deform 3d

Design Environment for FORMing

DEFORM-3D Basic Training

Overview

DEFORM-3D: Tutorial 목차

LAB 1 : Block 전처리

LAB 2 : Block 위치 이동 및 전처리

LAB 3 : Block 성형 시뮬레이션 및 후처리

LAB 4 : Square ring

LAB 5 : Spike 단조

LAB 6 : Spike Forging 금형응력해석

LAB 7 : Gear Carrier 단조

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LAB 1. Block 전처리

시작-> 모든 프로그램에서 “DEFORM-3D”를 선택하여 메인프로그램을 시작합니다. 메인 프로그램은 Problem Tree창, 요약 및 미리보기창, 도구창으로 구성되어 있습니다.

도구창 Problem Tree 요약 및 미리보기

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화면 상단의 환경설정 메뉴(Option/environment)에서 사용언어, 단위계, 물성라이브러리, 사용자 유형 등을 설정할 수 있습니다. 단위계를 SI로 변경하고 Ok를 눌러 창을 닫습니다.

• 언어: 영어 or 한국어 • 단위: SI or English • 물성라이브러리: Standard • 사용자 유형: Novice(초급) • 사용자 디렉토리 • 멀티 프로세서 사용 • 이메일 설정 • 폰트크기 설정 • 기타

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새로운 문제를 시작하기 위해 상단 매뉴에서 [File] Æ [New Problem] or New Problem 아이콘( )을 누릅니다. Problem setup창에서 DEFORM-3D preprocessor를 선택, 경로창에서 Other place, 이름창에서 BLOCK를 입력합니다.

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전처리기의 초기화면

Object Tree

Display Window

Object Data

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해석 설정과 관련된 상단메뉴의 아이콘 설명

기 능

아이콘

설 명

Simulation Control

시뮬레이션에 필요한 스텝 설정.

Material

해석에 사용되는 재료물성 설정.

Object Positioning

객체의 위치 설정.

Inter Object

객체 상호간의 관계 및 마찰조건 설정.

Database Generation

시뮬레이션을 위한 데이터베이스 생성

Exit

전처리기를 마치고 메인 프로그램으로 이동

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메뉴의 우측 상단에 위치한 Simulation Control 아이콘( ) 을 눌러서 Simulation Title을 BLOCK로 바꿉니다. 그리고 단위를 SI, Mode는 Deformation을 선택하고 Ok를 눌러 창을 닫습니다.

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Object tree 에는 Workpiece(Object #1)가 기본 설정으로서 생성되어 있습니다. 만약 없다면 Object Tree와 Object Data사이에 있는 Insert Object아이콘을 눌러 Workpiece (Object #1)를 생성합니다. Object Name을 Workpiece, Object Type을 Plastic(강소성체)으로 선택합니다.

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Object Data창의 옵션을 Geometry로 변경하고, Geo Primitive… 버튼을 누릅니다. 폭(W) 50mm, 높이(H) 200mm, 길이(L) 100mm를 입력하고 Create버튼을 누르면 사각 블록 형상이 생성됩니다.

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Object Data창의 옵션을 Mesh로 변경하고, Number of elements를 5000개로 수정합니다. Generate Mesh를 누르면 오른쪽 그림과 같이 사각 블록 형상에 메쉬가 생성됩니다.

. .

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객체 조작과 관련된 상단 메뉴의 아이콘 설명

아이콘

기 능 Select

설 명 객체의 포인트, 요소, 면 등을 선택할 때 사용한다.

Pan

Display 창에서 마우스 왼쪽 버튼을 눌러 객체를 상하좌우로 움직일 수 있다. (Shift + 마우스 왼쪽버튼)

Zoom

Display 창에서 마우스 왼쪽 버튼을 눌러 상하로 움직이면서 객체를 확대/축소 할 수 있다. (Alt + 마우스 왼쪽버튼)

Magnify

Display창에서 마우스 왼쪽 버튼을 눌러 드래그한 부분을 확대 할 수 있다. (Ctrl + Alt + 마우스 왼쪽버튼)

Rotate

Display창에서 마우스 왼쪽버튼을 누른상태에서 자유롭게 객 체를 회전시킬 수 있다. (Ctrl + 마우스 왼쪽버튼 or 마우스 가운데 버튼)

X축 Rotation

X축을 중심축으로 하여 객체를 회전시킨다.

Y축 Rotation

Y축을 중심축으로 하여 객체를 회전시킨다.

Z축 Rotation

Z축을 중심축으로 하여 객체를 회전시킨다. marketingLab - 12 -


기타 상단 메뉴의 아이콘 설명 아이콘

기 능 Print

설 명 Display창의 화면을 Print로 전송한다.

Capture image

Display창의 화면을 그림파일로 저장한다.

Capture image to Clipboard

Display창의 화면을 클립보드로 복사한다.

Refresh

Display 창에 남아있는 측정된 Line들을 없애준다.

View fit

Display 창에 맞춰서 모든 객체를 보여준다.

View back

마지막으로 보았던 화면으로 되돌아간다.

Shading

모든 객체를 Mesh없이 shade상태로만 보여준다.

Wireframe

모든 객체를 shade없이 mesh상태로만 보여준다.

Shading & Wireframe

모든 객체를 mesh와 shade상태로 함께 보여준다.

Surface patch

모든 객체의 외곽선만 보여준다.

+Surface patch

외곽선을 Shading, Wireframe과 함께 보여준다.

Measure

두 포인트 사이의 거리를 측정한다. marketingLab - 13 -


현재까지의 작업을 저장하기 위해 메뉴에서 File - Save 또는 Save 아이콘을 눌러 BLOCK.KEY로 저장합니다. Exit 아이콘을 눌러 메인프로그램으로 돌아갑니다.

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LAB 2. Block 위치 이동 및 전처리

메인프로그램에서 오른쪽의 Tree창에서 BLOCK를 선택한후 오른쪽의 DEFORM-3D Pre를 눌러 이전 LAB1에서 저장한 BLOCK.KEY를 불러들입니다.

