[Solidworks Simulation] Mesh - 메쉬

What is meshing?

메쉬(meshing)는 모델을 finite elements라 불리는 작고 간단한 모양으로 분해하는 과정이다.

• finite: 한정된, 유한한
• element: 요소, 성분

elements는 모델의 기본 구성이다. Meshing은 복잡한 문제(모델)를 계산하기 쉬운 유한한(finite) 갯수의 요소(element)로 분해하는 것이라 할 수 있다. 시뮬레이션 소프트웨어는 복잡한 모델의 응력(stress)등을 계산하기 위해 방정식을 사용한다. 하지만 하나의 큰 모델을 한번의 계산할 수는 없다. 아래 그림과 같이 큰 모델을 수천, 수만개의 작은 요소로 분해하여 계산한다.

Creating Mesh

솔리드웍스 시뮬레이션에서 mesh를 만드는건 어렵지 않다. 시뮬레이션 트리 메쉬 아이콘에서 오른쪽 클릭하고 Create Mesh...를 선택하자.

메쉬 인터페이스가 열린다. 메쉬 만들기에는 2가지 방법이 있다. 솔리드웍스 공식 용어는 아니지만 Quck Mesh와 Advanced Mesh라는 방법이 있다고 생각하자. 두 방법 모두 이 메쉬 인터페이스를 사용한다.

Quick Mesh - The Simplest Way to Mesh Your Model

Qiuck Mesh는 복잡한 옵션이나 숫자를 생각할 필요가 없다. 요소의 밀도를 컨트롤 하는 슬라이더만 조정하면 된다. 슬라이더를 오른쪽으로 움직이면 미세하고 고운(fine) 요소를, 왼쪽으로 움직이면 굵고 거친(coarse) 요소를 얻을 수 있다. 미세하고 고운 요소로 이루어진 메쉬는 굵고 거친 요소의 메쉬보다 훨씬 많은 요소를 가진다.

모델의 평균적인 요소 사이즈는 슬라이더로 간단히 조정할 수 있다. 이 슬라이더에 숨겨진 강력한 알고리즘 덕분에 모든 요소의 사이즈를 변경하는건 굉장히 쉬워 졌지만 당신은 이 알고리즘이 모든걸 잘 해줄것이라 믿고 의지하는게 된다.

Advanced Mesh - Have Control Over the Mesh

Advanced Mesh는 Mesh Parameters 옵션을 선택하면 나타난다. 다양한 옵션으로 메쉬를 컨트롤 할 수 있다.

첫 번째 옵션은 사용할 메쉬 알고리즘이다. 이것은 CAD geometry에서 mesh를 생성할 방법을 결정한다. 사용 가능한 메쉬 알고리즘은 3가지가 있다: Standard mesh, Curvature-based mesh, Blended curvature-based mesh.

각 메쉬 생성 알고리즘은 다양한 세팅값을 제공한다.

Standard Mesh

Standard mesh는 솔리드웍스 시뮬레이션의 기본 메쉬 생성 방법이며 초보가 시작하기 좋은 방법이다. 간단한 구조의 모델에 잘 작동한다.

Curvature-based Mesh

Curvature-based Mesh는 요소의 최대, 최소 사이즈 값을 지정할 수 있다. 이 알고리즘은 작은 feature가 많은 구조에 적합하지만 단순한 구조에는 불필요한 요소가 추가될 수도 있다. 각기둥(prismatic) 모양에서 곡선(curved) 형태로 변화되는 구조에 매우 유용하다.

Blended Curvature-based Mesh

솔리드웍스 2016에 처음 소개된 Blended Curvature-based Mesh는 아주 작은 구조의 feature까지 meshing 할 수 있는 옵션을 제공하는 Curvature-based Mesh 알고리즘 확장판이라 할 수 있다. Calculate Minimum Element Size 옵션을 통해 자동으로 작은 구조의 feature 사이즈를 결정할 수 있다.

Mesh Controls

Mesh Control은 솔리드웍스 mesh 생성법 중 가장 수동적인(manually) 방법이다. Mesh Control은 특정 영역의 요소 사이즈를 지정함으로써 시스템 자원을 모델 전체가 아닌 특정 영역에 집중 할 수 있도록 해준다.

Mesh Control은 아래 그림의 바퀴 살과 같이 모델의 한 부분만 작은 feature를 가지는 경우 특히 유용하다.

크고 복잡한 모델을 시뮬레이션 하는 경우 Mesh Control은 필수적이다. 아래 그림의 중장비 예에서 하위 부품인 붐(boom)이 작동 중 하중을 충분히 견디는지 확인하기 위해 시뮬레이션이 진행 되었다. 모든 구조를 meshing 하기 위해 다양한 사이즈의 부품들과 함께 8개의 Mesh Control이 사용되었다.

붐(boom)에서 1개의 브라켓만 시물레이션시 그 구조가 간단하고 일관적이므로 Mesh Control은 필요 없다. 하지만 붐 전체는 크고 작은 다양한 사이즈의 많은 부품이 포함되기 때문에 적절한 mesh를 생성하기 위해 많은 Mesh Control이 필요하다. Mesh Control이 없다면 mesh 생성에 실패 하거나 운이 좋아 성공 하더라도 적절하지 않은 mesh를 생성하게 된다.

What's a good mesh?

좋은 메쉬 만들기는 어려운 작업이지만 솔리드웍스 시뮬레이션은 이를 쉽게 만들었다. Mesh를 오른쪽 클릭하고 Details...를 클릭하자. Mesh 품질을 결정하는 여러가지 항목의 리스트가 나타난다.

• Maximum Aspect Ratio
• Percentage of elements with Aspect Ratio < 3
• Percentage of elements with Aspect Ratio > 10

What's the Aspect Ratio?

Aspect Ratio는 요소의 모양을 의미한다. 1이 가장 이상적인 상태다. 숫자가 커질수록 요소의 모양은 이상적인 상태에서 벗어나게 된다.

물론 Aspect Ratio가 단순히 모양만을 의미하지는 않지만 이를 이해하는 좋은 방법은 이것을 요소의 모양이라 가정하는 것이다. Aspect Ratio는 한 면(face)에서 맞은편 꼭지점(vertex)까지 잇는 법선(normal)들의 비율이라 정의할 수 있다. 아래 그림에서 볼 수 있듯이 Aspect Ratio가 높을수록 요소의 모양은 편향되게(비뚤어지게) 된다.

그럼 좋은 메쉬를 생성했다는건 어떻게 알 수 있을까? 완벽한 Aspect Ratio가 1이라는것은 알았으니 모든 요소의 Aspect Ratio가 1이 되면 된다. 하지만 그건 현실적으로 불가능하다. 그보다는 전체적인 요소의 Aspect Ratio가 낮은 값을 가지도록 하면 된다. 이는 Mesh Details에서 Percentage of elements with Aspect Ratio < 3, > 10 항목을 보면 확인할 수 있다.

이제 우리는 어떻게 Mesh를 생성하는지, 어떻게 Mesh Control을 이용해 Mesh를 향상시키는지 또, 좋은 Mesh를 생성했는지 판단할 수 있게 되었다. 이 3가지 내용이 솔리드웍스 시뮬레이션 Meshing의 기본이다.

출처: SOLIDWORKS Simulation Makes Meshing Easy. Too Easy?