COMSOL Multiphysics® 5.6 Release Highlights


Multibody Dynamics Module Updates


Multibody Dynamics사용자는 새로운 버전에서 강체 접촉 및 마찰, 조인트의 틈새 설정, 자동화된 조인트 설정을 추가로 사용 할 수 있습니다. 더 자세한 사항은 아래 내용을 보시기 바랍니다.


Rigid Body Contact and Friction


새로운 버전에는 Multibody Dynamcis 인터페이스에서 강체 간의 접촉 설정이 가능합니다. Rigid Body Contact노드를 이용하여 설정이 가능합니다. 이 기능은 표준 모양의 강체 간에 메시 없이 접촉 해석을 수행하는 기능을 제공합니다. Spherical-Spherical과 Spherical-Arbitrary형상 타입의 접촉 해석을 지원합니다. 따라서 구형-구형 접촉은 구 형과 구 내부의 오목한 경계를 접촉으로 설정하여 계산이 가능합니다. 접촉 모델은 Penalty혹은 Penalty dynamic 중에 선택할 수 있고, 마찰력은 연속 마찰 법칙을 이용하여 시간 해석에 적합한 모델을 사용합니다. 관련 내용은 Dynamics of a Cylindrical Roller Bearing예제를 통해서 확인 할 수 있습니다.

실린더 롤러 베어링의 강체 접촉과 마찰 해석 결과. 녹색 화살표가 접촉력의 상대 크기와 방향을 표시 함

실린더 롤러 베어링의 강체 접촉과 마찰 해석 결과. 녹색 화살표가 접촉력의 상대 크기와 방향을 표시 함.



Clearance Joint


조인트는 실제 상황에서 완전히 일치 하지 않고 공차가 발생하게 됩니다. 이러한 조인트를 모사하는 기능인 Multibody Dynamics의 Clearance Joint가 추가 되었습니다. 이 기능을 사용하면 평행 이동에 공차를 포함한 결과 값을 제공합니다. 강제로 거리 제약 조건을 인가하게 됩니다. 두 연결된 물체간에 회전이 가능하고, 2 차원 힌지 조인트 및 3차원 볼 조인트와 같은 이동이 가능하게 됩니다. 이와 관련된 기능은 Slider Crank Mechanism with Joint Clearance 예제를 통해서 자세한 내용을 확인 할 수 있습니다.

 슬라이더 크랭크 운동에서 공차 조인트 모델. 두 연결체간의 상대 회전, 공차를 포함한 이동 결과를 표시하고 있습니다.

슬라이더 크랭크 운동에서 공차 조인트 모델. 두 연결체간의 상대 회전, 공차를 포함한 이동 결과를 표시하고 있습니다.



Automatic Joint Creation from Geometry


형상 구성 시에 자동으로 조인트를 생성할 수 있게 되었습니다. 이 기능은 매우 큰 다 물체 모델을 구성할 때 쉽게 모델을 구성 할 수 있습니다. 새로운 Create Joints버튼은 Multibody Dynamics인터페이스의 Automated Model Setup항에서 사용 할 수 있습니다. Identity Pairs 조건이 생성되는 형상 부분에 자동으로 조인트를 생성해 줍니다. 자동으로 프리즈매틱, 힌지, 볼 조인트가 평면, 실린더, 구형 면에서 각각 생성됩니다. 특정한 면에 적합한 조인트를 선택하여 적용할 수 있습니다. 조인트를 자동으로 생성하면 자동으로 면들이 선택되고, 중심 및 축 정보가 생성됩니다. 이러한 기능은 아래 예제 모델에서 확인 가능 합니다.

  • three_-_cylinder_reciprocating_engine
  • reciprocating_engine_with_hydrodynamic_bearings
  • slider_crank_mechanism_with_joint_clearance (새로운 모델)
  • dynamics_of_a_cylindrical_roller_bearing (새로운 모델)


 그림은 Multibody Dynamics 인터페이스에서 Automated Model Setup에 있는 Create Joints버튼을 사용하여 자동으로 힌지 조인트 노드가 만들어지는 것을 보여 주고 있습니다.

