Abaqus에서 관성 용접 공정 시뮬레이션 | Fortran 서브루틴 및 Python 스크립트

소개

항공우주, 자동차 및 제조 산업에서는 고강도 무결함 용접을 위한 핵심 접합 공정으로 관성 용접을 널리 사용합니다. 관성 용접은 운동 에너지를 이용하여 두 금속 부품을 접합하는 고체 상태 공정입니다. 이 튜토리얼은 강력한 유한요소해석(FEA) 도구인 Abaqus를 사용하여 관성 용접 공정을 시뮬레이션하는 방법을 포괄적으로 설명합니다. 본 튜토리얼은 Abaqus에만 집중하여 복잡한 열 및 기계 현상 모델링에 대한 Abaqus의 역량을 보여줍니다. Fortran 서브루틴을 통합하여 다양한 열 조건에서 마찰 가열, 온도 분포 및 재료 거동을 높은 정밀도로 모델링합니다. 엔지니어는 Python 스크립트를 사용하여 리메싱 프로세스를 자동화하고 Abaqus/CAE에서 모델을 자동으로 생성하여 수동 작업을 줄입니다.

연구원과 엔지니어를 위해 설계된 이 가이드는 회전 용접의 한 유형인 관성 마찰 용접을 위한 Abaqus 시뮬레이션 설정 방법을 다룹니다. 축대칭 모델을 정의하고, 재료 특성을 적용하고, 사용자 정의 서브루틴을 통합하고, Python을 사용하여 프로세스를 자동화하는 방법을 자세히 설명합니다. 이 가이드를 통해 관성 용접 프로세스를 효율적으로 분석하는 강력한 방법론을 갖추게 될 것입니다. 제공된 스크립트에 문제 매개변수를 설정하고 Abaqus에서 실행하면 시뮬레이션이 자동으로 실행됩니다.

이 프로젝트에서는 Abaqus에서 관성 용접을 모델링하는 방법을 단계별로 설명합니다. Abaqus 문서 그리고 잘 알려진 종이. 이 튜토리얼의 장점은 서브루틴을 줄별로 설명하고 모델링 과정을 단계별로 자세히 설명한다는 것입니다. 따라서 이 프로젝트를 수정하여 직접 문제를 시뮬레이션할 수 있습니다. 이를 간소화하기 위해 Python 코드를 수정하고 매개변수 형식으로 변환했습니다. 그 결과, 스크립트 내에서 내부 및 외부 반지름을 변경하고 최소한의 노력으로 문제를 모델링할 수 있습니다.

관성 마찰 용접 공정

관성 마찰 용접 공정은 다음과 같이 여러 단계가 필요한 복잡한 작업입니다.

1. 준비: 용접할 두 부분을 정렬하고 제자리에 고정합니다. 한 부분은 고정하고 다른 부분은 플라이휠에 연결된 회전 척에 장착합니다.
2. 가속: 회전하는 척과 플라이휠이 고속으로 가속되어 운동 에너지를 저장합니다.
3. 단조: 회전하는 부분이 고정된 부분과 접촉하면서 저장된 운동 에너지가 마찰을 통해 열로 변환됩니다. 이 열은 금속의 경계면을 연화시킵니다.
4. 용접: 플라이휠의 속도가 느려지면 부품 사이의 압력이 증가하여 부드러워진 금속이 섞이고 단단한 결합을 형성합니다.
5. 냉각: 용접된 조인트를 식혀서 접합부를 굳힙니다.

이러한 공정을 정확하게 수행하려면 플라이휠 속도, 압력, 그리고 용접 시간을 정밀하게 조정하여 원하는 용접 형상을 확보해야 합니다. 이러한 매개변수를 실험적으로 설계하는 것은 상당한 비용과 시간이 소요되는 까다로운 작업이며, 종종 비실용적입니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 최근 관성 용접 공정을 효율적으로 분석하기 위한 수치 시뮬레이션이 주목을 받고 있습니다.

관성 용접 시뮬레이션 개요

관성 용접 공정은 회전하는 원통형 부품을 고정된 원통형 부품에 압착하는 방식으로, 중공 원통에 적용할 수 있습니다. 계면에서의 마찰은 열을 발생시켜 재료가 접합부를 형성할 수 있을 만큼 유연해질 때까지 온도를 상승시킵니다. Abaqus에서 관성 용접 공정을 시뮬레이션하려면 마찰열 발생, 열전도, 그리고 재료 변형의 상호 작용을 파악해야 합니다. 큰 변형으로 인해 리메싱이 필요하며, 이는 공정의 복잡성을 증가시킵니다. 제공된 Python 스크립트로 구현된 관성 용접 시뮬레이션 워크플로는 다음 단계로 구성됩니다.

1. 모델 설정
   • 정확도를 유지하면서 계산 수요를 줄이기 위해 2D 축대칭 모델을 정의합니다.
   • 온도에 따른 열전도도, 비열, 밀도와 같은 재료 속성을 지정합니다.
2. 열 분석
   • 열전달 문제를 풀어 시간에 따른 온도 분포를 계산합니다.
   • 마찰로 인한 열 발생과 대류로 인한 경계 열 손실을 포함합니다.
3. 기계적 분석
   • 온도 구배로 인한 열 응력과 변형을 평가합니다.
   • 온도가 단조 임계값에 도달하는지 확인하여 용접 이음 품질을 검증합니다.

따라서, 아래에서 논의되는 바와 같이 관성 용접 공정의 Abaqus 시뮬레이션에서 주요 단계를 고려해야 합니다.

Abaqus 시뮬레이션의 주요 단계

관성 용접 공정에 대한 Abaqus 시뮬레이션의 주요 단계는 다음과 같습니다.

전처리

• 형상 정의: 원통형 시편은 Abaqus/CAE에서 축대칭 부품으로 모델링되어 문제를 단순화하는 동시에 용접 공정을 정확하게 반영합니다. 형상은 용접 시편을 나타내는 두 개의 축대칭 원통으로 구성되며, 접촉면은 두 시편의 경계면에서 정의됩니다.
• 재료 특성: 열전도도, 비열, 밀도와 같은 온도 의존적인 재료 특성을 적용할 수 있습니다. 재료 특성은 Python 스크립트를 통해 지정되므로 정밀성과 효율성을 보장합니다.
• 경계 조건 및 하중: 상부 시편에는 회전 운동과 축방향 압력이 작용합니다. 하부는 고정되어 있습니다. 계면 마찰은 온도 및 속도에 따른 마찰 계수를 사용하여 모델링합니다.
• 메시 생성: 접촉 계면에 더 미세한 메시를 사용하여 가파른 온도 및 응력 기울기를 포착합니다. 메시 미세화를 통해 정확도를 저하시키지 않으면서 계산 효율성을 보장합니다.

Fortran 서브루틴을 사용한 사용자 정의

FRIC 및 UEL Fortran 서브루틴은 아래에 설명된 대로 시뮬레이션 정밀도를 향상시킵니다.

• 마찰 거동: FRIC 서브루틴은 마찰 거동을 여러 매개변수의 함수로 정의합니다.
• 플라이휠 효과: UEL 서브루틴은 플라이휠의 회전 관성을 모델링합니다.

설치 과정에서는 이러한 서브루틴을 컴파일하고 연결하여 Abaqus와 원활하게 통합합니다.