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소재외에 상/하 다이를 추가하기 위해 Insert Object 아이콘을 두번 누릅니다. 아래의 그림과 같이 3개의 객체가 Object tree창에 나타납니다.

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Object tree창에서 Top Die를 눌러 활성화시키고, Object Data창의 General항목에서 Object Type이 Rigid로 되어 있는지 확인합니다. 항목을 Geometry로 바꾸고 Geo Primitive…버튼을 누릅니다.

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Box 타입으로 폭(W) 100mm, 높이(H) 50mm, 길이(L) 150mm를 입력하고 Create버튼을 누르면 사각 블록 형상이 생성됩니다. Bottome Die도 Top Die와 같은 방법으로 형상을 생성합니다. Object Tree와 Object Data사이의 Mulit object mode 아이콘을 누르면 오른쪽 그림과 같이 소재, 상/하 다이가 겹쳐져 나타납니다. 이후 위치이동을 통해 조정하게 됩니다.

Workpiece

Top Die & Bottom Die

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다시 Object Tree에서 Workpiece를 선택하고, Object Data창의 Geometry항목에서 Load material from library버튼을 누릅니다. Material LIbrary창이 나타나며, 오른쪽의 카테고리에서 Steel을 선택하고, Material label항목에서 AISI-1035, Cold를 선택하여 Load버튼을 누릅니다.

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Object Tree에서 Top Die를 선택하고, Object Data창에서 Movement항목으로 변경합니다. Type이 속도, Direction이 –Z방향, Constant value를 100로 입력합니다. Top Die가 –Z방향으로 100mm/sec로 움직이게 됩니다.

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Top Die의 이동거리와 등분(스텝)을 설정하기 위해 메뉴 상단에서 Simulation controls아이콘 ( )을 누릅니다. 항목을 Step으로 변경하고, 총 스텝수를 40, 저장간격을 5, 한 스텝당 이동거리를 2mm로 입력합니다. 그러면 펀치가 총 80mm이동하면 해석이 종료됩니다. Ok를 눌러 창을 닫습니다.

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소재와 상/하 다이의 위치조정을 위해 상단 메뉴에서 Object Positioning 아이콘( )을 누릅니다. 여러가지의 이동 옵션들이 있으며, Apply버튼을 누르면 입력한 조건으로 화면에 보여지게 됩니다. 이후 Ok를 누르면 이동된 위치로 남아있게 되고, Cancel을 누르면 원래의 위치로 되돌아갑니다.

• 마우스로 화면의 객체를 직접 이동시킨다. • 낙하시킨다. • 이동할 치수를 입력하여 이동시킨다. • 기준객체에 대하여 지정한 방향으로 이동할 객체를 접촉시킨다. • 회전각을 입력하여 회전시킨다.

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Interference를 누르고 Positioning object에 Workpiece를 Reference에 Bottom Die를 선택하고 Apply버튼을 누르면 하부 다이위에 소재가 올려지게 됩니다. 마찬가지 방법으로 Top Die를 소재위에 올려 놓습니다. Ok버튼을 눌러 이동된 위치 상태로 하여 창을 닫습니다.

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객체간(소재와 상/하 다이)의 관계를 설정하기 위해 상단 메뉴에서 Inter-object 아이콘을 누릅니다. “현재 객체간의 관계가 없으며, 기본 관계 설정을 추가하겠습니까?”라는 메시지가 나타납니다. Yes를 누르면 오른쪽 그림과 같이 2개의 관계(Top Die – Workpiece, Bottom Die – Workpiece)설정이 생성되어 있습니다. Edit 버튼을 누릅니다.

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새로 Inter-Object Data Definition창이 나타나며, Friction 값을 입력하기 위해 Constant 옆의 라디오 버튼을 누르면 여러가지의 참조 마찰계수값이 있습니다. Cold forming(steel dies)를 선택하면 0.12가 입력됩니다. Apply to other relations를 누르면 Bottom Die- Workpiece에도 같은 값이 적용됩니다. Tolerance 망치 아이콘을 누르고, Generate all버튼을 누르면 그림과 같이 객체간 접촉점이 표시됩니다.

* Tolerance: 객체간의 접촉설정을 위한 허용치. marketingLab - 25 -


데이터베이스(.DB) 파일을 생성하기 위해 상단 메뉴에서 Database Generation 아이콘을 누릅니다. Check를 누르고 Generate를 누르면 BLOCK.DB파일이 생성됩니다.

에러 표시로 DB파일이 생성되지 않으며, 입력조건을 수정해야 합니다. 경고 표시로 DB파일은 생성이 되지만 해석결과에 영향을 줄 수있으므로 확인이 필요한 사항입니다.

체적을 일정하게 유지하기 위한 Target Volume이 설정되지 않았다는 메시지입니다. 이번 예제는 변형이 심하지 않으므로 이 옵션과는 상관없습니다. marketingLab - 26 -


현재까지의 작업을 저장하기 위해 메뉴에서 File - Save 또는 Save 아이콘을 눌러 BLOCK.KEY을 저장합니다. Exit 아이콘을 눌러 메인프로그램으로 돌아갑니다.

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LAB 3. Block 성형 시뮬레이션 및 후처리

메인프로그램에서 오른쪽의 Tree창에서 BLOCK.DB를 선택한 상태에서 Start아이콘( 메뉴의 Run을 누르면 계산이 시작됩니다.

) or 오른쪽

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계산이 종료된 후 Message 및 Log에 “정상적 종료 : 할당된 스텝이 완료되었다.”라는 메시지가 있습니다. 결과를 확인하기 위해 메인프로그램의 오른쪽 메뉴에서 DEFORM-3D Post를 누릅니다.

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변형 결과를 확인하기 위해 Step tools 옵션을 이용합니다. * STEP TOOLS

특정스텝을 지정하여 바로 이동한다.

