Software Engineer English & Software Engineering Blog - Sean

KiCad에는 PCB에 로고(그림)를 넣는 메뉴가 없다. 직선과 원만으로 로고를 그리기는 어려우므로 아래 방법을 사용한다.

PCB위에 silk screen으로 적용하는 경우 결과는 Black&White Picture와 거의 같다. Picture가 마음에 들지 않는다면 원본 파일을 적당히 전처리 해 준다. 이미지가 너무 크거나 작다면 미리 사이즈를 수정해야 할 수도 있다. 상단의 Bitmap Info와 Image Options의 Black/White Threshold를 확인하자.

이미지 선택이 완료 되었으면 Export를 클릭하고 적당한 폴더에 Pcbnew 파일을 만든다.

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?

열 관련 시뮬레이션을 진행할때는 온도 측정 센서의 위치에 따라 결과가 크게 바뀔 수 있다.

시뮬레이션의 효율을 고려해 단순한 모양의 히터와 발열체 그리고 커버를 준비한다. (100X100X25mm)

Solution type - Transient, Total time: 3600 sec, Time increment: 30 sec

Thermostat cut off lower bound: 98°C, upper bound: 102°C

Thermostat position: 파란점(히터 외부)

히터 표면 9 포인트의 승온 그래프.

이번엔 Thermostat position을 히터 내부 발열체와 커버 사이로(붉은점) 지정한다.

히터 표면 9 포인트의 승온 그래프.

744초를 기준으로 목표 온도에 대해 더 낮은 overshooting 및 hunting을 보인다. 효율을 위해 작고 단순한 히터로 시뮬레이션 했기 때문에 차이가 극명하게 보이지 않지만 크고 복잡한 구조에서는 확실한 차이가 발생 한다.

시뮬레이션을 진행하기 위해 mesh를 생성해야 하는데 아래와 같은 메세지가 뜨면서 실패하는 경우가 있다.

 Main Body-1의 mesh 생성이 실패 했다. element 사이즈를 조정하거나 mesh control을 추가하는 등의 해결 방법이 있는데 mesh control을 추가해 보자. OK를 클릭 한다.

화면 오른쪽에 위와 같이 Simulation Advisor가 나타난다. Mesh Control을 클릭하고 mesh 작성을 실패한 바디(Main Body-1)를 선택해 준다.

Create Mesh를 선택 한다.

선택한 바디(Main Body-1)는 Curvature based mesh로 작성된다. 예를 클릭 한다.

mesh 작성이 완료 된다.

솔리드웍스로 시뮬레이션을 진행하다 보면 non-manifold나 유효하지 않은 바디가 있어 면을 선택 할 수 없다는 메세지가 뜰때가 있다.

복사열을 방출하는 면을 선택하기 위해 Select all exposed faces 버튼을 클릭하면 이렇게 에러 메세지가 뜬다. (필요한 면을 개별적으로 선택해서 넘어갈 수도 있다)

개별적으로 면을 선택해서 non-manifold나 유효하지 않은 면이 있다는 에러를 넘어 가더라도 시뮬레이션이 제대로 되지 않는다. (시뮬레이션이 될 수도 있다)

그렇다면 non-manifold 바디가 대체 무엇일까?

non-manifold 바디란 간단히 말해서 그림으로 표현할 수는 있지만 실제 존재 할 수 없는 바디를 말한다. 아래 그림을 보자.

※ 참고: What is a non-manifold mesh and how to fix it

육면체 2개가 붙어 있다. 하지만 1개의 모서리만을 2개의 육면체가 공유하고 있는데 이런 오브젝트는 존재 할 수 없다.

2개의 육면체가 1개의 점만을 공유하고 있다. 현실에서는 존재 할 수 없다.

부피 없이 면 4개로 구성된 육면체이다. 마찬가지로 현실에서는 존재 할 수 없는 non-manifold body다.
(솔리드웍스에서는 이런 오브젝트를 만들 수 없지만 다른 3D Rendering 프로그램에서는 가능하다)

이런 오브젝트도 메시 생성은 가능하지만 항상 시뮬레이션 결과가 나올거라 기대 할 수는 없다. 최대한 non-manifold 바디가 없게 시뮬레이션을 디자인하는게 좋다.