Abaqus에서의 폼 시뮬레이션

폼 소재란 무엇인가요?

가스 기포를 고분자 물질에 주입하여 팽창된 플라스틱 및 고무 소재인 폼을 생성합니다. 이는 투과성이 있고 가벼운 물질입니다. 폼 직물은 골판지 포장재 외에도 운송 중 물품을 보호하는 데 사용될 수 있습니다. 거의 일정한 평탄 응력 하에서 상당한 변형을 보이는 혁신적인 초경량 소재인 폼은 상당한 양의 운동 에너지를 흡수할 수 있습니다. 이 폼 Abaqus 튜토리얼에서는 폼의 몇 가지 실제 사례를 소개합니다.

폼은 가구(소파와 의자 좌석의 쿠션 충전재 등) 등 다양한 분야에서 사용될 수 있습니다. 건설 산업(소음 흡수, 단열 등에 사용) 자동차 산업(좌석, 대시보드 등) 등 다양한 분야에서 사용될 수 있습니다. 수많은 장난감, 스펀지, 신발, 의류, 포장재, 모든 유형의 충전재와 퀼팅에도 사용됩니다.

Abaqus에서 폼 재료 시뮬레이션

이 패키지에서는 폼 Abaqus 재료 시뮬레이션 방법을 배울 수 있는 6개의 워크숍을 제공합니다. 워크숍 및 시뮬레이션 세부 정보는 아래에서 확인하실 수 있습니다.

워크숍 1: B단열 콘크리트 샌드위치 패널의 최종 시뮬레이션 및 손상 조사

단열 콘크리트로 제작된 샌드위치 패널은 두 개의 외부 콘크리트 와이스(wythe) 사이에 내부 폼 단열층이 있습니다. 가볍고 에너지 효율적이라는 장점 때문에 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 두 개의 외부 콘크리트 와이스는 다양한 전단 접합 방식을 사용하여 접합될 수 있습니다. 최근에는 열교를 제거하고 열 성능을 향상시킬 수 있는 섬유 강화 폴리머(FRP) 전단 접합체가 채택되고 있습니다. 유한 요소(FE) 해석에서는 일반적으로 정적 해석과 동적 해석을 별도로 다룹니다. 그러나 비선형 정적 해석 모델은 FRP 전단 접합체의 유연성과 단열 콘크리트 샌드위치 패널의 콘크리트 균열로 인해 초기 유한 요소 연구에 기반하여 초기부터 차이가 발생하는 경우가 많습니다.

이 시뮬레이션은 단열 콘크리트 샌드위치 패널의 발파 해석 및 손상 조사를 살펴보았습니다. 보는 와이어로, 복합재는 쉘 단면으로 모델링되었으며, 콘크리트와 폼은 3차원 솔리드 부품으로 표현되었습니다. 강재의 경우 Johnson-Cook 모델, 폼의 경우 Crushable foam 데이터, 복합재의 경우 Hashin 손상 기준, 콘크리트의 경우 Johnson-Holmquist 모델이 모두 적용되었습니다. 아래는 조립된 부품을 보여주는 다이어그램입니다.

이러한 해석에는 동적 명시적(explicit) 및 CONWEP 공기 분사 절차가 적합합니다. 보가 콘크리트 부분에 매립되어 있기 때문에 콘크리트-폼과 콘크리트 합성재 사이의 상호작용은 완전 접촉으로 간주됩니다. 시뮬레이션 중 콘크리트 구성 요소에 상당한 손상이 발생했습니다. 폭발파에 의해 콘크리트 중앙 부분이 파괴되고 폼은 완전히 다져졌습니다. 합성 손상 기준 또한 쉽게 알 수 있습니다.

워크숍-2: C폼이 채워진 알루미늄 튜브의 러싱 Abaqus 시뮬레이션

본 시뮬레이션에서는 Abaqus에서 폼 충전 알루미늄 튜브의 파쇄 시뮬레이션을 연구했습니다. 축방향 압축 변형률 하에서 점진적으로 좌굴이 발생하는 구조와 경량성으로 인해, 얇은 벽의 금속 튜브는 에너지 흡수재로 사용되었습니다. 이전 연구에 따르면, 얇은 벽의 원형 튜브의 파쇄 시 축대칭(콘서티나 또는 링 모드라고도 함), 비축대칭(다이아몬드 모드라고도 함), 또는 혼합 모드가 발생할 수 있습니다. 튜브 파쇄 모드는 튜브의 형상에 따라 크게 결정됩니다. 에너지는 구조물의 점진적인 좌굴을 통해 흡수됩니다. 본 튜토리얼에서는 축대칭 치수를 사용하여 폼과 알루미늄의 3차원 거동을 모델링합니다. 아래는 조립된 부품을 보여주는 다이어그램입니다.

