FLOW-3D 용접해석 개요

FLOW-3D 용접해석 개요

자료 제공: FLOW Science Japan

용접은 금속의 상변화, 용융시의 유동, 방열에 의한 응고 등을 포함한 복잡한 물리 현상입니다. FLOW-3D@에는 그 현상을 정밀하게 모델링하는 기능이 있고, 용접 현상을 충실하게 재현할 수 있습니다.

특히 용융 금속의 유동은 표면 장력의 영향이 강하고, 그 해석은 정확한 자유 계면의 추적이 필요합니다.

FLOW-3D@의 정확한 계면 추적 기능인 TruVOF®는 그 현상을 파악하기에 매우 적합합니다.

해석 조건으로 레이저의 power, spot size, distance, 움직임(분사방향) 등을 입력할 수 있으며, 보호가스는 밀도와 유속으로 설정 할 수 있습니다. 스패터의 분출 해석은 현재 지원되지 않습니다.

해석 결과로 용접 비드의 폭, 깊이, 기공의 유무 등 관찰할 수 있습니다.

열응력 해석은 FLOW-3D 유동 해석 결과를 Abaqus 등의 구조해석 프로그램에서 불러와서 별도로 열응력 해석을 수행해야 합니다.

해석 필요성

FLOW-3D 를 이용한 용접해석은

  • 높은 방사 강도와 고온으로 직접 관찰하기 어려운 내부 현상의 상세 내용을 가시화
  • 온도, 열, 용접 속도, 위치 관계, 재료 물성 등의 파라미터 연구 검토
  • 결함 예측 (공기연행, 응고 수축, 금속 산화) 등의 필요성

해석을 통해 얻는 이점

금속의 상변화, 용융시의 유체의 힘, 방열에 의한 응고 등의 물리모델 용접 현상을 분석할 수 있습니다.

또한 용융시에는 표면장력의 영향이 강하고, 자유계면을 추적하는 수치해석 방법에 대해 높은 정밀도가 요구됩니다. FLOW-3D@는 이러한 요구사항을 잘 처리할 수 있는 장점을 가지고 있어, 용접 용융-응고의 연속적인 현상을 정확하게 파악합니다.

FLOW-3D AM

flow3d AM-product
flow3d AM-product

FLOW-3D AM 은 레이저 파우더 베드 융합 (L-PBF), 바인더 제트 및 DED (Directed Energy Deposition)와 같은 적층 제조 공정 ( additive manufacturing )을 시뮬레이션하고 분석하는 CFD 소프트웨어입니다. FLOW-3D AM 의 다중 물리 기능은 공정 매개 변수의 분석 및 최적화를 위해 분말 확산 및 압축, 용융 풀 역학, L-PBF 및 DED에 대한 다공성 형성, 바인더 분사 공정을위한 수지 침투 및 확산에 대한 매우 정확한 시뮬레이션을 제공합니다.

3D 프린팅이라고도하는 적층 제조(additive manufacturing)는 일반적으로 층별 접근 방식을 사용하여, 분말 또는 와이어로 부품을 제조하는 방법입니다. 금속 기반 적층 제조 공정에 대한 관심은 지난 몇 년 동안 시작되었습니다. 오늘날 사용되는 3 대 금속 적층 제조 공정은 PBF (Powder Bed Fusion), DED (Directed Energy Deposition) 및 바인더 제트 ( Binder jetting ) 공정입니다.  FLOW-3D  AM  은 이러한 각 프로세스에 대한 고유 한 시뮬레이션 통찰력을 제공합니다.

파우더 베드 융합 및 직접 에너지 증착 공정에서 레이저 또는 전자 빔을 열원으로 사용할 수 있습니다. 두 경우 모두 PBF용 분말 형태와 DED 공정용 분말 또는 와이어 형태의 금속을 완전히 녹여 융합하여 층별로 부품을 형성합니다. 그러나 바인더 젯팅(Binder jetting)에서는 결합제 역할을 하는 수지가 금속 분말에 선택적으로 증착되어 층별로 부품을 형성합니다. 이러한 부품은 더 나은 치밀화를 달성하기 위해 소결됩니다.

