ABAQUS에서의 용접 시뮬레이션

1. 용접이란 무엇인가요?

용접은 열, 압력 또는 둘 다를 가하여 합체를 유도하는 방식으로 두 개 이상의 재료(일반적으로 금속이나 열가소성 플라스틱)를 접합하는 공정입니다. 다시 말해, 열을 사용하여 재료를 결합하는 것이 건설 관련 핵심 활동인 용접의 주요 목적입니다. 가장 일반적인 용접 유형은 모재를 용융하는 것으로, 용융된 재료가 식고 응고되면 강력한 접합을 형성하기 위해 종종 용가재를 첨가하여 용융합니다.

다음과 같은 다양한 용접 기술이 있습니다.

• 아크 용접: 전기 아크를 사용하여 열을 발생시켜 기본 재료와 충전재를 녹입니다.
• MIG(금속 불활성 가스) 용접: 연속적인 와이어 공급과 불활성 가스를 사용하여 용접부를 오염으로부터 보호하는 아크 용접의 한 형태입니다.
• TIG(텅스텐 불활성 가스) 용접: 소모성 텅스텐 전극과 별도의 필러 막대를 사용합니다.
• 스틱 용접: 전극봉을 소모하여 용접을 만드는 수동 방식의 아크 용접입니다.
• 스팟 용접: 전류의 압력과 열을 이용해 금속을 접합하는데, 자동차 제조에 일반적으로 사용됩니다.

용접은 효율성과 강력한 결합력 덕분에 건설, 자동차, 항공우주, 제조 등 다양한 산업에서 널리 사용됩니다. 열을 이용하여 재료를 결합하는 것이 건설과 관련된 핵심 활동인 용접의 주요 목적입니다.

2. 용접 분류

일반적으로 용접에는 융접과 비융접의 두 가지 방법이 있습니다.

융접은 열을 이용하여 두 개 이상의 재료를 녹여 접합하는 방식입니다. 이 공정에는 필러 재료가 필요할 수도 있고, 필요하지 않을 수도 있습니다.

비융착 용접은 고압 또는 경우에 따라 열을 사용하여 재료를 접합합니다. 이 공정에서 재료는 녹지 않지만, 고온으로 가열될 수 있습니다. 또한, 이 공정에는 일반적으로 필러가 사용되지 않습니다.

융접은 세 가지 방법으로 수행됩니다. 전자빔 용접(EBW). 이 방법은 전자의 운동 에너지를 기반으로 하며 두께에 관계없이 모든 재료에 적합합니다. 레이저 빔 용접(LBW). 레이저 빔을 사용하며 좁고 깊은 용접에 적합합니다. 이 방법은 필러를 사용하지 않습니다. 아크 용접(AW). 가장 중요하고 널리 사용되는 방법입니다. 전기 아크를 사용하여 부품을 녹이고 접합하기에 충분한 열을 생성합니다. 아크 용접은 사용되는 전극에 따라 7가지 방법으로 수행할 수 있습니다. 차폐 금속 아크 용접(SMAW), 잠수 아크 용접, 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW 또는 FCA), 탄소 아크 용접(CAW), 텅스텐 불활성 가스(TIG) 용접, 가스 금속 아크 용접(GMAW), 플라즈마 아크 용접(PAW).

비융착 용접은 다섯 가지 방법으로 분류됩니다. 첫째, 마찰 교반 용접(FSW)은 고체 상태 접합 공정입니다. 비소모성 회전 공구와 공작물 사이의 마찰로 열이 발생하여 연화된 영역을 생성하고 두 조각을 접합합니다. 둘째, 폭발 용접(EW)은 FSW와 마찬가지로 고체 상태 용접 공정입니다. 고에너지 속도의 변형을 이용하여 금속판을 접합합니다. 폭발로 인한 압력이 두 판을 접합합니다. 셋째, 초음파 용접(UW)은 고주파 초음파 진동을 이용하여 고체 상태 용접을 생성하고, 압력 하에서 공작물을 접합하는 산업 공정입니다. 넷째, 롤링 용접은 금속판을 접합하는 데 사용됩니다. 이 방법은 두 장 이상의 금속판을 먼저 깨끗하게 청소한 후, 두 장을 겹쳐 롤에 통과시켜 용접에 필요한 충분한 변형이 발생할 때까지 용접합니다. 다섯째, 저항 용접(RW)은 가장 널리 사용되는 방법입니다. 이 방법은 전류를 가해 발생하는 열과 기계적 압력을 동시에 이용해 강력한 결합을 형성합니다.