알루미늄은 탄성-소성 재료로, 폼은 경화되는 탄성적이고 압착 가능한 폼 거동으로 사용됩니다. 이러한 종류의 연구에는 동적 명시적 기법이 적합합니다. 모든 부품 간의 상호작용과 알루미늄과 폼의 자체 접촉을 명시하기 위해 표면 간 접촉 알고리즘이 사용됩니다. 강성이 더 높은 판이 변위에 기여합니다. 특히 알루미늄이 원하는 결과를 얻으려면 메시가 미세해야 합니다. 시뮬레이션 후 알루미늄은 명확하게 변형되었으며, 모든 결과는 접근 가능합니다.

워크숍 3: 강체 발사체 충격에 노출된 금속 폼 코어가 있는 정사각형 샌드위치 판의 동적 반응

이 튜토리얼에서는 Abaqus에서 강체 발사체에 맞았을 때 금속 폼 코어가 있는 정사각형 샌드위치 판의 동적 반응을 살펴봅니다. 동일한 질량의 모놀리식 솔리드 구조에 비해 샌드위치 구조는 뛰어난 장점으로 인해 많은 주목을 받고 있으며 다양한 주요 엔지니어링 분야에서 자주 사용됩니다. 모놀리식 솔리드 구조는 유망한 대체재로 여겨지는 샌드위치 구조로 대체되었습니다. 샌드위치 구조의 구조적 거동은 재료의 특성뿐만 아니라 면판, 코어, 경계 조건 등 여러 요인의 영향을 받습니다. 금속 폼은 거의 등방성, 높은 에너지 흡수율, 우수한 소음 감쇠, 불연성, 곡선 형상을 쉽게 제작할 수 있는 특성, 일체형 면판 등 새로운 물리적 및 기계적 특성을 가진 경량 소재입니다. 또한 높은 강성 대 중량비와 강도 대 중량비를 가지고 있습니다. 샌드위치 구조의 중심 구성 요소는 금속 폼으로 결정됩니다. 티타늄 폼, 강철, 알루미늄은 3차원 솔리드 조각으로 모델링됩니다.

강판에는 탄소성(탄성) 특성을 가진 재료(존슨-쿡)가 사용됩니다. 강판의 손상 및 파괴를 시뮬레이션하기 위해 진화를 고려한 존슨-쿡 손상 모델을 사용합니다. 금속의 고변형률 속도 변형에만 적합한 존슨-쿡 소성 모델에 대해 Abaqus/Explicit은 동적 파괴 모델을 제공합니다. 이 모델의 이름은 "존슨-쿡 동적 파괴 모델"입니다. 손상 시작 기준 계열의 일원인 Abaqus/Explicit은 점진적인 재료 열화 및 파괴를 시뮬레이션하는 데 권장되는 방법인 존슨-쿡 파괴 모델의 더욱 포괄적인 버전도 제공합니다. 티타늄 폼에는 등방성 형상의 압축성 폼 소성 탄성 데이터와 경화 데이터가 사용됩니다. 알루미늄의 경우 존슨-쿡 소성 및 손상이 고려됩니다. 이러한 유형의 해석에는 동적 명시적 단계가 적합합니다. 접촉 공식화는 접촉 특성을 갖는 일반적인 접촉 알고리즘으로 가정됩니다. 강 및 금속 폼, 알루미늄 및 금속 폼은 이상적인 접촉을 갖는 것으로 여겨집니다. 패널의 측면과 발사체의 시작 속도 모두 고정 경계 조건이 주어졌습니다. 접촉 영역 근처에서는 메시가 그만큼 미세해야 합니다. 다음 워크숍에서는 폼 Abaqus 시뮬레이션도 설명합니다.

워크숍 4: 내부 공기 분사 하의 폼 코어 샌드위치 튜브의 수치 시뮬레이션

초경량 소재의 새로운 계열인 폼(foam)은 거의 일정한 평탄 응력(plateau stress)에서 상당한 변형을 겪을 수 있어 상당한 양의 운동 에너지를 흡수할 수 있습니다. 뛰어난 폭발 하중 지지 능력으로 인해 폼 코어 샌드위치 구조물은 점점 더 많은 관심을 받고 있으며 해양 및 기타 군사 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 샌드위치 구조물의 탁월한 성능은 폼 코어의 창의적인 기하학적 설계에 달려 있습니다. 또한, 기존의 방폭 장비는 부피가 크고 성능이 떨어집니다. 테러리즘이 증가함에 따라 소형의 업그레이드된 방폭 격납 용기가 인기를 얻고 있습니다. 샌드위치 튜브는 폭발물을 보관하고 내부 폭발로부터 사람이나 장비를 보호하는 방폭 용기를 개선할 수 있는 최첨단 구조 설계로 여겨집니다. 샌드위치 구조물은 거의 일정한 평탄 응력에서 광범위한 소성 변형을 겪을 수 있기 때문에 단일체 방폭 튜브보다 높은 에너지 흡수 용량(EA)을 갖습니다. 지난 10년 동안 샌드위치 튜브의 동적 응답은 점점 더 많은 관심을 받고 있습니다. 실제 제품의 모습은 여기에 나와 있습니다.