FLOW-3D AM 의 자유 표면 추적 알고리즘과 다중 물리 모델은 이러한 각 프로세스를 높은 정확도로 시뮬레이션 할 수 있습니다. 레이저 파우더 베드 융합 (L-PBF) 공정 모델링 단계는 여기에서 자세히 설명합니다. DED 및 바인더 분사 공정에 대한 몇 가지 개념 증명 시뮬레이션도 표시됩니다.

레이저 파우더 베드 퓨전 (L-PBF)

L-PBF 공정에는 유체 흐름, 열 전달, 표면 장력, 상 변화 및 응고와 같은 복잡한 다중 물리학 현상이 포함되어 공정 및 궁극적으로 빌드 품질에 상당한 영향을 미칩니다. FLOW-3D AM 의 물리적 모델은 질량, 운동량 및 에너지 보존 방정식을 동시에 해결하는 동시에 입자 크기 분포 및 패킹 비율을 고려하여 중규모에서 용융 풀 현상을 시뮬레이션합니다.

FLOW-3D DEM FLOW-3D WELD 는 전체 파우더 베드 융합 공정을 시뮬레이션하는 데 사용됩니다. L-PBF 공정의 다양한 단계는 분말 베드 놓기, 분말 용융 및 응고,이어서 이전에 응고 된 층에 신선한 분말을 놓는 것, 그리고 다시 한번 새 층을 이전 층에 녹이고 융합시키는 것입니다. FLOW-3D AM  은 이러한 각 단계를 시뮬레이션하는 데 사용할 수 있습니다.

파우더 베드 부설 공정

FLOW-3D DEM을 사용하면 아래 동영상처럼 입자의 분포를 무작위로 떨어뜨려 파우더 베드 배치 프로세스를 시뮬레이션할 수 있습니다.

다양한 파우더 베드 압축을 달성하는 한 가지 방법은 베드를 놓는 동안 다양한 입자 크기 분포를 선택하는 것입니다. 아래에서 볼 수 있듯이 세 가지 크기의 입자 크기 분포가 있으며, 이는 가장 높은 압축을 제공하는 Case 2와 함께 다양한 분말 베드 압축을 초래합니다.

파우더 베드 분포 다양한 입자 크기 분포
세 가지 다른 입자 크기 분포를 사용하여 파우더 베드 배치
파우더 베드 압축 결과
세 가지 다른 입자 크기 분포를 사용한 분말 베드 압축

입자-입자 상호 작용, 유체-입자 결합 및 입자 이동 물체 상호 작용은 FLOW-3D DEM을 사용하여 자세히 분석 할 수도 있습니다 . 또한 입자간 힘을 지정하여 분말 살포 응용 분야를 보다 정확하게 연구 할 수도 있습니다.

FLOW-3D AM  시뮬레이션은 이산 요소 방법 (DEM)을 사용하여 역 회전하는 원통형 롤러로 인한 분말 확산을 연구합니다. 비디오 시작 부분에서 빌드 플랫폼이 위로 이동하는 동안 분말 저장소가 아래로 이동합니다. 그 직후, 롤러는 분말 입자 (초기 위치에 따라 색상이 지정됨)를 다음 층이 녹고 구축 될 준비를 위해 구축 플랫폼으로 펼칩니다. 이러한 시뮬레이션은 저장소에서 빌드 플랫폼으로 전송되는 분말 입자의 선호 크기에 대한 추가 통찰력을 제공 할 수 있습니다.

파우더 베드 용해

파우더 베드를 놓은 후 FLOW-3D  WELD 에서 레이저 빔 공정 매개 변수를 지정 하여 고 충실도 용융 풀 시뮬레이션을 수행 할 수 있습니다  . 온도, 속도, 고체 분율, 온도 구배 및 고체 속도의 플롯을 자세히 분석 할 수 있습니다.

레이저 출력 200W, 스캔 속도 3.0m / s, 스폿 반경 100μm에서 파우더 베드의 용융 풀 분석.

용융 풀이 응고되면 FLOW-3D AM  압력 및 온도 데이터를 Abaqus 또는 MSC Nastran과 같은 FEA 도구로 가져와 응력 윤곽 및 변위 프로파일을 분석 할 수도 있습니다.