가장 처음 스텝으로 이동 한 스텝뒤로 이동 뒤로 Play Play를 멈춤 앞으로 Play 한 스텝앞으로 이동 가장 마지막 스텝으로 이동

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상태변수 보기 및 포인트 트레킹 State Variables 대부분의 결과값들은 Post-Processor의 상단에 있는 State Variable 풀다운 메뉴에서 확인 할 수 있다. 소재의 변형량을 보기 위하여 State Variable 풀다운 메뉴에서 Strain-Effective를 선택하면 다음과 같은 그림을 확인 할 수 있다. 여기서 State-Variable 아이콘( )을 누르면 STATE VARIABLE창이 나타나고, Scaling 옵션에서 Steps global을 선택한다. 이 옵션으로 Color bar의 최대/최소 유효 변형률값으로 변경할 수 있다. State Variable 풀다운 목록은 몇가지의 결과값을 볼 수 있다. State-Variable 아이콘( 결과값을 확인 할 수 있다.

)을 사용하여 모든

Point Tracking DEFORM에서는 시뮬레이션 하는동안에 점추적(Point tracking)을 할 수 있다. 각 점들의 위치 추적뿐만 아니라, 그 위치에서의 결과값도 추적할 수 있다. POINT TRACKING창을 열기위하여, Point tracking 아이콘( )을 누른다. marketingLab - 31 -

포인트 트레킹 초기상태의 형상 위의 몇 개의 점들이 소재가 변형되면서 어디로 움직이는지를 관찰 할 수 있다. 첫 스텝으로 돌아가기 위하여 First step 아이콘( )을 누른다. 소재의 표면위에 아래와 같이 세개의 점을 선택하고 Next 버튼( )을 누른다. Tracking 옵션의 기본설정으로 한 후에 Finish버튼 ( )을 누른다. 만약 디스플레이 창에 유효변형률이 선택되어 있으면, 점추적은 선택된 세 점에서의 시간에 따른 유효응력이 나타날 것이다. 그리고 Object tree에는 아래와 같이 나타날 것이다. 만약 점추적이 되었을 때 State variable이 선택되지 않았으면, Object tree에 아래와 같이 나타날 것이다. State variable 풀다운 메뉴에서 선택하면, 세점에서의 점추적 결과 그래프는 디스플레이 창에 나타날 것이다. Playing foward 아이콘( )을 누르면 스텝에 따라서 움직일 것이다. 스텝 변화에 따른 점들의 변화를 비교할 수 있다. Stop playing 아이콘( )은 누르면 스텝의 진행은 멈출 것이다. 이제 점추적 그래프의 위를 누르면, 선택된 스텝은 디스플레이 창에 보여진다. marketingLab - 32 -

개체 슬라이싱 Slicing Objects DEFORM-3D에서 객체 내부의 결과값을 보기위해서 객체를 자르는 것은 가능하다. 점추적 그래프는 Object tree에서 마우스 오른쪽 버튼을 눌러 Hide PointTracking을 선택하여 숨긴다.

Slicing 아이콘( )을 눌러서 SLICING창을 연다. 객체는 몇 개의 다른 방법에 의해서 자를 수 있다. 디스플레이 창에서 객체는 노란색의 육면체에 둘러싸여 있다. 육면체의 수직선위를 클릭하면 수평방향의 단면이 생성될 것이다. 마찬가지로 육면체의 수평선위를 클릭하면 수직방향의 단면이 생성될 것이다. Slicing 옵션을 사용하여서 실험적으로 노란색 육면체를 눌러보자.

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개체 슬라이싱

단면은 평면위의 한 점과 수직 방향에 의해서 정의된다. 이것은 P(point)와 N(normal)에 의해서 Slicing 창에서 나타날 것이다. 객체들은 한 점의 X, Y, Z 좌표를 선택하여 자를 수 있고, 슬라이더 바를 사용하거나 좌표값을 높이거나 줄여서 사용할 수도 있다. 슬라이더가 움직이면서 객체가 잘려지게 된다. 점의 X좌표를 눌러서 바꿔보거나, 슬라이더를 드래그하면서 잘라보자. 몇몇 옵션을 선택하여 어떻게 표현되는지를 이용해보자.

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이외에도 해석결과를 확인하기 위한 다양한 옵션들이 있습니다.

아이콘

기 능 Summary Graph Point Tracking Flow Net State Variable Between Two Points

설 명 각 스텝별 해석 결과를 요약하여 보여준다. 하중 등의 결과를 그래프로 보여준다. 객체에 포인트를 지정하여 해석 동안의 변화를 확인한다. (예: 소재의 특정위치의 이동과정, 성형중 특정위치의 온도변화 등) 성형중의 유동흐름(단류선)을 보여준다. 두 포인트사이의 상태변수(응력, 변형률, 온도 등) 변화를 그래프로 보여준다.

Slicing

객체의 단면을 자를 수 있다.

Mirror

¼ or ½ 등의 대칭조건으로 해석한 객체를 복사하여 붙여준다.

Data Extraction

해석결과를 텍스트파일로 저장한다. marketingLab - 35 -

LAB 4. Square Ring

대칭은 시뮬레이션에서 가능하다면 매우 이로운 것이다. 이것은 해석시간을 단축시키고, 해석정밀도를 높일 수 있다. 이번 예제에서, 사각링의 압축을 시뮬레이션 할 것이다. 사각링은 매우 작은 대칭조각을 이용할 수 있다. 단지 전체 형상의 1/16을 설계하여 전체링을 결정할 수 있는 변형을 보여줄 것이다.

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LAB 4. Square Ring

시뮬레이션 컨트롤을 다음과 같이 설정합니다. 해석을 위해 개체를 생성하고 각 개체를 다음과 같이 정의하고 C:\DEFORM3D\V6_0\LABS 에서 형상을 불러들입니다.

