부산대학교 도서관

본 논문에서는 유한 요소 해석의 결과를 실제 실험과 비교하여 검증하기 위한 지표를 개발하고자 하였다. 제품을 설계하거나 실험을 수행하는 경우에 유한요소법(FEM)을 활용하여 결과를 미리 예측함으로써 소요되는 시간과 비용을 줄일 수 있다. 소프트웨어를 이용한 FEM이 다양한 분야에서 활용되고 있으나 실물과 유사한 모델을 가정하고 해석 조건을 정의하는 방법에 따라 해석 결과의 신뢰성이 달라질 수 있다. 따라서 시뮬레이션 결과와 실험을 효과적으로 대응시킬 수 있는 지표를 개발하여 실험을 통해 해석 결과의 신뢰성을 판단하고자 하였다. 특히 유연 케이블에 대한 유한 요소 시뮬레이션 결과를 검증할 수 있는 표준화 된 방법이 존재하지 않으므로 특정 조건에 대한 적절한 지표를 개발하여 이를 바탕으로 실험과 해석 결과를 비교하였다. 또한 오차 분석을 통해 해석 및 실험 모델을 개선함으로써 효율적으로 검증할 수 있는 방안을 모색하는 것을 목표로 하였다. 제안한 방법은 재료 물성치, 초기 장력, 케이블이 감기는 속도를 입력 조건으로 하여 해석 및 실험을 수행하고 유연 케이블의 변형 후 변위를 비교함으로써 오차를 계산하는 것이다. 해석과 실험을 최대한 유사하게 구성하고 각 변수에 따른 결과를 분석하여 검증의 적합성을 향상시키고자 하였다. 시뮬레이션에서는 케이블이 감기는 동안 비틀림이 발생하여 노드의 위치가 일정한 곳에 위치하지 않고 회전하는 것을 관찰할 수 있었다. 그러나 실험에서는 비틀림을 측정할 수 없으므로 케이블의 원주 방향으로 마커를 한 바퀴 감아 고속 카메라로 촬영 시 마커가 사각형으로 보이도록 하여 마커 중심 좌표를 검출하였다. 실험 대상인 케이블에 일정한 간격으로 마커를 표시하여 중심 좌표를 검출하고 유한 요소 해석 모델의 절점 데이터와 비교하여 케이블의 길이에 대한 오차를 계산하였다. 비틀림의 영향을 고려하지 않기 위해 해석에서의 절점 좌표와 실험에서의 마커의 중심 좌표가 케이블의 중심축에 위치한다고 가정하고 결과를 비교하였다. 추가적으로 모델의 조건을 변경하며 해석 및 실험을 진행하고 결과에 따라 모델을 수정하고 업데이트를 수행한다면 개발한 검증 지표를 더욱 다양한 문제에 범용적으로 적용 가능할 것이다.
The purpose of this study to develop an index to verify the results of finite element analysis by comparing them with actual experiments. When designing a product or conducting an experiment, it is possible to reduce the time and cost required by predicting the result in advance using the finite element method (FEM). Although FEM using software is used in various fields, unreliable results may be derived depending on the method of assuming a model similar to the real thing and defining the analysis conditions. Therefore, Appropriate indicators are important that can effectively correlate simulation results with experiments. In particular, since there is no standardized method to verify the finite element simulation results for flexible cables, an appropriate indicator was developed and the results of the experiment and analysis were compared. In addition, we aimed to find a way to efficiently verify the analysis and experimental models through error analysis. The proposed method is to perform analysis and experiment with material properties, initial tension, and cable winding speed as input conditions, and to calculate the error by comparing the displacement after deformation of the flexible cable. Appropriate variables were selected that can effectively correspond analysis and experiment. After that, the suitability of the verification was improved by analyzing the results according to each variable. The center coordinates were detected by using markers on the cable as an experiment object at regular intervals. The error in the length of the cable was calculated by comparing it with the node data of the FEM model. In the simulation, it was observed that twisting occurred during the winding of the cable, and the position of the node rotated without being positioned in a constant position. However, since the torsion could not be measured in the experiment, the center coordinates of the marker were detected with a high-speed camera. In order not to consider the effect of torsion, the results were compared assuming that the node coordinates in the analysis and the center coordinates of the marker in the experiment are located at the center axis of the cable.By changing the condition of the model appropriately, analysis and experiments are conducted, and the model is modified and updated according to the results, the developed verification index can be applied universally to a wider variety of problems.