다층 적층 제조

첫 번째 용융 층이 응고되면 입자의 두 번째 층이 응고 층에 증착됩니다. 새로운 분말 입자 층에 레이저 공정 매개 변수를 지정하여 용융 풀 시뮬레이션을 다시 수행합니다. 이 프로세스를 여러 번 반복하여 연속적으로 응고 된 층 간의 융합, 빌드 내 온도 구배를 평가하는 동시에 다공성 또는 기타 결함의 형성을 모니터링 할 수 있습니다.

다층 적층 적층 제조 시뮬레이션

바인더 분사 (Binder jetting)

Binder jetting 시뮬레이션은 모세관 힘의 영향을받는 파우더 베드에서 바인더의 확산 및 침투에 대한 통찰력을 제공합니다. 공정 매개 변수와 재료 특성은 증착 및 확산 공정에 직접적인 영향을 미칩니다.

방향성 에너지 증착

FLOW-3D AM 의 내장 입자 모델 을 사용하여 직접 에너지 증착 프로세스를 시뮬레이션 할 수 있습니다. 분말 주입 속도와 고체 기질에 입사되는 열유속을 지정함으로써 고체 입자는 용융 풀에 질량, 운동량 및 에너지를 추가 할 수 있습니다. 다음 비디오에서 고체 금속 입자가 용융 풀에 주입되고 기판에서 용융 풀의 후속 응고가 관찰됩니다.

dem9
dem10

FLOW DEM

FLOW DEM 은 FLOW-3D 의 기체 및 액체 유동 해석에 DEM(Discrete Element Method : 개별 요소법)공법인 입자의 거동을 분석해주는 모듈입니다.

주요 기능 :고체 요소의 충돌, 스프링(Spring) / 대시 포트(Dash Pot) 모델 적용 Void, 1 fluid, 2 fluid(자유 계면 포함) 각각의 모드에 대응 가변 밀도 / 가변 직경 입자 크기조절로 입자 특성을 유지하면서 입자 수를 감소 독립적인 DEM의 Sub Time Step 이용

Discrete Element Method : 개별 요소법

다수의 고체 요소의 충돌 운동을 분석하는 데 유용합니다. 유동 해석과 함께 사용하면 광범위한 용도에 응용을 할 수 있습니다.

dem1

입자 간의 충돌

Voigt model은 스프링(Spring) 및 대시 포트(Dash pot)의 조합에 의해 입자 충돌 시의 힘을 평가합니다. 탄성력 부분은 스프링 모델에서,
비탄성 충돌의 에너지 소산부분은 대시 포트 모델에서 시뮬레이션되고 있으며, 중량 및 항력은 작용하는 외력으로 고려 될 수 있습니다.

분석 모드

기본적으로 이용하는 운동 방정식은 FLOW-3D 에 사용되는 질량 입자의 운동 방정식과 같은 것이지만, 여기에 DEM으로
평가되는 항목이 추가되기 형태로되어 있으며, 실제 시뮬레이션으로는 ‘void + DEM’, ‘1 Fluid + DEM’ , ‘ 1 Fluid 자유계면 + DEM ‘을 기본 유동 모드로 취급이 가능합니다.

dem4

입자 유형

입자 타입도 표준 기능의 질량 입자 모델처럼 입자 크기 (반경)와 밀도가 동일한 것 외, 크기는 같지만 밀도가 다른 것이나 밀도는 같지만 크기가 다른 것 등도 취급 가능합니다. 이로 인해 표준 질량 입자 모델에서는 입자 간의 상호 작용이 고려되어 있지 않기 때문에 모든 아래에 가라 앉아 버리고 있었지만, FLOW DEM을 이용하여 기하학적 관계를 평가하는 것이 가능합니다.