시뮬레이션 제목: Square Ring 공정 이름: Ring Compression 단위 : English

개체 1: Billet –개체 타입: 강소성체 –개체 온도: 2000F –형상: SquareRing_Billet.STL

모드: 변형 only

개체 2: Top Die

주 다이: Top Die

–개체 타입: 강체

스탭: –시뮬레이션 스탭수 : 30 –저장 스탭 간격: 2

–개체 온도: 68F –형상: SquareRing_TopDie1.STL

–동일 스트로크 증분 사용: 0.02 in/step

Check Geo 버튼과 법선 벡터 보이기 기능을 사용하여 형상을 검토한다.

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LAB 4. Square Ring

소재(Billet)은 강소성체로 메쉬를 생성해야 한다. 기본설정을 사용하여 메쉬를 생성하면 5000개의 요소가 생성된다. 생성된 메쉬에 대칭면 경계조건을 부여한다. 대칭면을 선택하고 더하기 버튼을 클릭하면 쉽게 대칭면 경계조건이 설정된다.

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LAB 4. Square Ring

소재와 상부 다이 간의 관계를 정의하고 마찰 조건을 선택한다. 망치를 클릭하여 적절한 접촉 허용오차를 결정한 후 접촉절점을 생성한다. 소재의 물성은 재료 라이브러리로 부터 AISI-1045 Cold를 선택한다

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LAB 4. Square Ring

상부 다이의 움직임을 설정한다. 상부 다이(Top Die)를 선택하고 움직임 버튼을 누른다. 방향은 –Z, 속도는 1 in/sec로 정의한다. 적당한 스탭 크기를 결정하기 위해 소재의 작은 요소의 크기를 측정하면 대략 0.06 인치이다. 일정한 다이 이동 거리를 스탭의 크기로 사용할 경우 0.06의 1/3 값인 0.02를 사용한다.

작은 요소의 변의 크기가 대략 0.06인치로 적절한 스탭내의 다이 움직임량은 0.02인치

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LAB 4. Square Ring

모든 입력이 끝나면 데이터베이스 아이콘을 클릭하여 데이터베이스를 생성한다. 부피보정에 관한 경고는 무시한다. 데이터베이스가 성공적으로 생성되면 전처리기를 빠져나가서 메인창으로 돌아간다. 시뮬레이터 목록에서 실행(RUN)을 눌러 시뮬레이션을 시작한다.

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LAB 4. Square Ring

후처리기: 해석이 종료되면 후처리기를 눌러 결과를 관찰한다. 1/16의 해석 모델을 미러링 기능을 사용하여 전체로 볼 수 있다. 미러링 아이콘을 클릭하여 미러링창을 열고 대칭면을 반복적으로 클릭하여 전체 모델을 생성한다. 전체모델을 사용하여 유효변형율이 어떻게 변화하는지 살펴보자

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LAB 5. Spike Forging

다음으로 열간 스파이크 단조 공정을 해석합니다. 공정은 열간단조이고 정확한 해석을 위해 공정 중에 발생하는 열전달 공정을 해석합니다. 첫번째 공정은 가열로에서 2000F로 가열된 소재를 프레스로 이동시키는 공정, 두번째는 소재가 하부 다이 위헤서 타격전에 2초가 냉각되는 공정 그리고 마지막 성형 공정으로 구성됩니다.

가열로로 부터 이동(10초)

하부다이위 위치(2초)

1차 타격

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첫번째 공정으로 로에서 2000F가 가열된 소재를 프레스로 이동하는 열전달 해석을 수행합니다. New 아이콘을 클릭해서 새로운 문제를 생성합니다. 문제명을 Spike로 입력하고 DEFORM 전처리기를 엽니다.

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시뮬레이션 컨트롤을 다음과 같이 설정합니다. 해석을 위해 개체를 생성하고 각 개체를 다음과 같이 설정하고 C:\DEFORM3D\V6_0\LABS 에서 형상을 불러들입니다.

시뮬레이션 제목: Spike Forging 공정 이름: Transfer from Furnace 단위 : English 모드: 열전달 only 주 다이: 소재 스탭: 총 열전달 시간 10초 –시뮬레이션 스탭수 : 50 –저장 스탭 간격: 10 –동일 시간 증분 사용: 0.2 초

개체 1: Billet –개체 타입: 강소성체 –개체 온도: 2000F –형상: Spike_Billet.STL 개체 2: Top Die –개체 타입: 강체 –개체 온도: 68F –형상: Spike_TopDie1.STL 개체 3: Bottom Die –개체 타입: 강체 –개체 온도: 68F

Check Geo 버튼과 법선 벡터 보이기 기능을 사용 하여 형상을 검토한다.

–형상: Spike_BottomDie.STL

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1단계 가열로로 부터 다이까지의 이동 해석에 있어서는 소재에서의 열전달 해석만이 요구된다. 소재의 메쉬를 통해 상대/절대 메쉬를 설명한다.

상대 메쉬: 사용자는 사용하고자 하는 메쉬의 수를 정해주고 시스템은 리메쉬에 있어서 정해진 메쉬수를 유지한다. 절대 메쉬: 사용자는 사용하고자 하는 요소의 최소 크기를 주어진 다이 형상에 따라 정해 주고 시스템은 이에 따라 메쉬를 재구성 한다. 리메쉬에 따라 전체 요소수는 증가하게 된다.

형상의 나타내는 가장 작은 길이는 상부 다이의 곡률 부위로 대략 0.08”정도 이다. 절대 메쉬를 사용할 경우 이 값의 절반이 0.04”를 사용하는 것이 적당하다.

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개체 트리에서 Billet을 선택하고 몌쉬를 선택한다. 상세설정 탭안에서 메쉬 타입으로 절대메쉬을 선택하고 최소 요소크기를 0.04”를 입력한다. 요소 크기비는 3을 입력한다. 설정이 끝나면 미리보기를 눌러 표면 메쉬를 확인하고 메쉬 생성을 눌러 메쉬를 완성한다.