튜브의 변형과 폼의 압축은 튜브의 경우 Johnson-Cook 소성법을, 폼의 경우 경화를 동반한 압착 폼을 사용하여 평가되었습니다. 이러한 해석은 동적 명시적 계단 해석에 이상적입니다. 강관과 폼의 상호 작용이 이상적이라고 여겨지므로, CONWEP 공기 분사 방식을 사용하여 내부 표면에 대한 폭발 하중을 제시했습니다. 해석 중 폭발은 내부 파이프를 크게 변형시키고, 이는 폼 구성 요소를 크게 압축합니다. (폼 Abaqus)

워크숍 5: 부분 시멘트 대체를 포함한 철근 발포 콘크리트 보의 4점 굽힘 해석

이 튜토리얼에서는 시멘트를 일부 대체한 철근 발포 콘크리트 보의 수치 시뮬레이션을 살펴보았습니다. 콘크리트 기반 건축 자재는 현재 전 세계 구조물의 주요 구성 요소입니다. 콘크리트는 교량, 댐, 도로, 고층 건물 건설을 포함한 토목 공학에서 광범위하게 사용됩니다. 콘크리트는 다른 기존 재료에 비해 뛰어난 강도, 내구성, 성형성, 그리고 상대적으로 저렴한 가격으로 인해 수요가 높습니다. 콘크리트가 발명된 이후 다양한 종류의 콘크리트가 생산되어 왔습니다. 콘크리트 발포는 그중 하나입니다. 일반 콘크리트보다 최대 87%까지 가벼운 경량 콘크리트입니다. 건조 밀도는 300~1800kg/m³입니다. 발포 콘크리트의 잔골재로는 모래가 사용되며, 시멘트는 결합재 역할을 합니다. 모든 종류의 콘크리트는 다른 모든 재료를 결합재로 사용하여 견고한 돌과 같은 물질을 형성하기 때문에 시멘트가 핵심 구성 요소로 필요합니다. 그러나 현재 시멘트 생산과 관련된 환경 문제가 대두되고 있습니다. 콘크리트 보는 3차원 솔리드 부품으로 모델링되었습니다. 철근과 철근 스트립은 3차원 와이어 요소로 표현되었습니다. 아래에서 조립된 부품의 그림을 확인할 수 있습니다.

콘크리트 보의 경우 CPD 재료 모델을 사용합니다. 시멘트 결합재의 필요성을 줄이기 위해 콘크리트에 SCM(Single-Materials Model)으로 사용할 수 있는 여러 가지 폐기물이 있지만, 이러한 폐기물이 콘크리트에서 얼마나 잘 작용하는지 조사하는 데는 시간이 걸릴 수 있습니다. 본 연구에서는 ABAQUS 명시적 소프트웨어를 사용하여 팜유 연료 재와 계란껍질 가루(ESP)를 시멘트의 일부 대체재로 사용한 기포 콘크리트 보강 보의 유한 요소 모델을 구축했습니다. 철근과 강대에는 탄소성 거동을 갖는 강재를 사용했습니다. 이 시뮬레이션에는 수렴 모델을 일부 수정한 일반적인 정적 단계가 적합합니다. 강체와 콘크리트 보 사이에 마찰 계수가 있는 표면 간 접촉이 고려됩니다. 콘크리트 보 호스트에는 매립된 철근과 강대가 포함되어 있습니다. 두 개의 하부 강체와 두 개의 상부 강체의 변위에는 각각 고정 경계 조건이 적용됩니다. 좋은 결과를 얻으려면 메시가 미세해야 합니다.

힘-변위 선도, 콘크리트 보의 응력, 변형률, 인장, 압축 손상을 포함한 모든 결과는 시뮬레이션을 통해 얻을 수 있습니다. 결과에 대한 수치는 아래와 같습니다.

워크숍 6: 콘크리트-티타늄 폼 복합 패널 위의 공기 분사 폭발 시뮬레이션

이 튜토리얼에서는 복합 패널(콘크리트+티타늄 폼) 위의 공기 분사 폭발을 시뮬레이션합니다. 이 모델링에는 콘크리트와 티타늄 폼의 두 부분이 필요합니다. 이 시뮬레이션에서는 체적 경화가 적용된 파쇄 폼 모델을 사용하며, 해당 방정식은 Abaqus 설명서에서 확인할 수 있습니다. 체적 경화가 적용된 파쇄 폼 모델의 항복 표면은 압력 응력에 대한 편차 응력의 타원형 종속성을 갖습니다. 재료가 겪는 체적 압축 소성 변형률이 항복 표면의 전개 방식을 결정하는 것으로 예측됩니다. 콘크리트 부분과 티타늄 부분 사이의 접촉을 정의하는 세 가지 방법이 있습니다. 콘크리트와 티타늄 폼 사이의 점착 요소를 사용하여 상호작용 속성으로 점착 표면을 생성하는 방법과, 이 모델링에 사용된 방법인 두 요소 간의 연결 구속 조건을 사용하는 것입니다. 공기 분사에는 CONWEP이 사용되었습니다. 자세한 내용과 결과는 비디오에서 확인할 수 있습니다.

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보는 것이 도움이 될 것입니다 Abaqus 문서 Abaqus 시뮬레이션을 시작하기가 얼마나 어려운지 이해하려면 Abaqus 튜토리얼.