dem7

응용 분야

1. Mechanical Engineering 분야

수지 충전, 스쿠류 이송, 분말 이송 / Resin filling, screw conveyance, powder conveyance

2. Civil Engineering분야

3. Civil Engineering 분야

파편, 자갈, 낙 성/ Debris flow, gravel, falling rock

dem11

3. Chemical Engineering, Pharmaceutics 분야

유동층, 사이클론, 교반기 / Fluidized bed, cyclone, stirrer

dem12

4. MEMS, Electrical Engineering 분야

하전 입자를 포함한 전기장 해석 등

dem15

입자 그룹 가시화

그룹 가시화

DEM은 일반적으로 다수의 입자를 필요로하는 분석을 상정하고 있습니다. 
다만 이 경우, 계산 부하가 높아 지므로 현실적인 계산자원을 고려하면, 입자 수가 너무 많아 현실적으로 취급 할 수 없는 경우 입자의 특성은 유지하고 숫자를 줄여 가시화할 필요가 있습니다 .
일반적인 유동해석 계산의 메쉬 해상도에 해당합니다.
메쉬 수 많음 (계산 부하 큼) → 소 (계산 부하 적음)
입자 수 다 (계산 부하 큼) → 소 (계산 부하 적음)

원래 입자수
입자 사이즈를 키운경우
그룹 가시화
  • 입자 수를 줄이기 위해 그대로 입경을 크게했을 경우와 그룹 가시화 한 경우의 비교.
  • 입자 크기를 크게하면 개별 입자 특성이 달라지기 때문에 거동이 달라진다. (본 사례에서는 부력이 커진다.)
  • 그룹 가시화의 경우 개별 특성은 동일 원래의 거동과 대체로 일치한다.

주조 시뮬레이션에 DEM 적용

그룹 가시화 비교 예

그룹 가시화한 경우와 입경을 크게하여 수를 줄인 경우, 입경을 크게하면
개별 입자 특성이 변화하여 거동이 바뀌어 버리기 때문에 실제 계산으로는 사용할 수 어렵습니다.

중자 모래 분사 분석

DEM에서의 계산부하를 생각할 때는 입자모델에 의한 안정제한을 고려해야 하지만 서브타임스텝이라는 개념을 도입함으로써 입자의 경우와 유체의 경우의 타임스텝을 바꾸고 필요이상으로 계산시간을 들이지 않고 효율적으로 계산하는 것을 가능하게 하고 있습니다.

이를 통해 예를 들어 중자사 분사 시뮬레이션 실험에서는 이러한 문제로 자주 이용되는 빙엄 유체에서는 실험과의 정합성이 별로 좋지 않기 때문에 당사에서는 이전부터 입상류 모델이라는 모델을 개발하고 연속체로부터의 접근에서도 실험과의 높은 정합성을 실현할 수 있는 모델화를 해왔는데, 이번에 DEM을 사용해도 그것과 거의 같은 결과를 얻습니다. 할 수 있음을 확인할 수 있었다.

Reference :

  • Lefebvre D., Mackenbrock A., Vidal V., Pavan V. and Haigh PM, 2004,
  • Development and use of simulation in the Design of Blown Cores and Moulds

Tilt Pour Casting (경동주조)

ilt Pour Casting (경동주조)

Simulation of the tilt pour process using FLOW-3D Cast.

경동주조는 수평 위치에 있는 금형에 용탕을 주입하는 공정입니다.  미리 세팅된 회전조건으로 주조 기계를 수직 위치로 회전시켜 용탕을 천천히 금형 안에 들어가게 합니다.

Temperature profile during a tilt pour filling cycle

경동주조 공정의 해석에서  금형의 회전을 완료하는 데 걸리는 시간은 매우 중요합니다. 회전속도는 사용자가 쉽게 최적화 할 수 있도록 FLOW-3D안에서 변경 가능합니다.  금형의 회전속도가 너무 빠르면 공기가 용탕에 포집되고, 너무 느리면 표면에 결함이 있을 것입니다. 온도 프로파일은 각각 액상 및 고상 온도로 최대 및 최소값을 그래프로 설정하여 가시화 됩니다. 여기는 제품이 절반 부분 채워지고 용탕 온도는 응고 온도에 접근하지 않아 초기 응고 현상이 일어나지 않을 것입니다.