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경계조건의 설정: 열전달이 이루어질 외부면을 지정해 합니다. 대칭면을 제외한 모든 외각면에 “외부와의 열교환” 경계 조건을 부여합니다. 외각면을 선택하고 “경계조건 추가” 버튼을 사용하여 지정합니다. 외부 온도는 68F로 설정합니다.

외부 조건 버튼을 클릭하여 외부 온도 및 열전달 계수를 설 정할 수 있습니다.

선택된 외각면은 녹색으로 나타내지고 “정의된” 을 선택하여 확인할 수 있습니다. marketingLab - 48 -


물성지정: 디폼 물성 라이브러리에 정의된 AISI-1025(800-2200F)를 소재(Billet)의 물성으로 선택합니다. 문제를 “Spike_FurnaceTransfer.KEY” 에 저장합니다. 데이터베이스를 생성하고 메인으로 돌아가 시뮬레이션을 실행합니다.

이 버튼을 클릭하 여 선택된 개체에 물성을 할당할 수 있다. marketingLab - 49 -


후처리기: 해석이 종료되면 후처리기를 통해 최종 온도 분포를 확인한다. 스탭 글로발 스케일링을 사용하고 음영 화면 표시를 사용하여 나타내어 본다. 대칭면에서의 온도 분포를 확인해 볼 필요가 있다

색깔 막대바 타입에서 “온도”를 선택하면 보다 현실적인 온도 분포를 볼 수 있다 marketingLab - 50 -


첫번째 공정에서 소재는 가열로로 부터 금형까지 이동하였다. 두번째 공정에서는 가열로에서 이동한 소재를 하부 다이 위에 2초동안 대기하는 공정을 해석한다. 해석은 이전 공정의 마지막 스탭을 불러들여 열전달 해석을 설정한다. Spike.DB를 선택한 후 전처리기를 열어 50번째 스탭을 읽어들입니다.

Advanced-> Node 기능을 사용하여 현재 스탭의 온도 분포를 확인할 수 있습니다 marketingLab - 51 -


다이와의 열전달 해석을 위하여 상부 및 하부 다이를 메쉬하고 열전달 경계조건을 설정합니다. 상하부 다이의 초기 온도는 300F로 설정합니다. 메쉬는 요소수를 8000개, 크기비 2를 사용하여 생성합니다.

“온도 설정”을 클릭하여 원하는 초기 온도를 입력합니다

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소재 또는 주위와의 열전달 해석을 위해 상하부 다이에 열전달 경계조건을 설정합니다. 소재와 마찬가지로 대칭면을 제외한 모든 외각면에 경계조건을 설정합니다.

상부 다이

하부 다이 Ctr + 왼쪽 마우스 버튼을 사용하여 다이를 움직여 원하는 면을 선택합니다

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체크 포인트: Surface Mesh(미리보기)를 사용하여 표면에 메쉬를 생성 후 메쉬가 적절하면 메쉬 생성 버튼을 클릭하여 내부 메쉬를 생성합니다. 내부 메쉬를 생성에는 약간의 시간이 필요할 수 있습니다. 표면요소를 선택하는 아이콘을 설명합니다.

면

선택

선택 해제

표면 패치

하나씩 윈도우

할당

토글

표면 패치와 +, - 를 사용하는 것이 일반적입니다

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다이 물성 설정: 상하부 다이의 물성을 설정합니다. 물성 아이콘을 클릭하여 물성창을 엽니다. 라이브러리에서 불러오기 기능을 사용하여 AISI-H13을 추가합니다. 이제 설정된 H-13을 상하부 다이 개체에 할당합니다.

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물성 할당: 먼저 물성을 할당하고자 하는 개체를 선택하고 윈도우 하단의 재료에 있는 아래 방향 화살표을 클릭합니다. 등록된 AISI-1025와 H-13이 나타나고 H-13을 선택합니다. 개체창에 선택된 물성이 할당되었음을 확인할 수 있습니다

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소재 위치 선정: 간섭 위치잡기 기능을 사용하여 소재를 하부 다이 위에 위치시킵니다. 개체간 관계 설정: 개체간 관계 설정 버튼을 클릭하여 기본 설정을 사용하여 개체간 관계를 설정합니다. 열전달 해석을 위해 개체 사이의 열전달 계수를 설정합니다. 한가지 관계에서 접촉면의 물성을 선택하고 이 버튼을 사용하여 다른 관계에 복사할 수 있습니다

화살표를 선택하면 기존에 입력된 옵션이 나타납니다. Free resting 과 Forming 중에서 Free resting을 선택합니다

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시뮬레이션 컨트롤을 다음과 같이 설정합니다. Spike_Dwell.KEY ,파일에 저장하고 데이터베이스를 생성합니다. 메인으로 나가서 해석을 실행합니다.

시뮬레이션 제목: Spike Forging 공정 이름: Dwell 공정 번호 : 2 단위 : English 모드: 열전달 only 주 다이: 소재 스탭: 총 열전달 시간 2초 –시뮬레이션 스탭수 : 10 –저장 스탭 간격: 5 –동일 시간증분 사용: 0.2 초 시뮬레이션 제목, 공정이름, 개체 이름은 영문을 사용

개체 1: Billet –개체 타입: 강소성체 –개체 온도: 1833-1980F –형상: Spike_Billet.STL 개체 2: Top Die –개체 타입: 강체 –개체 온도: 300F –형상: Spike_TopDie1.STL 개체 3: Bottom Die –개체 타입: 강체 –개체 온도: 300F –형상: Spike_BottomDie.STL

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후처리기: 결과를 후처리기를 통해 읽어들인다. “사용자 정의 개체 모드”를 사용하여 상부다이를 안보이게 한다. 상태변수 창에서 온도를 선택하고 사용자 스케일링의 최소/최대값을 1500/1990을 입력한다. 컨투어 화며표시 타입을 솔리드를 선택한다.

