이볼브와 하이퍼웍스를 이용한 병 해석의 자동화 과정


아래 내용은 알테어에서 트레이닝 및 아카데미 프로그램 등 학생들을 위해 다양한 서비스를 제공하는
‘알테어 유니버시티(Altair University)’에 게재된 기사를 본 블로그에서 수정한 글입니다.



알테어는 포장 용기 해석 분야에서 가장 실적이 좋는 CAE 소프트웨어 업체 중 하나입니다.

유니레버, P&G를 비롯한 국내 소비재 제조업체, 음료수 제조 업체와 화장품 회사에서 종합 CAE 소프트웨어 하이퍼웍스(HyperWorks)와 3D 디자인 소프트웨어 이볼브(EVOLVE)가 폭넓게 이용되고 있습니다. 패키지 개발 과정에 생기는 문제에 대해, 해석을 통해 어떤 것들이 가능한지에 대해 알 수 있으며, 오랜 경험도 가지고 있습니다. CAE 소프트웨어 회사이면서도 포장 용기 개발 분야에 확실히 녹아들며 정확한 지원을 제공합니다.

알테어는 병 분석 전용 도구 패키징 CAE 매니저(Packaging CAE Manager: PCM)을 2014년에 출시했습니다. PCM은 플라스틱 병의 개발에 필요한 시험을 가상 테스트로, PC 내에서 분석할 수 있는 소프트웨어 시리즈입니다. 최고 하중 분석 도구 및 그 전면 정압 / 부압 분석 도구가 개발되어 사용할 수 있게 되었습니다.


PCM 최고 하중 분석 자동화 도구

패키지 개발에서는 “무조건” 이라고해도 좋을 정도로 압축 시험을 실시합니다. 유통 과정에서 발생하는 여러 충격에 견딜 수 있어야 합니다. “PCM 최고 하중 분석 자동화 도구”는 전문적인 해석 지식을 필요로 하지 않으며, 포장 용기에 대한 이해만 있으면 누구나 쉽게 분석할 수 있는 도구입니다.

MAC에서 실행되는 기록 기능까지 포함하고 있는 곡면 모델러 이볼브를 사용하여 병의 3D 모델을 만들어 보았습니다. 해석을 수행하기 위해 병 뚜껑 부분을 제거하고 아래와 같이 솔리드 모델을 만들었습니다.

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▲ 이볼브로 디자인한 샴푸 병


빈 병의 최고 하중 해석

해석을 위해 이볼브에서 만든 병 모델을 PCM 최고 하중 분석 자동화 도구로 읽어냅니다. 제어판에 숫자를 입력하는 방식으로, 익숙해지면 설정에 1분도 채 걸리지 않습니다. 자동으로 분석에 필요한 유한 요소를 만들 수 있습니다.

해석 계산은 4코어 병렬 컴퓨팅으로 수행되므로, 미세한 메시 작업을 해석하더라도 수십 분 빠르게 계산 결과를 표시합니다. 선형 해석에 대한 최고 하중 분석을 하고자 하는 분들도 있지만, 비선형 좌굴을 동반 현상이므로 정확한 계산을 위해서는 하이퍼웍스와 같은 비선형 좌굴 해석이 가능한 CAE 소프트웨어가 꼭 필요합니다.

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▲ 본 미세스 응력 등고선(왼쪽)과 압력에 대한 반력 그래프 (오른쪽)


내용물을 고려한 최고 하중 분석

제품 상태 (내부 액을 충전하여 뚜껑을 닫은 상태)에서의 압축 시험이 가장 중요합니다. PCM은 내용 액을 얼마나 넣을지를 설정하는 것만으로, 내용 액을 고려한 최고 하중 분석을 할 수 있습니다. 게다가 계산 시간도 오래 걸리지 않습니다. 방금 했던 빈 병의 좌굴 모드와 상당히 다른 결과를 얻을 수 있었습니다. 공기 부분에 따라 압축 좌굴도 높아지고 있는 것을 확인할 수 있습니다.