그림은 Multibody Dynamics 인터페이스에서 Automated Model Setup에 있는 Create Joints버튼을 사용하여 자동으로 힌지 조인트 노드가 만들어지는 것을 보여 주고 있습니다.



Lumped-Structure Connection Coupling


Lumped-Structure Connection 다중물리연동 설정이 임의의 구조역학 인터페이스로 구성한 유한요소 모델과 Lumped Mechanical System 인터페이스를 사용하여 만든 집중(lumped) 시스템을 연결하는데 사용 가능하게 되었습니다. External Source 혹은 Displacement Node를 통해서 연동하게 됩니다. 이는 구조 해석 모델에 따라서 연동하는 방법이 달라 지게 됩니다. 보다 자세한 내용은 Lumped Model of a Vehicle Suspension System 예제를 참고해 보시기 바랍니다.

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Lumped Mechanical System Modeling Enhancements


Lumped Mechanical System 모델링 기능이 여러 측면에서 향상되었습니다. 이제 집중형 기계 시스템에 대해 중첩 및 파라메트릭 하위 시스템이 지원됩니다. 중첩된 하위 시스템을 사용하면 보다 복잡한 시스템을 보다 쉽게 모델링 할 수 있으며, 파라메트릭 하위 시스템을 사용하면 보다 범용적인 하위 시스템 모델을 만들 수 있습니다. 새 Input Parameters 섹션이 Subsystem Definition및 Subsystem Instance노드에 추가되었습니다. 동일한 모델에서 여러 하위 시스템 인스턴스를 다른 입력 매개 변수와 함께 사용할 수 있습니다.

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Nonlinear Spring in Joints


Multibody Dynamics 인터페이스에 있는 모든 Joint 노드의 Spring 및 Damper 하위 노드에 새로운 Spring 유형 옵션이 추가되었습니다. Spring type 옵션은 Spring constant를 지정하는 기존 옵션에 Force as function of extension를 지정할 수 있습니다. 이를 사용하여 스프링 힘을 확장 함수로 작성하여 조인트에 부착된 비선형 스프링을 모델링 할 수 있습니다. 회전 자유도가 있는 조인트에서 대신 Moment as function of rotation를 지정할 수 있습니다.

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Physics Symbol for Joints


Multibody Dynamics 인터페이스에서 사용할 수 있는 모든 Joint 노드에 대해 Physics Symbols에 대한 지원이 추가되었습니다. 사용되는 물리 기호는 조인트 유형마다 다르며 조인트 중앙에 배치됩니다. 또한 연결선은 조인트 센터에서 모든 소스 및 대상 센터로 그려집니다.

이 예에서는 조인트에 대한 물리 기호가 표시됩니다. 심볼은 조인트의 중앙에 배치되고, 커넥터 라인 (빨간색 및 녹색 색상)은 소스 및 대상 센터를 조인트 중심에 연결하는 것을 볼 수 있습니다.

이 예에서는 조인트에 대한 물리 기호가 표시됩니다. 심볼은 조인트의 중앙에 배치되고, 커넥터 라인 (빨간색 및 녹색 색상)은 소스 및 대상 센터를 조인트 중심에 연결하는 것을 볼 수 있습니다.



Dynamic Contact


동적 접촉 해석을 위한 새로운 알고리즘은 과도 접촉 과정 중의 모멘텀 및 에너지 보존관련 획기적인 개선 사항을 제공합니다. 이는 이전 버전보다 획기적으로 큰 시간 스텝을 가지고 과도 접촉 문제를 보다 정확하게 모델링할 수 있음을 의미합니다. 이러한 새로운 방법들은 Contact 노드 내에 있는 Penalty, dynamic 혹은 Augmented Lagrangian, dynamic을 선택하여 접근할 수 있습니다. 새로운 Impact Between Two Soft Rings 과 Impact Analysis of a Golf Ball 예제(아래 그림)에서 이러한 기능을 확인할 수 있습니다.