3. Abaqus에서의 용접 시뮬레이션

Abaqus는 다양한 유형의 용접을 시뮬레이션할 수 있는 광범위한 기능과 옵션을 제공하는 강력한 용접 시뮬레이션 도구입니다. 다양한 열, 기계 및 열-기계 결합 솔버를 통해 특정 조건과 목표에 맞춰 용접 시뮬레이션을 맞춤 설정할 수 있습니다. 또한, DFLUX 서브루틴과 요소 생성 및 소멸 기능을 활용하여 Abaqus는 이러한 해석의 일반적인 한계를 극복하고 높은 정확도를 제공합니다. 이 패키지에서는 이 주제와 관련된 모든 필수 정보를 설명했습니다.

3.1. 이 패키지는 일반적으로 무엇을 포함합니까?

이 교육 패키지는 Abaqus 용접 시뮬레이션에 사용할 수 있는 다양한 방법을 완벽하게 다룹니다. 용접 시뮬레이션에는 라그랑주법, 오일러법, ALE, SPH법 등이 있습니다.

라그랑주 방법에서는 노드가 재료 점과 정확히 일치하여 움직이고, 자유 표면을 추적하고 경계 조건을 적용하기 쉬우며, 높은 변형률 구배로 인해 메시가 왜곡됩니다. 오일러 이론에서는 재료가 메시를 통과하는 동안 노드가 고정되어 있으므로 자유 표면을 추적하기가 더 어렵고 메시가 고정되어 있기 때문에 메시 왜곡이 없습니다. ALE는 이전 두 이론을 결합한 것입니다. 이 방법에서는 메시의 움직임이 필요한 경우(자유 경계)에만 재료의 움직임으로 제한됩니다. 그렇지 않으면 재료의 움직임과 메시의 움직임이 독립적입니다. 마지막 방법은 평활화된 입자 유체 역학(SPH)입니다. 이 방법에서는 요소가 없고 노드의 집합만 있습니다. 이는 ABAQUS의 메시리스(또는 메시 없음) 방법 중 하나입니다.

용접 공정에서는 모재가 녹고, 일반적으로 용가재를 첨가하여 용융 금속 웅덩이를 형성하여 두 부품을 융합시킵니다. 용접 접합부의 구조적 거동을 평가하기 위해 용접 공정을 시뮬레이션할 때, 시뮬레이션 모델을 생성할 때 두 가지 주요 문제가 있습니다.

• 모델의 열적, 구조적 거동은 서로 결합되어야 합니다.
• 용접 공정 중에 재료를 추가해야 합니다. 이로 인해 경계와 경계 조건의 위치도 변경됩니다.

이 패키지에서는 Abaqus 용접 문제에서 이러한 문제를 극복하기 위한 몇 가지 기술을 소개합니다.

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

3.2. 2패스 및 다중패스 가스 메탈 아크 용접 시뮬레이션

이 패키지의 주요 기능 중 하나는 2패스 가스 금속 아크 용접(GAMW)을 모델링하기 위해 열유속을 정의하는 방법을 자세히 설명합니다. 전기 아크에 의해 생성된 이 열유속은 용접부로 전달되어 온도를 크게 상승시킵니다. 용접 모델에서 열유속 구현은 Abaqus/Standard 솔버(암시적 방법)의 DFLUX 서브루틴을 사용하여 수행됩니다. 사용자 서브루틴 DFLUX에서 불균일 분포 플럭스는 온도, 시간, 적분점 수, 요소 수 등의 함수로 정의할 수 있습니다. 이 튜토리얼의 용접 시뮬레이션 모델에서는 요소 생성 및 비활성화 기법(요소 활성화 및 비활성화)을 사용하여 결과 예측의 정확도를 높였습니다.

