접촉 및 임베딩¶

서로 독립된 부품이 접촉하여 하중을 전달하거나 미끄러지는 문제, 또는 한 부품이 다른 부품에 매립된 상태를 표현해야 하는 문제에는 접촉 해석 및 임베딩 기능을 사용한다. 접촉 해석에서는 접촉면에서의 관입 방지와 마찰 전달을 위한 구속 조건을 설정하고, 임베딩에서는 부품 간의 완전 구속을 표현한다.

FrontISTR의 접촉 해석은 접촉 유형, 해법 알고리즘, 접촉 페어 정의, 스텝별 활성화를 조합하여 구성한다. 임베딩은 접촉의 프레임워크를 이용하여 임베딩 측 절점을 호스트 측 요소에 구속하는 기능이다.

기능 개요¶

접촉 해석은 다음 선택 항목을 순서대로 결정하면 정리하기 쉽다.

선택 축	선택지	역할
접촉 유형	미소 미끄럼 접촉, 유한 미끄럼 접촉, 결합 구속	접촉면의 상대 이동, 분리, 미끄럼을 어떻게 허용할지 결정한다.
해법 알고리즘	`SLAGRANGE`, `ALAGRANGE`	접촉 구속을 선형계와 비선형 반복에 어떻게 포함할지 결정한다.
접촉 페어	`NODE-SURF`, `SURF-SURF`	슬레이브 측과 마스터 측의 형식을 결정한다. 페어 정의는 메시 데이터 측에서 수행한다.
마찰	마찰 없음, Coulomb 마찰	마찰계수로 접선 방향의 저항을 지정한다.
활성화	`!STEP`의 `CONTACT` 행	스텝별로 접촉 그룹 또는 임베딩 그룹을 활성화한다.

입력에서는 접촉 조건을 !CONTACT로 정의하고, 해법을 !CONTACT_ALGO로 선택한다. 접촉 판정 조정 파라미터는 !CONTACT_PARAM에 모여 있다. 초기 간섭을 단계적으로 처리하려면 !CONTACT_INTERFERENCE를 함께 사용한다.

임베딩은 !EMBED로 정의하고, 접촉과 같은 CONTACT 행에서 스텝별로 활성화한다. 접촉 자유도 소거 및 다점 구속의 선형 솔버 측 처리는 솔버 및 전처리를 참조한다.

접촉 해석 방법 선택¶

접촉 유형은 접촉면의 상대 이동과 해석 목적에 따라 선택한다. 미끄럼량이 작고 접촉 위치를 크게 갱신할 필요가 없는 경우에는 미소 미끄럼 접촉을 사용한다. 대변형이나 큰 상대 미끄럼을 다루는 경우에는 유한 미끄럼 접촉을 사용한다. 부품 사이를 영구적으로 결합하여 미끄럼이나 분리를 허용하지 않는 경우에는 결합 구속을 사용한다.

해법 알고리즘은 우선 표준 Lagrange 승수법(SLAGRANGE)을 후보로 한다. 외부 반복으로 구속 정확도를 향상시키고자 하는 경우에는 확장 Lagrange 승수법(ALAGRANGE)을 후보로 한다. ALAGRANGE에서는 AUGITER로 확장 Lagrange 반복 횟수를 지정한다.

마찰을 고려하는 경우에는 접촉 페어마다 마찰계수를 지정한다. 마찰계수가 0인 접촉 페어는 마찰 없는 접촉으로 처리한다. 마찰은 수렴성에 영향을 주므로 필요한 접촉 페어에만 지정한다.

접촉면은 1차 요소의 표면만 지원한다. 고차 요소의 표면을 접촉면으로 사용하는 입력은 지원하지 않는다. 고차 요소를 사용하는 해석에서 접촉을 사용할 경우 접촉면을 1차 요소 상당으로 표현할 수 있도록 모델링한다.

미소 미끄럼 접촉¶

미소 미끄럼 접촉은 접촉 위치의 변화를 작은 것으로 취급하는 접촉 유형이다. 입력에서는 !CONTACT의 INTERACTION=SSLID로 지정한다.

접촉면의 상대 미끄럼이 작은 문제에서는 미소 미끄럼 접촉을 사용하면 접촉 판정을 안정시키기 쉽다. 접촉 상태의 변화와 분리를 다루지만, 유한 미끄럼 접촉처럼 대응 접촉점의 큰 이동을 전제로 하지는 않는다.

미소 미끄럼 접촉은 마찰 없는 접촉과 Coulomb 마찰 접촉을 모두 지원한다. 고차 요소 표면에 대한 접촉은 지원하지 않는다.

유한 미끄럼 접촉¶

유한 미끄럼 접촉은 변형에 따라 대응 접촉점을 갱신하는 접촉 유형이다. 입력에서는 !CONTACT의 INTERACTION=FSLID로 지정한다.

대변형, 부품 간 큰 상대 미끄럼, 초기 접촉 위치에서 멀리 떨어진 위치로의 접촉 이동을 다루는 경우 유한 미끄럼 접촉을 선택한다. 대응 접촉점 탐색에는 버킷 탐색이 사용되며, 해석 중 접촉 위치 갱신을 지원한다.

INTERACTION=GLUED는 호환성 지정이며 내부적으로 유한 미끄럼 접촉으로 처리된다. 유한 미끄럼 접촉은 마찰 없는 접촉과 Coulomb 마찰 접촉을 모두 지원한다.

결합 구속¶

결합 구속은 접촉 페어로 지정한 면들을 영구적으로 결합하는 접촉 유형이다. 입력에서는 !CONTACT의 INTERACTION=TIED로 지정한다.

