유한요소해석(FEM)은 정적 및 동적 하중을 포함한 다양한 하중 시나리오에서 응력, 변형률, 처짐과 같은 주요 포장 반응을 예측하는 데 널리 사용됩니다. 이 정보는 피로 균열 및 소성 변형과 같은 손상 가능성을 평가하는 데 매우 중요합니다.
2. 재료 특성화: ABAQUS와 같은 FEM 소프트웨어의 사용자 정의 서브루틴(예: Dflux, UMAT, VUMAT)을 사용하면 아스팔트 재료의 비선형, 점탄성 및 온도 의존적 거동을 포착하는 고급 구성 모델을 구현할 수 있습니다.
3. 손상 및 고장 모델링: FEM은 손상 모델과 파괴 역학 원리를 통합하여 아스팔트 포장의 균열, 박리 및 기타 파괴 메커니즘의 시작과 확산을 시뮬레이션할 수 있습니다.
4. 포장도로-차량 상호작용: 결합된 FEM 시뮬레이션은 포장도로와 이동하는 차량 하중 간의 동적 상호작용을 모델링하여 교통이 포장도로 성능에 미치는 영향에 대한 통찰력을 제공합니다.

레이저 클래딩

46에서^그 2018년 SME 컨퍼런스에서 금형 수리에 적용되는 다층 클래딩의 경도 및 잔류 응력을 계산하기 위한 수치 해석이 발표되었습니다. 이 해석은 ABAQUS 서브루틴을 사용하여 구현되었습니다. DFLUX 서브루틴은 열 하중을 적용했습니다.

그림 16: 레이저 클래딩

그림 17: 경계 조건 및 계산 도메인
결합된 금속-열기계 분석 [참고]

Additive manufacturing (3D printing)

3D 프린팅 공정은 고출력 레이저를 사용하여 분말층에서 금속 원료 조성물을 녹입니다.

2018년, 셰필드 대학교 기계공학과에서는 선택적 레이저 용융 Ti6Al4V의 잔류 응력을 평가하는 모델을 개발한 논문을 발표했습니다. 연구진은 ABAQUS 소프트웨어와 DFLUX 서브루틴을 사용하여 이 모델을 시뮬레이션했습니다. 또한, 이 서브루틴을 사용하여 레이저를 시뮬레이션하는 이동 체적 열원 프로그램을 작성했습니다. 이와 같은 Abaqus 사용자 서브루틴 예제는 오늘날 가장 중요한 연구 분야 중 하나입니다.

그림 18: 온도 추정 위치 [참고]

마찰교반용접

2019년, 인도 판딧 딘다얄 석유대학교(Pandit Deendayal Petroleum University of India)는 ABAQUS 서브루틴을 이용하여 냉각 보조 마찰 교반 용접의 열 구배를 예측하는 3차원 유한 요소 모델을 개발했습니다. 마찰 교반 용접 중 발생하는 열은 시간에 따른 표면 플럭스로 적용되었으며, 이는 DFLUX 서브루틴을 통해 수행되었습니다.

그림 19: 마찰교반용접

그림 20: 용접 단계 동안의 열 프로파일 [참고]

Note: Tutorial and more examples of this fascinating subroutine:

ABAQUS의 DFLUX 서브루틴(VDFLUX 서브루틴)

• 4.78

DFLUX 서브루틴(VDFLUX 서브루틴)은 열전달 및 온도 변위 솔버에서 플럭스 하중이 시간, 장소 또는 기타 매개변수의 함수일 때 다양한 체적 플럭스 및 표면 플럭스 상태에서 열 하중을 계산하는 데 사용됩니다. 이 패키지에서는 "언제 이 서브루틴을 사용해야 하나요?", "DFLUX 서브루틴 사용 방법", "DFLUX와 VDFLUX의 차이점은 무엇인가요?", "DFLUX를 VDFLUX로 변환하는 방법", 그리고 "예제에서 사용하는 방법"을 학습합니다. 이 모든 내용을 실제로 배울 수 있도록 세 가지 워크숍이 제공됩니다. DFLUX 서브루틴을 이용한 두 판 사이의 용접 시뮬레이션, DFLUX를 이용한 두 튜브 간 아크 용접 시뮬레이션, 그리고 다양한 유형의 기능적 열유속(신체-표면-VDFLUX 서브루틴(열기계 분석)을 사용한 Johnson-cook 가소성을 갖는 판의 요소.

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이제 다음에서 DFLUX 서브루틴의 무료 예를 받아보세요.

5. DISP & VDISP 서브루틴

마지막으로 설명할 ABAQUS 서브루틴은 DISP와 VDISP입니다. 이 서브루틴들은 미리 정해진 경계 조건을 지정하는 데 사용됩니다. DISP는 ABAQUS/Standard 솔버에서, VDISP는 ABAQUS/Explicit 솔버에서 사용됩니다. ABAQUS 기능으로는 시간 종속 경계 조건과 위치 종속 경계 조건을 동시에 정의할 수 없지만, DISP와 VDISP 서브루틴이 도움이 될 것입니다.

DISP and VDISP applications

Groundwater

2018년 중국 박사후과학재단은 ABAQUS와 DISP 서브루틴을 사용하여 유한 요소 모델을 시뮬레이션하여 시간에 따른 지하수위 변동을 조사하는 논문에 자금을 지원했습니다.

그림 21: 계산 모델 [참고]

Soft tissue

2016년, 샤리프 대학교 기계공학과에서는 결합 연조직의 구성 및 미세역학 모델링을 개발했습니다. 연구진은 UMAT 및 DISP와 같은 ABAQUS 서브루틴을 사용하여 이 모델을 시뮬레이션했습니다. 또한 DISP 서브루틴을 사용하여 주기적 경계 조건을 모델링했습니다.

그림 22: 쥐 꼬리 힘줄의 전단 응력 분포 [참고]

Sheet metal forming

2021년, 선전 교차 규모 제조 역학 중점 실험실은 초음파 진동을 이용한 판금 성형에 대한 연구를 진행했습니다. 연구진은 VUMAT 및 VDISP와 같은 ABAQUS 서브루틴을 사용하여 해석을 시뮬레이션했습니다. VDISP 서브루틴은 성형 공구의 사전 정의된 경로를 설정했습니다.

그림 23: 경계 조건 및 사전 정의된 성형 도구 경로 [참고]

아바쿠스의 디스프 및 브이디스프 서브루틴

• 5.00

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인용문:
[1] https://www.industryarc.com/Research/Finite-Element-Analysis-Market-Research-502582
[2] https://www.transparencymarketresearch.com/finite-element-analysis-analysis-software-market.html
[3] https://www.lxsim.com/en/blog/what-are-the-main-applications-of-finite-element-analysis-fea/
[4] https://www.stymertech.com/blog/why-fea-is-important-in-industry/
[5] http://www.designtechsys.com/articles/fea-services[/vc_column_text]