Daniel Hsiao, CoreTech System (Moldex3D) 기술지원부 수석 엔지니어
Shell 모델 소개
Shell 모델은 유한요소해석(FEA)에서 널리 사용되는 방법으로, 두께 방향을 무시하고 모델을 단순화하는 기법입니다. 3D 형상을 2.5D 모델로 변환함으로써 계산 자원을 절감하고, 설계 변경도 용이해집니다. 이 방식은 두께 방향에 조밀한 메시 생성을 요구하지 않기 때문에 고성능 컴퓨터 없이도 시뮬레이션 분석이 가능합니다. 특히 얇은 셸 구조 또는 두께와 길이의 차이가 큰 부품을 시뮬레이션할 때 적합합니다.
그림 1 모델의 단순화 다이어그램
Shell 모델링은 빠른 시뮬레이션이 가능하다는 장점이 있지만, 3D 모델을 2.5D 메시로 변환하려면 시간이 소요되는 전처리 작업이 필요합니다. Moldex3D Mesh (Rhino) 와 Moldex3D Studio는 3D 형상에서 Shell 모델을 효율적으로 생성할 수 있는 강력한 도구를 제공합니다. 본 예제에서는 Studio를 이용한 Toycar 모델의 메시 전처리 단계를 설명합니다.
섹션 1: 메시 전처리
Step 1: 형상 가져오기
그림 2 형상 가져오기
프로젝트를 열고, Shell 타입을 선택한 다음 형상을 불러옵니다. 메인 화면에서 Model을 선택하고, Fix Mesh > Create Face Mesh를 클릭합니다. 그 다음, Shift 키를 누른 상태로 가운데 면들을 선택합니다 (아래 노란색 표시 영역 참고). Mixed Elements 및 Grid-based Element는 체크하지 말고, OK를 눌러 메시를 생성합니다.
그림 3 중간 면 선택
Step 2: Free & T-Connect 엣지 확인
모든 메시의 속성을 Part로 설정한 다음, 리브 및 실린더 형태의 메시 부분을 숨깁니다. 이후 Check Free Edges & T-Connectivity Edges를 실행하면 팝업창이 나타납니다. Create Curves를 체크하여 자유 엣지를 시각적으로 확인합니다.
그림 4 자유 엣지 표시
Step 3: 표면 메시 수정
Fix Surface Mesh 탭에서 메시 채우기 순서를 다음과 같이 설정합니다:
- Fill Closed Loops 클릭
- 커맨드 클릭
- 자유 엣지 선택
- 초록색 체크표시 클릭
- 다른 7개의 자유 엣지를 반복 선택 후 채움 완료
확인 후 모든 메시 채우기가 완료됩니다.
그림 5 폐곡선 채우기
Step4: 두께 설정
Fix Surface Mesh 기능을 종료하고 숨겨져 있던 객체들을 다시 표시한 후, Modify Thickness를 클릭합니다. 먼저 모든 메시를 선택하고 두께를 2.5mm로 설정합니다. 그다음 선택 기능을 활용하여 네 개의 리브 두께를 2mm로 설정합니다.
그림 6 모델 두께
섹션 2: 모델 준비 완료 및 해석 실행
Step 5: 러너, 금형베이스, 냉각 시스템 설정 및 최종 확인
Model 탭에서 Gate 및 Runner를 클릭하여 게이트 위치를 지정하고, 러너 시스템을 자동 생성합니다. Moldbase 및 Cooling Channel을 클릭하여 기본 매개변수로 냉각 시스템을 생성합니다. 마지막으로 Final Check를 클릭하여 메시 전처리 완료를 확인합니다.
그림 7 최종 확인 모델
Step 6: 재질/공정 조건/해석 시작
Final Check(최종 확인)이 완료되면, 재료(Material), 공정 조건(Process Condition), 해석 순서(Analysis Sequence: C → F/P → C → W)를 설정할 수 있습니다. 그 다음, Run을 클릭하면 Computing Manager에서 Shell 솔버를 사용한 해석이 시작됩니다. 해석이 완료되면 결과가 Studio로 자동으로 불러와집니다.
Fig 8 Melt front Time Result