하부다이와의 접촉을 통해 소재가 냉각되었음을 볼 수 있다 marketingLab - 59 -


후처리기: 하부다이의 온도 증가를 확인한다. 이번에는 단일개체 모드를 사용하여 하부 다이만을 표시한다. 상태변수창에서 온도를 선택하고 로칼 스케일링을 사용한다. 화면표시 방법으로 솔리드를 사용한다.

초기온도 300F의 하부 다이가 최대 519F까지 온도가 상승함을 볼 수 있다

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세번째 공정: 프레스로 이송되어 위치한 소재를 상부다이를 사용하여 성형한다. 두번쨰 공정을 해석한 Spike.DB의 스탭 60을 전처리기에서 불러 들인다. 시뮬레이션 컨트롤에서 다음사항을 변경한다. 스탭의 크기를 결정하는 방법을 설명한다.

•시뮬레이션 제목: Spike Forging •공정 이름: Forging Blow 1 •공정 번호 : 3 •단위 : English •모드: 변형 + 열전달 •주 다이: 상부 다이 (Top Die) •총 펀치 이동 길이: 0.8 in •시뮬레이션 스탭수 : 40 •저장 스탭 간격: 5 •동일 스트로크 증분 사용: 0.02 in

측정 기능을 사용하여 가장 작은 소재의 요소 크기를 측정한다. 대략적으로 0.04 인치이고 이 값의 1/2 – 1/3 정도가 한 스탭내의 다이 이동량으로 적합하다.

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상부 다이 위치 잡기: 상부 다이를 소재와 접촉하도록 간섭 위치 잡기 기능을 사용하여 이동시킨다. 상부 다이의 움직임을 정의한다. -Z 방향으로 2 in/second로 설정한다.

상부 다이 위치 잡기

상부 다이 속도 정의

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소재와 다이들에 대칭면을 정의하고 접촉 조건에서 마찰 조건을 설정한다. 강체로 정의된 상하부 다이는 형상에서 대칭면을 정의한다. 형상 메뉴를 선택하고 대칭면 탭을 클릭한 후 경계조건 부여와 동일한 방법으로 대칭면을 설정한다.

하부 다이의 (-1,0,0) 면에 대칭면을 정의하고 있다

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마지막으로 개체간의 관계에서 마찰 조건과 열전달 조건을 재설정한다. 상부 다이와 소재간의 접촉점도 생성한다. 접촉점 생성전에 망치를 클릭하여 적절한 접촉 허용 오차를 정의한다. 모든 설정이 끝나면 데이터베이스를 생성하고 메인으로 나가 해석을 실행한다.

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후처리기: 해석이 종료되면 후처리기를 사용하여 Spike.DB를 불러들인다. 유효변형율의 분포를 컨투어를 통해 확인한다. 유효변형율의 최대값을 1.0으로 바꾸어 나타내 본다. 국부적으로 높은 변형율값을 제거하고 변형율 값을 볼 수 있다.

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LAB 6. Die Stress Analysis

금형응력해석: 이전 SPIKE Forging 예제를 사용하여 금형 응력해석을 수행합니다. 새로운 문제를 클릭하고 문제타입에서 금형응력해석을 선택합니다. 문제 위치를 입력하고 문제 이름에 “DIE_STRESS”를 입력합니다.

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금형응력해석: 금형응력 해석 탬플릿이 시작되면 우상단에 금형응력해석 공정 셋업을 위한 프로젝트 트리가 보입니다. 이 순서에 따라 공정을 셋업하게 됩니다. 우하단에 공정이름을 입력합니다. “SpikeDieStress”라고 입력합니다.

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금형응력해석: 해석하고자 하는 데이터베이스를 탐색 버튼을 사용하여 선택합니다. 선택한 Spike.DB에서 100번째 스탭을 선택합니다. 다음으로 해석하고자 하는 개체를 선택합니다. 상/하부 다이를 모두 선택합니다. 대칭경계조건을 설정에 대한 팝업창이 나타나면 “Yes”를 선택합니다.

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금형응력해석에서는 변형해석과정에서 생략했던 압축링 등의 다이를 추가해 해석할 필요가 있다. 본 예제에서는 펀치의 압축링과 하부 다이의 받침대를 추가하여 해석한다. 시뮬레이션 모드는 온도해석이 필요하지 않아 등온으로 해석한다.

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금형응력해석: 해석하고자 하는 개체를 정의한다. 상부 다이의 개체타입을 탄성체로 변경한다. 형상, 메쉬 및 물성은 수정할 필요 없이 데이터베이스에서 불어온 그래도 사용한다.

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금형응력해석: 하중계산 기능을 사용하여 소재로 부터 작용하는 하중을 보간하여 절점에 작용한다. 하중계산을 클릭하면 우하단의 메시지와 함께 좌하단에 나타난 바와 같이 작용하중이 계산된다. 변형경계조건에서 대칭조건은 이미 입력되어 있음을 확인할 수 있다.

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금형응력해석: 하부 다이를 상부 다이와 유사하게 정의한다. 개체타입을 탄성체로 변경하고 하중계산을 사용하여 절점에 작용하중을 계산한다.

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금형응력해석: 상부 다이(펀치)는 압축링으로 열박음 되어있다고 가정한다. 탄성체로 정의된 압축링의 형상을 LABS의 UpperSupport.STL로부터 불러들여 5000개의 요소로 메쉬한다. 물성은 상하부 다이와 동일한 H-13을 사용합니다.

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금형응력해석: 대칭면에 경계조건을 부여하고 상단의 Z축 속도를 구속합니다. 압축링의 안쪽면에 열박음 조건을 설정합니다. 기준축은 Z축이 되고 열박음양은 0.004인치를 입력합니다. 열박음에 따른 절점이동은 사용하지 않습니다.