결합 구속에서는 미끄럼이나 분리를 허용하지 않는다. 요소 크기가 다른 메시를 연결하려는 경우나, 별도 부품으로 작성한 영역을 해석상 하나의 물체로 취급하려는 경우에 사용한다.

임베딩은 임베딩 측 절점을 호스트 요소에 구속하는 기능으로, 접촉 페어의 두 면을 연결하는 결합 구속과는 입력 대상이 다르다. 절점 그룹을 주변 요소 내부에 구속하려면 임베딩을 사용한다.

임베딩¶

임베딩은 임베딩 측 절점 그룹을 호스트 측 요소 그룹에 구속하는 기능이다. 입력에서는 메시 데이터 측의 !EMBED PAIR로 임베딩 페어를 정의하고, 해석 제어 측의 !EMBED로 페어 이름과 그룹 ID를 지정한다.

임베딩 페어에서 SLAVE_GRP는 임베딩 측 절점 그룹이고, MASTER_GRP는 호스트 측 요소 그룹이다. 절점 그룹을 주변 솔리드 요소 내부에 강체적으로 구속하려는 경우 사용한다.

임베딩은 접촉 해법의 전체 설정에 따라 조립된다. 일반적으로 SLAGRANGE를 우선 후보로 하며, ALAGRANGE를 사용할 경우에는 페널티 계수와 외부 반복의 수렴성을 확인한다. 마찰은 지원하지 않는다. 스텝별 활성화는 접촉과 동일한 방식으로 이루어지며, !STEP의 CONTACT 행에 그룹 ID를 지정한다.

해법 알고리즘¶

접촉 해법은 !CONTACT_ALGO로 지정한다. 접촉 유형과는 독립된 선택 항목이며, 같은 접촉 페어에 대해 구속을 푸는 방법을 변경하는 데 사용한다.

TYPE=SLAGRANGE는 표준 Lagrange 승수법이다. 접촉 자유도를 선형계에 포함하고 구속 조건을 직접 다룬다. 표준적이고 안정적인 후보이며, 임베딩을 사용하는 경우에도 우선 이 해법을 후보로 한다.

TYPE=ALAGRANGE는 확장 Lagrange 승수법이다. 페널티 항과 외부 반복을 조합하여 구속을 만족시킨다. 접촉 구속의 정확도를 높이고자 할 때 후보가 되지만, AUGITER에 따른 외부 반복이 추가되므로 계산 비용과 수렴 거동을 확인해야 한다.

접촉 자유도 소거, 직접법·반복법과의 조합, MPC 처리 방식은 솔버 및 전처리를 참조한다.

접촉 페어 정의¶

접촉 페어는 어느 슬레이브 측이 어느 마스터 측에 접촉하는지를 정의하는 메시 데이터 측 지정이다. 입력에서는 !CONTACT PAIR로 페어 이름, 슬레이브 그룹, 마스터 그룹을 정의하고, 해석 제어 측의 !CONTACT에서 페어 이름을 참조한다.

TYPE=NODE-SURF는 슬레이브 측을 절점 그룹, 마스터 측을 면 그룹으로 지정하는 절점-면 형식이다. 절점 그룹이 면에 접촉하는 문제를 직접 표현할 수 있다.

TYPE=SURF-SURF는 슬레이브 측과 마스터 측 모두를 면 그룹으로 지정하는 형식이다. 내부적으로는 슬레이브 면 그룹에서 절점 그룹이 생성되어 절점-면 접촉 페어로 변환된다. 슬레이브 면을 면 그룹으로 관리하려는 경우 사용한다.

접촉 판정 파라미터¶

접촉 판정 파라미터는 접촉 탐색이나 접촉 상태 전환에 사용하는 수치적 임계값을 모은 설정이다. 입력에서는 !CONTACT_PARAM로 이름이 있는 파라미터 세트를 정의하고, !CONTACT의 CONTACTPARAM에서 참조한다.

대표적인 파라미터로는 일반 클리어런스 CLEARANCE, 이미 접촉 중인 요소에 대한 CLR_SAME_ELEM, 분리 판정에 사용하는 TENSILE_FORCE, 탐색 박스 확대율 BOX_EXP_RATE 등이 있다. CLEARANCE의 기본값은 0.01이다.

표준적인 해석에서는 기본 접촉 판정 파라미터로 충분히 동작한다. 접촉 상태가 진동하거나, 접촉점이 의도치 않게 전환되거나, 초기 접촉 탐색이 불안정해지는 등의 문제가 있을 때만 조정한다. 각 파라미터 값과 데이터 행 순서는 키워드 레퍼런스를 참조한다.

접촉 간섭 해소¶

접촉 간섭 해소는 초기 상태에서 접촉면이 간섭하는 모델에 대해 간섭량이나 이격량을 단계적으로 변화시키는 기능이다. 입력에서는 !CONTACT_INTERFERENCE로 지정한다.

TYPE=SLAVE 또는 TYPE=MASTER로 슬레이브 측과 마스터 측 중 어느 쪽을 기준으로 간섭을 해소할지 선택한다. END로 간섭 해소가 끝나는 시각을 지정하고, 각 접촉 페어에 초기 위치 initial_pos와 종료 위치 end_pos를 지정한다.

이 기능은 모델 작성상 부품이 간섭하지만 해석에서는 그 간섭을 초기 접촉 상태나 압입 상태로 재현하려는 경우에 사용한다. 간섭을 급격히 해소하면 수렴성이 악화되므로 스텝 내에서 단계적으로 변화시킨다.