시뮬레이션에서 물성의 중요성

CAE Mentor

시뮬레이션을 위한 물성

물성(material properties)은 시뮬레이션을 위한 기초 데이터중에 하나다. 가장 중요한 요소라고 생각한다.

물성이란 재료의 고유의 것으로 근본적으로는 재료의 결정 구조에 의해 정해진다. 물성이라 하면 사실 범위가 넓다. 전기적 물성, 기계적 물성, 열역학적 물성, 자기적 물성, 진동 관련 물성 등 분야별로 세분화가 가능하다.

구조해석에서는 기계적 물성을 주로 다루게 된다. 대표적인 기계적 물성으로는 탄성계수가 있다. ls-dyna에서 주로 다루는 기계적 물성은 다음 표를 참고 하자.

인청동의 물성 데이터 예시

이 데이터만 있으면 해석이 가능한 것은 아니다.

비선형의 소성변형까지 고려해야 하는 해석이라면 그 유명한 s-s curve(응력-변형률 곡선)가 필요하다. 이 곡선은 재료의 인장시험을 통해서 구해야 한다. 인장시험 관련된 이야기도 언젠가 하고 싶다. 대학원 연구실에 있던 시절 인장시험 참 많이 했었던 기억이 난다. 그러나 인장시험으로 얻어진 s-s curve가 바로 해석용 데이터가 되는 것은 또 아니다.

응력 변형률 곡선의 예시

위의 그림은 인장 시험 결과 얻어진 데이터이다. 보다시피 변형률을 보면 5%도 안 되는 지점에서 곡선은 끊어져 버린다. 이 재료가 강도는 꽤 나가지만 연신률이 안 좋은 재료임을 알 수 있다.

이 데이터로는 5% 이상의 변형이 생기면 더 이상 참고할 데이터가 없기 때문에 제대로 된 해석이 수행되지 않는다. 따라서 곡선의 후반부를 연장해야만 한다. 이것을 외삽법이라고 한다. 영어로는 extrapolation이다. 기존에 있는 점을 통해 곡선 밖의 점을 예측하는 방법이다. 그 결과 얻어진 그래프는 아래와 같다.

외삽법에 의한 곡선

외삽법은 두 그래프가 특이점 없이 잘 합쳐지도록 해주는 방법이라고 생각해도 좋다.

두 그래프를 잘 중첩시켜서 쓰면 해석용 데이터가 되는데. ls-dyna에서는 강소성 부분만 필요로 하기 때문에 탄성 부분을 뚝 잘라 버리면 된다. 즉 항복 응력 지점부터 시작하는 그래프가 된다.

해석용 데이터의 완성

이 데이터를 ls-dyna에 3page, Dfine카드 안에 있는 curve를 열어 입력하면 된다. 불러올 수 있는 형식은 거의 대부분의 텍스트 형식이 가능하다. 엑셀의 csv형식도 가능하다. 탄성 부분은 Mat 카드에서 입력한 탄성계수와 항복 응력 값에 의해 직선으로 피팅해서 쓰게 된다. 물론 ls-dyna가 알아서 하는 것이다. 물성 데이터를 관리하고 입력하는 것은 매우 중요한 일이다. 제대로 된 물성이 확보되지 않은 상태에서의 해석은 거의 무용지물이라고 할 수 있다. 소재가 특이할수록 프로그램 내에 포함되어 있는 참고 물성 또한 참고할 수가 없게 된다.

지도교수님의 말씀이 생각난다.

"쓰레기 넣으면 쓰레기 나오는 거야"