열박음이 바깥 개체에 적용될 경우 양수값을 사용하고 내부 개체에 적용될 경우 음수값을 사용합니다. 간섭량과 축 정보를 입력한 후 열박음이 적용되는 면을 선택하고 + 버튼을 누른다. 열박음 절점이 이동할지를 묻는 창이 나타나면 “아니요”를 선택한다. marketingLab - 74 -


금형응력해석: 하부다이를 밑에서 지지하는 지지대를 정의한다. 형상은 LABS의 LowerSupport.STL을 사용한다. 5000개의 요소를 사용하여 메쉬합니다.

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금형응력해석: 하단 지지대의 경계조건을 설정합니다. 대칭면을 정의하고 하단부의 Z방향 속도를 구속합니다. 물성은 상하부 다이와 동일한 H-13을 사용합니다.

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금형응력해석: 개체간의 접촉 관계를 설정합니다. PressureRing 과 Top Die를 Master-Slave관계로 Bottom Die와 LowerSupport간의 관계를 Slave-Master 관계로 설정합니다. 마찰계수를 0.08을 사용하고 “접촉절점 생성” 을 클릭하여 접촉점을 생성합니다.

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금형응력해석: 금형응력 해석은 탄성해석이므로 1스탭만 해석하면 됩니다. Solver는 ConjugateGradient 를 사용하면 해석시간이 짧게 걸립니다. 모든 설정이 완료되면 데이터베이스를 생성하고 “완료” 버튼을 눌러 탬플릿 초기화면으로 돌아갑니다. 탬플릿을 종료하고 메인화면에서 해석을 실행합니다.

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금형응력해석: 후처리기를 사용하여 금형에 작용한 주응력값을 확인한다. 주응력값이 양수가 나오면 금형 파단의 위험성이 있다고 예측할 수 있다. 본 예제에서는 상부다이에 압축링을 사용하여 압축링이 대부분의 응력을 받고 있음을 확인 할 수 있다.

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LAB 7. Gear Carrier

이번 예제는 독일 단조공업협회(IDS)에서 주최한 단조해석 코드의 벤치마켓 테스트의 예제로써 모든 데이터는 공개가 가능하며 실제 사용되는 공업용 부품이다.

Introduction. • 기계식 프레스(Mechanical Press) 단조 • 소재와 금형은 1/12단면(30˚) • 소재 : DIN C35 • 소재의 예열 온도 : 1230℃ • 금형의 예열 온도 : 80℃

공정 –1공정 : 가열로에서 금형까지 이동(7초) –2공정 : 대기시간 (Dwell Time) (0.7초) –3공정 : 업셋팅 –4공정 :소재의 이동시간(3초) –5공정 : 최종 형상 성형

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LAB 7. Gear Carrier

해석을 위한 준비 이번 예제는 가열로와 프레스 사이의 이동시간이 비교적 길고, 2공정으로 이루어져 있다. 첫번째 공정은 단순 업세팅 공정이므로 쉽게 해결할 수 있다. 두번째 공정은 좀더 복잡하며, 예측하기가 어렵다. 이러한 결과를 얻기 위해서는 세가지 방법으로 접근 할 수 있다. 1. Simulate the entire process in 3D : 3D에서 열전달(이동과정), 업셋팅, 피니셔 공정을 모두 해석하는 일반적인 방법이다. 2. Simulate the upset in 2D, Trasfer the data to 3D, and simulate the extrude in 3D : 2D로 열전달(이동과정)과 업셋팅 공정을 쉽고 빠르게 해석하고, 유틸리티(M23)를 이용하여 2D결과(업셋팅)를 3D로 변환하여 피니셔 공정을 3D에서 해석하는 방법이 있다. 다단 공정 중 축대칭(2D)형상으로 가능한 공정이 두 공정 이상이라면 이 방법이 방법1보다 해석 시간 및 결과에서 더 유리하다. 3. Creating the upset part geometry in a CAD model, and simulate only the second operation : CAD에서 예상되는 업셋팅 형상을 생성하여 이를 바탕으로 피니셔 공정을 해석하는 방법이다. 이 방법은 업셋팅 공정을 생략하므로 전공정을 해석하는 것보다 적은 노력으로 결과를 얻을 수 있다. 그러나 온도와 변형률 등의 결과는 앞선 방법보다 부정확하게 되며, 하중 결과 또한 정확도가 떨어지게 된다. 다만 소재의 유동은 대체적으로 이전의 방법과 유사할 것이다. 특별한 경우는 소재의 유동에 영향을 줄 수도 있다. 이번 예제에서는 전체 공정을 3D로 진행할 것이다.

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GEAR CARRIER (1999 GERMAN FORGING INDUSTRY ASSOCIATION BENCHMARK) Creating a New Problem New Problem Name : Gear_Carrier Simulation Title : Gear Carrier Operation Name : Furnace Transfer Operation Number : 1 Only Heat Transfer activated Unit : SI Loading Object Geometry Object1 : Workpiece (IDS_GC_Billet.stl) Æ Plastic Object2 : Top Die (IDS_GC_Upset_Top.stl) Æ Rigid Object3 : Bottom Die (IDS_GC_Upset.stl) Æ Rigid Defining Workpiece Mesh 정확한 해석을 위해서 소재의 두께 방향으로 최소 10개 이상의 요소가 유지될 필요가 있다. 소재의 두께가 9.5mm이므로, 가장 큰 요소의 크기(Max. Element size)가 대략 1mm이어야 한다. 또한 가중치(Weighting factor)는 다음과 같이 설정한다.