용접 공정에는 서로 상호작용하는 여러 물리적 과정이 존재하며, 이러한 과정들이 열 유속을 생성하고, 결과적으로 용접 대상 부품의 최종 온도장을 형성합니다. 시간이 지남에 따라 다양한 용접 유형에서 열 유속을 예측하기 위해 다양한 열원 모델이 제시되고 개발되었습니다. 이러한 각 모델은 장단점을 가지고 있으며, 점차 일반화되고 개선되었습니다. 이 튜토리얼에서는 골닥 이중 타원체 열원 모델을 사용하여 DFLUX 서브루틴을 사용하여 GMAW 공정의 열 유속을 시뮬레이션합니다.

4. 워크숍

여러분의 학습을 강화하고자, 이 프로젝트에서는 여러분을 위해 6개의 워크숍을 준비했습니다. 자세한 내용은 아래에 나와 있습니다.

4.1. 워크숍 1: 오일러 요소를 사용한 FSW 시뮬레이션

첫 번째 워크숍에서는 오일러 요소를 사용하여 Abaqus에서 마찰 교반 용접(FSW) 시뮬레이션을 시연했습니다. 오일러 모델링에서는 재료가 메시를 통과하는 동안 노드가 고정되어 있어 자유 표면을 추적하기가 더 어렵습니다. 그러나 이 방식은 메시 자체가 고정되어 있기 때문에 메시 왜곡을 방지합니다. FSW는 비소모성 회전 공구와 작업물 사이의 마찰로 인해 열이 발생하여 부품의 접합을 용이하게 하는 연화 영역을 생성하는 고체 접합 공정입니다.

4.2. 워크숍 2: 폭발용접 시뮬레이션

두 번째 워크숍에서는 고에너지 속도 변형을 이용하여 금속판을 접합하는 고체 용접 공정인 폭발 용접을 시뮬레이션했습니다. 폭발은 강한 압력을 발생시켜 판이 서로 접합되도록 합니다.

4.3. 워크숍 3: SPH 방법을 이용한 FSW 시뮬레이션

세 번째 워크숍에서는 마찰 교반 용접 시뮬레이션을 위해 평활화 입자 유체 역학(SPH)을 사용했습니다. 이 접근법에는 요소가 없고 노드 집합만 존재하며, ABAQUS에서 사용 가능한 메시리스 방법 중 하나입니다.

4.4. 워크숍 4: 요소의 죽음과 탄생을 이용한 맞대기 용접법

네 번째 워크숍에서는 원소의 생성과 소멸을 이용하여 맞대기 용접을 시뮬레이션했습니다. 맞대기 용접은 두 소재의 모서리(또는 "맞대기")를 일반적으로 직선으로 정렬하여 접합하는 공정입니다. 전기 아크, 레이저 또는 기타 방법을 통해 생성된 열과 압력을 표면에 가하여 용접부를 만듭니다. 이 기술은 용접되는 소재의 두께가 같고 모서리끼리 맞닿아 있을 때, 특히 파이프, 판 또는 시트를 접합할 때 일반적으로 사용됩니다. 이 기법의 목표는 필러 재료 없이도 강력하고 연속적인 접합을 달성하는 것입니다.

4.5. 워크숍 5: DFLUX 서브루틴을 이용한 두 튜브 간 아크 용접 시뮬레이션(열기계 해석)

다섯 번째 워크숍에서는 Abaqus의 DFLUX 서브루틴을 활용하여 두 튜브 사이의 아크 용접을 시뮬레이션했습니다. DFLUX를 사용하면 사용자 정의 플럭스를 생성하여 시뮬레이션 중에 사용자 정의 하중 분포를 적용할 수 있습니다.