Simulation of Wear


기계적인 마모 모델링은 Solid Mechanics 혹은 Multibody Dynamics 인터페이스에서 Contact 하부에 Wear 노드를 추가하여 사용할 수 있습니다. 마모비율은 generalized Archard 방정식에 기반을 두고 있습니다. 마모 모델링 관련 두 가지 알고리즘이 있습니다. 일반적인 마모와 마모에 따라 임의의 형상이 변하는 것이 그것인데, deformed geometry 접근법이 사용됩니다. 마모를 접촉 갭에서 옵셋(offset)을 시켜서 단순화한 접근방법도 있습니다. 이러한 마모 특성을 Disc Brake Pad Wear 모델에서 확인 가능합니다.

 디스크 브레이크 패드(속도를 나타내는 화살표는 단순 가시화 목적입니다)의 마모 성장.

디스크 브레이크 패드(속도를 나타내는 화살표는 단순 가시화 목적입니다)의 마모 성장.



Springs and Dampers Connecting Points


모든 구조관련 인터페이스에서, Spring-Damper 라는 기능을 추가할 수 있는데, 이것은 스프링/댐퍼로 두 지점을 연결하는 것입니다. 지점들은 형상적으로 점들을 나타내며, 이들은 attachment, 혹은 강체와의 직접 연결을 통해 제거할 수 있습니다. 스프링은 두 점들을 연결하는 선에 따라 힘을 적용하거나 모든 방향의 병진과 회전 자유도를 공유하는 완전 연결된 형태의 행렬로 표현할 수 있습니다. 이는 두 개의 상이한 인터페이스에 놓여 있는 점들 간에 스프링으로 연결할 수 있습니다.

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Rigid Connector Improvements


Rigid Connector 특성에 몇 가지 개선 사항이 있습니다. Beam 및 Shell 인터페이스에서 선택 대안이 높은 레벨로 확장되었는데, 이는 경계면 및 에지를 의미합니다. 회전 중심이 선택한 한 점으로 정의될 때, 점은 더 이상 인터페이스의 영역이 아닙니다. Rigid connectors는 상이한 인터페이스 간에도 연결이 가능하여, 새로운 유형의 가상 강체(이것은 rigid connector의 설정창에 있는 Advanced 항목에 있습니다)를 정의할 수 있습니다. Solid Mechanics, Shell 및 Beam 인터페이스에서 NASTRAN® 형식 파일을 불러와서 RBE2 요소를 자동으로 생성할 수 있습니다. 이는 Automatic Modeling 이라는 영역에서 제어할 수 있습니다. Rigid connectors는 불러온 파일에서 연결을 모사하기 위한 몇몇 인터페이스에 속할 수 있습니다.

 Beam 인터페이스에서 사용된 볼트 모델의 끝점은 Solid Mechanics에서 모델링된 솔리드 면의 임의 경계면과 강체 연결할 수 있습니다.

Beam 인터페이스에서 사용된 볼트 모델의 끝점은 Solid Mechanics에서 모델링된 솔리드 면의 임의 경계면과 강체 연결할 수 있습니다.



Friction with a Known Sliding Velocity


주어진 상대 속도를 갖고 두 객체가 서로 미끄러질 때, 마찰력의 방향은 알 수 있습니다. 이 때, 마찰력을 알 필요는 없으므로 해석 속도를 획기적으로 빠르게 할 수 있습니다. Slip Velocity 특성은 Contact 하위 노드로 추가하여 이러한 경우에 대해 사용 가능합니다. 노드 입력값은 Friction 노드와 유사합니다. 이러한 특성은 Disc Brake Pad Wear 모델에서 확인할 수 있습니다.