Surface Curvature

0.9

Temperature

0.0

Strain Distribution

0.1

Strain Rate Distribution

0.1 marketingLab - 82 -

GEAR CARRIER (1999 GERMAN FORGING INDUSTRY ASSOCIATION BENCHMARK) 변형전의 초기 빌렛의 요소망(Mesh)은 형상을 나타내기에 충분하도록 요소크기를 1mm로 적용할 것이다. Absolute Mesh 옵션을 선택하여 Max. Element Size를 1mm, Size Ratio를 1로 입력한다. 이 설정은 간단한 형상의 해석을 시작할 때 전체 요소수가 적게 생성되도록 하기 위한 값이다. 하지만 해석과정에서 형상이 복잡해질 경우 Size Ratio 1로는 특정 형상들을 표현하기에는 충분하지 않다. 앞의 조건으로 초기 Mesh를 생성한 후(Size ratio=1), 새로운 Mesh를 생성하지 않은 상태로 Size ratio만 3으로 바꾼다. 새로운 설정(Size Ratio = 3, Min Size = 0.33 mm, Max Size = 1 mm)은 해석이 진행되는 동안에 요소를 재구성(Remesh)할 때 빌렛의 형상이 새로운 설정의 영향을 받게 된다. Defining Billet Boundary Conditions Deformation : 빌렛의 두개의 대칭면에 Symmetry plane 경계조건을 적용한다. Heat Trasfer : Heat Exchange with Environment 경계조건은 대칭면을 제외하고 적용한다. Defining Billet Temperature 빌렛의 온도를 1230℃로 설정하고 금형의 온도는 80℃로 설정한다. Loading Material Data Steel 카테고리에서 DIN-C15를 불러들인다.

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LAB 7. Gear Carrier

소재 메쉬: 소재의 높이가 9.5mm이므로 최대요소크기를 1mm를 사용한다. 초기형상을 메쉬하기 위해서는 크기비를 1로 사용하고 이후의 리메쉬를 위해 메쉬조건을 다음과 같이 설정한다.

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LAB 7. Gear Carrier

GEAR CARRIER (1999 GERMAN FORGING INDUSTRY ASSOCIATION BENCHMARK) 프레스 설정 소재는 상하사점 높이가 270mm이고, 85 SPM(1.4 stroke/sec)의 속도로 움직이는 기계식 프레스를 사용할 것이다. 프래스의 성형 Stroke는 현재 빌렛의 높이(67mm)에서 최종 빌렛의 높이(9.5mm)를 뺀값인 57.5mm이다. 따라서 Current Die Stroke는 -212.5mm[-(270-57.5)]가 되며, 이 프레스의 커넥팅 로드 길이(connecting-rod length)는 1500mm 이다. 따라서 Top die의 Movement에서 Mechanical press를 선택하여 아래와 같이 설정한다.

Assigning Simulation Controls

Running the Furnace Transfer Operation Database를 생성하고, 계산(Run\Start)을 시작한다.. marketingLab - 85 -

LAB 7. Gear Carrier

GEAR CARRIER (1999 GERMAN FORGING INDUSTRY ASSOCIATION BENCHMARK) Running the Dwell Operation Database의 마지막 스텝을 불러들인다.(14step) Setting Simulation Controls Operation Name : Dwell Operation Number : 2 총 7스텝, 0.1 sec/step Positioning the Billet 빌렛을 Bottom die위로 이동시킨다. Assigning Inter-Object Boundary Conditions 이번 공정은 열전달해석만 하므로, 기본설정으로 Inter-Object관계를 정의할 것이다. Heat Transfer만 활성화 되어있기 때문에 Thermal 탭키를 수정할 수 있다. 풀다운 메뉴를 사용하여서 Free resting을 선택하면 열전달 계수가 1(SI 단위)이 입력될 것이다. 그리고, 접촉을 생성한다. Database를 생성하고, 계산(Run\Start)을 시작한다. Running the Upset Operation Database의 마지막 스텝을 불러들인다.(21step)

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LAB 7. Gear Carrier

GEAR CARRIER (1999 GERMAN FORGING INDUSTRY ASSOCIATION BENCHMARK) Setting Simulation Controls Operation Name : Upset Operation Number : 3 Deformation의 라디오 버튼을 활성화시킨다. 또한 Top die를 Primary die로 바꾼다. 간단한 업세팅 공정이므로 대략 100스텝이 적당하다. 단조 스트로크는 57.5mm이므로 총 120 Step, 0.5 mm/step, 10 Step씩 저장한다. Top die의 Movement control을 설정할 때, 앞서 설정했던 것과 같이 기계식 프레스를 선택하고, displacement 270 mm, 1.4 /sec, connecting rod length를 1500, current die stroke를 z축에 -212.5 mm로 설정한다. Positioning the Top Die Top die의 위치를 빌렛의 위쪽으로 이동시킨다. Revisiting Inter-Object Boundary Conditions 마찰계수와 열전달 계수를 Hot forging(lubricated)와 Forming을 선택하고, 빌렛과 금형과의 접촉을 생성한다. Activate Target Volume Object tree에서 Billet을 선택한 후 Property 버튼( )을 선택하고 Target volume 라디오 버튼을 선택한다. Target volume으로 geometry volume을 사용하면 remesh 하는동안 빌렛의 부피가 보정된다. Database를 생성하고, 계산(Run\Start)을 시작한다 marketingLab - 87 -

LAB 7. Gear Carrier

GEAR CARRIER (1999 GERMAN FORGING INDUSTRY ASSOCIATION BENCHMARK) Running the Transfer Operation Operation Name : Transfer2 Operation Number : 4 성형해석 이후에, 두번째 열전달해석을 수행하였다. 전체 시간은 3초이므로, 6스텝, 0.5 sec/step을 사용한다. 데이터베이스를 생성한 뒤 시뮬레이션을 시작한다. Running the Second Forming Operation Operation Name : Finish Operation Number : 5 두번째 성형공정은 새로운 금형 형상이 필요하다. Top : IDS_GS_Finish_Top.STL Bottom : IDS_GS_Finish_Bot.STL 각각의 금형형상은 두개의 대칭면을 가지고 있으므로, Geometry 버튼의 Symmetric surface 탭키에서 두 대칭면을 정의하여야 한다. 새로운 Movement control을 설정하여야 한다. 형상이 복잡하므로, 총 200스텝이 적당한다. Stopping load를 1.0e+006N으로 한다. Database를 생성하고, 계산(Run\Start)을 시작한다. marketingLab - 88 -

deform 3d

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