Software Engineer English & Software Engineering Blog - Sean

솔리드웍스 열/온도 해석 정적 시뮬레이션.

Solidworks Simulation Thermal Study.

SOLIDWORKS Add-Ins - SOLIDWORKS Simulation을 선택한다.

Simulation - New Study를 선택한다.

Thermal을 선택하고 원하는 이름을 지정한다.

Temperature와 Heat Power로 열원을 지정할 수 있다. Termperature...를 선택한다.

열원으로 사용할 파트(혹은 면)와 온도를(Celsius) 지정한다.

원하는 만큼 지정할 수 있다.

※ 주의 Temperature를 사용하는 경우 지정하는 온도에 따라 열원이 냉각원으로 작용할 수도 있다.

예) 가까이 붙어 있는 Inner 열선을 300℃, Outer 열선을 100℃로 지정하면 Outer 열선 근처는 온도가 300℃에서 100℃로 급격히 떨어지게 된다.

Convection, Heat Flux, Radiation으로 열손실원을 지정할 수 있다. Convection...을 선택한다.

모든 표면에서 대류가 진행되므로 Select all exposed faces를 선택한다. 적당한 Convection Coefficient, Bulk Ambient Temperature를 지정한다. (Convection Symbol 때문에 느려진다면 Show preview를 체크 해제한다)

Mesh - Create Mesh...를 선택하고 매쉬를 생성한다.

Standard mesh, Curvature-based mesh, Blended curvature-based mesh등 적절한 옵션을 사용해 매쉬를 생성한다.

파트 디자인에 따라 매쉬생성이 실패할 수 있다. 대부분 전체적인 요소 사이즈를 줄이거나 매쉬 컨트롤을 사용해 해결할 수 있다.

Apply Mesh Control...을 선택하고 매쉬 컨트롤을 적용한다.

매쉬 컨트롤을 적용할 파트나 면등을 선택한다. 적당한 Mesh Density를 선택하고 Create Mesh를 클릭한다.

매쉬 생성이 완료 되었다.

생성된 매쉬에 (보라색)점들이 표시되는데 Hide로 감출 수 있다.

Run This Study를 선택한다.

계산(Solving)이 진행된다.

Thermal Study가 완료되었다. Legend를 보기쉽게 변경해 보자.

Edit Definition...을 선택한다.

Definition에서 원하는 옵션을 수정한다.

Units: Celsius

Chart Options에서 원하는 옵션을 수정한다.

Number Format: floating

No. of Decimals: 1

Legend가 보기 쉽게 변경 되었다.

아래 예는 열선을 사각형 모양으로 근사화 하지 않고 원형으로 만들었을때의 문제점이다.

테스트 해 본 과정은 다음과 같다.

1. 바디, 열선, 커버를 따로 만들지 않고, 바디와 열선만 만들었다.

2. 바디를 만들고 열선 그루브는 바디 중앙에 Plane을 하나 생성하고 스케치에서 열선 도면을 이용해 Swept Cut으로 만들었다. 그리고 열선을 Swept Boss/Base로 만들어 어셈블리에서 메이트 시키고 Interference Detection을 실행해 보면 전체적으로 간섭이 발생한다. 사각형으로 근사화 한 열선은 그루브와 사이즈가 동일해도(예를 들어 그루브 너비 6.4, 열선 너비 6.4) 문제가 없었는데 이 방법은 간섭이 발생한다. 하지만 간섭은 그루브를 6.41로 0.01만 늘려줘도 해결된다.

3. 시뮬레이션에서 Thermal Loads 를 Temperature가 아닌 Heat Power로 주는 경우, 낮은 파워를 줘도 Min-Max 차가 어마어마하게 벌어진다. 뭐가 잘못 된거 같은데 왜 그런지 모르겠다.

아래 그림들을 참고하자.

※ 추가

원인을 찾았다. Connections - Contact Sets 를 설정하지 않았기 때문이었다.

아래 내용 중 마지막을 참고하자.

위 그림은 Section View를 이용해 열선은 Exclude 시키고 바디만 반 정도 잘라서 보이는 단면을 이용하여 메이트를 진행한 것이다.

아니면 '바디 우클릭 - Change Transparency 클릭' 해서 바디를 반투명하게 바꾸고, 아래 그림 처럼 메이트를 지정할 '모서리를 우클릭 - Select Other 클릭' 해서 메이트 할 모서리들을 선택한다.

※ 추가

Min-Max 값이 크게 벌어지는 이유는 바디 그루브와 열선이 아주 작은 간격(0.01mm)이지만 떨어져 있는 상태에서 그대로 시뮬레이션을 진행했기 때문이다. 열선의 열은 그 작은 간격 때문에 바디로 전도 되지 않고  대류(Convection)만으로 전달되었던 것이며, 그래서 열선 온도는 열이 방출되지 않아 크게 증가하고 바디는 조금밖에 증가하지 않았던 것이다. 열선과 바디가 붙어 있는 것으로 계산되게 만들어야 한다. 아래 내용을 참고하자.

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.

Simulation을 진행 할 때 파트의 면을 많이 선택해야 하는 경우 매번 일일이 지정하기는 어렵다. 미리 선택된 면을 세트로 만들어 두자.

육면체의 파트가 있다.

2개의 면을 Selection Set로 만들고 싶다.

마우스 오른쪽 클릭 - Save Selection 선택

파트 트리를 확인하면 Selection Sets가 만들어졌다. 여러개의 Selection Set를 미리 생성해 둘 수 있다.