Tilt pour casting animations

Surface oxide and entrained air defects (표면산화물과 공기의 혼입 결함)

수상 스포츠와 래프팅 장비에 사용되는 경량 알루미늄 부품은 높은 품질의 마무리가 필요로 하며 표면의 결함도 거의 없도록 주조 됩니다. 이 경동주조 시뮬레이션은 충진 과정에서의 표면 산화물과 공기가 포집될 가능성이 있는 영역을 보여 줍니다. 이러한 결함의 움직임을 아는 것은 주조 엔지니어가 결함을 제거하고자 게이트, 러너 및 라이저를 설계하는 데 도움이 됩니다. FLOW-3D는  6자유도(x,y,z 방향의 이동과 회전) 기능을 복합하여 금형의 모든 운동을 기술할 수 있으며 금형의 각 가속도 / 감속도을 시뮬레이션 할 수 있는 기능을 가지고 있습니다.

Velocity contours and thermal gradients

합금 속도의 정확한 제어는 turbulent gas porosity 같은 주조 결함을 최소화 시킬 수 있습니다.이 애니메이션은 자동 틸팅 순서를 통해 sprue 와 gate 설계 내 속도 윤곽을 보여줍니다. 온도 구배의 분석은 초기 응고와 뜨거운 금속을 나타냅니다. 더 나은 금형 설계를 위해 수축 결함 및 응고 볼륨 보상을 위한 금형을 설계합니다.

FlowSight

FlowSight

FlowSight는 FLOW3DFLOW-3D CAST결과의 정교한 시각화를 제공하도록 설계된 고급 후 처리 도구입니다. FlowSight는 직관적인 후처리 인터페이스 내에서 우수한 결과 분석 기능을 갖춘 모델을 제공합니다. 스플 라인 경로를 따라 임의의 2D클립, 3D클립 및 투명도, 볼륨 렌더링, 고급 데이터 타임 시리즈 플로팅, 간소화 및 벡터 플롯은 사용 가능한 놀라운 도구의 일부에 불과합니다. FlowSight를 사용하면 여러 뷰 포트와 동적 객체 시각화 도구로 구성된 풍부한 기능 세트와 결합되어 있으므로 엔지니어는 분석 및 프레젠테이션 요구 사항에 맞게 CFD결과를 최대한 활용할 수 있습니다.

FlowSight는 모든 FLOW-3DFLOW-3D CAST라이센스에 포함되어 추가비용 없이 사용할 수 있습니다.

새로운–스플 라인 클립!

FlowSight의 스플라인 클립 기능을 사용하면 복잡한 곡면을 따라 클립을 생성할 수 있습니다. ogee weir 위로 물이 흐르는 시뮬레이션에서, 스플 라인은 ogee weir의 표면을 따라 형성됩니다. 그런 다음 스플 라인이 돌출되어 웨어 표면을 따라 물의 자유 표면 높이에 의해 색상이 지정된 클립을 생성합니다.

키 프레임 기능

크고 복잡한 시뮬레이션을 분석 할 때 매우 일반적인 문제는 관심 영역이 형상에 의해 가려지거나 시뮬레이션이 시간이 지남에 따라 변경됨에 따라 관심 영역이 변경 될 수 있다는 것입니다. 키 프레임은 분석 중에 형상을 “분리되도록”허용하고 시점이 시간과 공간을 통해 이동할 수 있도록 하여 이 문제를 해결합니다.

이 애니메이션은 FlowSight의 키 프레임 기능을 사용하여 충전하는 동안 다이 반쪽을 “시각적으로”열고 다이를 채우는 금속을 표시하면서 다이 표면에 고체 온도를 표시하는 방법을 보여줍니다.

Particle Visualization

FlowSight는 파티클(입자) 시각화 기능을 완벽하게 갖추고 있습니다. 입자는 입자 직경, 입자 밀도, 입자 수명, 속도 및 관련성이 있는 기타 변수에 의해 색상이 지정될 수 있습니다. 이 경우, 입자는 각각의 직경의 크기에 의해 착색됩니다.

속도 벡터 필드

FlowSight는 사용자에게 평면 또는 도메인 전체에 걸친 전체 볼륨 속도 및 방향 분석에 속도 벡터 필드를 시각화하는 옵션을 제공합니다. 사용자 지정 가능한 벡터 필드를 사용하면 다양한 색상 지정 및 밀도 조정이 가능하여 선명도를 높일 수 있습니다.