 디스크 브레이크와 패드 간의 마찰을 Slip Velocity 노드를 사용하여 모델링한 사례. 상대 운동은 임의로 표현할 수 있습니다. 표면에 나타난 출력값은 마찰력의 크기를 나타냅니다.

디스크 브레이크와 패드 간의 마찰을 Slip Velocity 노드를 사용하여 모델링한 사례. 상대 운동은 임의로 표현할 수 있습니다. 표면에 나타난 출력값은 마찰력의 크기를 나타냅니다.



New Option for Prescribing Rotating Frame Speed


Solid Mechanics 및 Multibody Dynamics 인터페이스에 있는 Rotating Frame 노드에서, 새로운 Rigid body 사양이 추가되었습니다. 이 사양을 가지고, 회전축 주위의 시간 종속 토오크를 입력하면, 회전 속도가 강체 운동방정식의 조합으로 계산됩니다.

Contact ImprovementsSpeed


새로운 동적 접촉과 마모 기능에 더하여, 몇 가지 기계적인 접촉 분야에 있어서 개선 사항이 있습니다. 증대 라그랑지안(augmented Lagrangian) 접촉 알고리즘과 함께 fully coupled 솔버를 사용할 수 있으며, 솔버 설정을 더 쉽게 할 수 있고, 몇몇 문제에 있어서 안정성 및 수렴성이 더욱 좋아졌습니다. 또한 Contact의 Friction하위 노드에서 Friction 모델을 User defined로 설정하여 어떤 변수이든지 간에 미끄럼이 발생하는 수평방향 힘에 대한 표현을 직접 입력할 수 있습니다. 결국에는 Penalty method 및 Augmented Lagrangian method에 대한 새로운 penalty factor를 제공하는 몇 가지 기능이 추가되었습니다.

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Computing Rotation from Displacements


변위 자유도를 갖는 인터페이스는 때로는 회전을 고려할 필요가 있습니다. 이러한 이유로, 회전을 표현할 변수를 생성하기 위해 지점 변위를 사용하는 새로운 Average Rotation 노드를 추가하여 사용 가능합니다. 세 개 이상의 점들이 있다면, 최소 자승법이 전체 점들에 대한 강체 회전의 최적 근사화를 만들어 적용됩니다. 부가적으로, 각속도 및 각가속도를 계산할 수 있습니다. 이것은 Impact Analysis of a Golf Ball 및 Sensitivity Analysis of a Truss Tower 에서 확인 가능합니다

 충돌 후 평균 선형 각속도를 계산하기 위한 골프공에 있는 6개 점의 선택.

충돌 후 평균 선형 각속도를 계산하기 위한 골프공에 있는 6개 점의 선택.



New Tutorial Models


Multibody Dynamics 모듈은 다음의 새로운 예제 모델이 추가 되었습니다.

Dynamics of a Cylindrical Roller Bearing

 실린더 롤러 베어링의 롤러와 케이지의 속도 크기. 녹색 화살표는 첩촉력 방향과 상대 크기를 나타냄.

실린더 롤러 베어링의 롤러와 케이지의 속도 크기. 녹색 화살표는 첩촉력 방향과 상대 크기를 나타냄.

Slider Crank Mechanism with Joint Clearance

 커넥팅로드-슬라이더 조인트에 공차가 있는 슬라이더 크랭크 메커니즘에서 슬라이더에 대한 커넥팅 로드 저널의 상대 변위.

커넥팅로드-슬라이더 조인트에 공차가 있는 슬라이더 크랭크 메커니즘에서 슬라이더에 대한 커넥팅 로드 저널의 상대 변위.


Modeling of Vibration and Noise in a Gearbox: Bearing Version

 기어 박스 하우징의 응력과 기어 및 축의 속도 결과. 검정색 화살표가 베어링 하중을 표시 함.

기어 박스 하우징의 응력과 기어 및 축의 속도 결과. 검정색 화살표가 베어링 하중을 표시 함.