03_bottle_625▲ 내용 액을 고려한 병의 비선형 좌굴 해석


양압 / 부압 해석 도구

PCM은 CAE 작업에 숙련되지 않은 설계자들을 위해 개발된 플라스틱 병 구조 해석 소프트웨어로 2014년 출시 이후 다양한 기업에 이용되어 왔습니다. 그리고 이번에 최고 하중 분석 도구 이외에 전면 정압 / 부압 분석 도구가 새롭게 추가되었습니다. 이를 통해 다음과 같은 해석을 쉽게 수행할 수 있습니다. 마찬가지로 해석의 설정은 1분도 채 걸리지 않습니다.

1. 병 입구 개방 상태에서의 압력 해석
2. 뚜껑이 닫힌 병의 양압 분석
– 내용물(액체)이 있는 경우
– 내용물(액체)이 없는 경우
3. 뚜껑이 닫힌 병의 부압 분석
– 내용물(액체)이 있는 경우
– 내용물(액체)이 없는 경우

PCM Ver.2에서는 FEM(유한 요소 모델)도 해석할 수 있게 되었습니다. PCM은 자동으로 메시를 만들어 줄 뿐만 아니라, 하이퍼메시(HyperMesh)에서 미세 두께 분포를 설정한 모델을 불러올 수 있기 때문에, 쉽게 해석 설정이 가능합니다.

1. 병 입구를 개방한 상태에서의 정수압 분석

내용물(액체)을 채웠을 경우의 변형에 대해 평가할 수 있습니다.

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▲ 최대로 넣을 수 있는 내용물 설정에 대한 예시

05_bottleAfter_625▲ 변위(왼쪽)와 본 미세스 응력에 대한 등고선(오른쪽)


2. 양압 분석

화학 변화 등에 의해 양압 상태가 된 경우에 대해, 병 변형을 해석할 수 있습니다. 탄산 음료수 병의 해석도 가능합니다.

06_bottleSimu (1)_6256▲ 변위(왼쪽), 본 미세스 응력에 대한 등고선(중앙)과 내용물 변화율(오른쪽)


3. 압력에 의한 변형 해석

고온에서의 용기 변형을 예측합니다. 병의 감압 변형에 의한 라벨면을 평가하거나 닿는 면의 변화 등을 쉽게 확인할 수 있습니다. 아래 그림은 내용물을 고려한 해석 결과입니다.

07_bottlePres_625▲ 변위(왼쪽), 본 미세스 응력에 대한 등고선(중앙)과 내용물 변화율(오른쪽)


용기 낙하 해석: DropTest

마지막으로, 하이퍼웍스에는 누구나 쉽게 액체가 들어있는 병의 낙하 해석을 할 수 있는 도구가 있습니다.

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CAE에 익숙하지 않은 사람이라도 재료 물성 및 메시 작업만 되어있으면 8분 이내에 해석이 가능합니다. 또한 PCM 압축 좌굴 해석 자동화 도구가 있다면, 3D CAD 모델에서 쉽게 메시를 생성할 수 있습니다.

Packaging CAE Manager 시리즈

지금까지 소개한 PCM 패키지는 용기를 개발하는 여러 회사에서 사용하는 병 전용 분석 자동화 도구입니다. 이러한 병 분석 자동화 도구가 있으면 금형을 만들고 실제 시험을 하기 전에 용기의 성능을 예측하는 것이 가능합니다. 설계의 초기 단계에서 PCM을 사용하면 반복 작업을 줄이고 개발 시간을 단축할 수 있게 됩니다.

1. 최대 하중 해석 자동화 도구
2. 양압 / 부압 분석 자동화 도구
3. 낙하 해석: DropTest

일본알테어에서는 무료로 PCM 평가판을 제공하고 있습니다. 내 PC에서 병의 가상 테스트를 실현할 수 있게 됩니다. 관심 있으신 분은 와타나베에 있는 일본알테어로 메일을 보내주시기 바랍니다. (watabe@altairjp.co.jp)

또한, 11월 26일에 사단 법인 일본 포장 기술 협회가 주최하는 제 88회 포장 정보 연구회에서 「포장 용기 개발의 CAE 적용 사례」 라는 주제로 강연을 실시합니다. 관심을 가지고 계신 분은 여기를 참조하시기 바랍니다.

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