Streamlines & Pathlines

FlowSight의 유선(Streamlines) 기능은 복잡한 동적 패턴을 완전한 충실도로 시각화하여 유동장 속도 방향에 대해 실시간 스냅 샷을 제공합니다. 경로 선(Pathlines)은 시간을 따른 유체 입자의 궤적을 시뮬레이션하는 동안, 히스토리 라인은 유동장에서 유체 입자를 애니메이션 합니다.

Iso-surfaces

Iso-surfaces 은 유체 및 고체 표면을 시각화하는 강력하고 빠른 방법으로, 일정한 난류 에너지 영역을 표시하는 데 적합합니다.

Volume Render

iso-surface에서만 변수를 표시하는 대신 사용자 지정 가능한 볼륨 맵을 사용하여 볼륨 전체에 걸쳐 변수를 표시합니다. 그림에 표시된 바와 같이 각 기포와 주변 액체의 변형률 크기는 볼륨 렌더링과 함께 표시됩니다.

 

Multiple Data Views

숫자 및 다양한 그래프 등의 시각적 형식으로 분석하기

Visualizing Non-inertial Reference Frame Motion

Non-inertial reference frame visualization는 편리한 시뮬레이션 설정을 제공하고 계산 시간을 단축하며 사용자가 사실적인 방식으로 모델을 시각화 할 수 있게합니다.

2D Clips

2D 클립은 모든 단면 평면에서 유체 매개 변수를 시각화하는 데 사용됩니다.

3D Clipping

3D 클리핑 도구를 사용하면 사용자가 6 개 방향 모두에서 등면을 동시에 슬라이스 할 수 있으며, 높은 결함 영역을 감지하고 유체 및 고체 영역 내부의 온도, 압력, 속도 프로파일을 시각화하는 데 유용합니다.

  • 특정 방향의 범위 사이에 애니메이션 제공
  • 한 번에 한 방향으로 스왑
  • 양방향 애니메이션 : 앞으로 및 뒤로

Arbitrary Clips

평면, 원통형, 상자, 원뿔형, 구형 및 간소화된 표면에 대한 시각화를 포함하여 광범위한 유연성으로 표면 뷰를 분석할 수 있습니다. 유체 흐름이 평면이 아닌 표면에 대한 시각화가 필요한 경우 유용합니다. 임의 클립을 사용하면 연속적으로 여러 클립을 만들 수도 있습니다.

Probe Data

포인트 프로브는 시간에 따른 변수의 진화를 보여주고, 라인 프로브는 거리에 따른 변수 값의 변화를 반환합니다. 오른쪽, 프로브는 유체의 응고 비율을 보여줍니다.

Vortex Cores

와류 코어 식별에 사용할 수있는 두 가지 옵션인 와류 및 고유 분석을 통해 코어 강도에 따라 필터링 가능한 결과 생성이 가능합니다.

엔지니어들은 연구를 위해 다양한 시각화 방법을 사용합니다. 유체 흐름에서 와류 코어의 분석은 중요한 문제로, 와류 코어는 속도 필드 내에 와류 구조 (중앙 트레이스)를 나타내는 선 입니다. 기술적으로, FlowSight는 와류 방법 및 고유치 분석에서 속도 벡터와 소용돌이 벡터의 속도장에서의 식별위치는 평행합니다. FlowSight는 사용자에게 와류 코어 식별을 위한 두 가지 옵션을 제공합니다. 코어는 특정 강도 이상 또는 이하로 FlowSight에서 필터링 될 수 있습니다. 코어는 일반적으로 코어 주위에 회전 또는 단순히 순환 강도의 비율에 의해 채색됩니다. 아래의 예에서는, 와류 코어 고유치 값 분석을 이용하여 생성됩니다. 강한 코어는 소용돌이의 중심에 형성되어있는 것을 알 수 있습니다. 이를 통해 사용자는 펌프로 공기 흡입의 가능성을 연구 할 수 있습니다. 코어가 너무 강한 경우, 공기는 강한 와류로 인해 야기되는 열린 통로로부터 흡입될 수 있습니다.

History Data

그래프 도구는 일반적인 히스토리, 진단 및 메시 종속 데이터에 강력한 수준의 분석을 제공하여 서로 다른 시뮬레이션 데이터를 상대적으로 보여줍니다.