다물체 동역학이란 무엇일까요?
다물체 동역학 해석을 통해 얻을 수 있는 정보들은 무엇이 있을까요?
1. MBD (Multi-Body Dynamics)
다물체 동역학(Multi-Body Dynamics)을 이용하면 여러 강체 요소들의 상대 운동에 의해 발생하는 조인트(Joint)의 다양한 물리량을 해석적으로 도출해 낼 수 있습니다.
가령, 굴삭기나 로봇팔과 같은 기계적 메커니즘으로 구동되는 기계장치의 경우 그 기계장치가 동작할 때 각 관절의 상대운동에 따른 반력, 변위, 속도, 가속도, 각속도, 각가속도 등의 물리량을 효과적으로 산출해 냅니다.
이것은 기계장치를 개발하는 과정에서 기계요소의 선정. 즉, 모터나 액추에이터 등과 같은 구동장치의 스펙을 선정하는데 매우 효과적입니다.
다물체 동역학을 통해 기계 장치의 조인트에 필요한 최대 물리량을 도출해 내고, 그 물리량을 발휘할 수 있는 구동장치를 선정할 수 있습니다.
예를 들어 다물체 동역학을 통해 얻어낸 특정 조인트의 최대 토크가 100 kNm라면, 정격 토크가 100 kNm 이상인 모터를 선정해야 합니다.
또한, 다물체 동역학을 통해 얻어낸 특정 조인트의 최대 반력이 100 kN이라면, 정격 하중 100 kN 이상인 액추에이터를 선정해야 할 것입니다.
이처럼 다물체 동역학은 다관절 링크와 같은 여러 요소들 간의 상대 운동을 기구학적으로 분석하고, 요소들의 움직임에 의해 발생되는 힘의 상관관계를 분석할 수 있는 것이 가장 큰 특징입니다.
MBD는 기계장치의 개발과정에 있어 중요한 물리량을 제공해 주기 때문에 효율적인 제품개발에 많은 도움을 줍니다.
MBD 장점
강체들은 최소의 자유도를 갖는 조인트를 통해 연결됩니다. 따라서 해석이 매우 빠릅니다.
그래픽적으로 파트의 운동을 완전히 시각화하여 보여줍니다.
상호 작용에 따른 운동학적 시험에 효과적입니다.
스프링과 댐퍼를 포함할 수 있어 해석 정확도가 높습니다.
MBD로 얻을 수 있는 결과
작업 공간(workspace)의 검증, 경로(Path Trajectory) 생성 및 분석 가능.
구현하고자 하는 모션이 있다면 역 계산을 통하여 액츄에어터의 각도 및 스트로크 산출 가능.
모터 관절 부에 각속도-시간 인풋 조건으로 구조물 동작에 필요한 토크 값 산출 후 모터 스펙 결정 가능
(속도-시간에 따른 관성 효과 고려 가능)
2. F-MBD (Flexible Multi-Body Dynamics) – 유연체 동역학
다물체 동역학(Multi-Body Dynamics)을 이용해 강체 요소들의 상대 운동을 분석할 수 있음을 위에서 언급 하였습니다.
하지만 MBD는 각 요소들을 강체로 가정하기 때문에 요소에 작용하는 변형(deformation)이나 응력(stress)을 구할 수는 없습니다.
때문에 이러한 강체 요소들을 유연체로 변경하여 각 요소의 재료역학적 결과 값인 변형, 응력, 변형률 등을 구할 수 있게 하였는데 이것이 바로 F-MBD, 유연체동역학 입니다.
F-MBD를 수행하면 구조물의 한계 하중을 평가함과 동시에 구조물 자체의 강도 해석도 가능합니다.
MBD에서는 각 관절에 작용하는 물리량만을 얻을 수 있었다면, F-MBD를 통해서 각 관절에 작용하는 물리량은 물론이고 기계장치를 구성하는 구조물의 변형 및 응력까지 도출해 주기 때문에 구조물의 강도 평가가 가능하고, 이를 통해 내구수명 설계를 효과적으로 할 수 있다는 강점이 있습니다.
특히, 일반적인 정적 해석(Statics analysis)에서는 분석할 수 없는 기계장치의 비정상적 거동. 즉, 관성력에 의한 충격하중까지도 F-MBD를 통해 얻어낼 수 있기 때문에,
기계장치가 운전 중 갑자기 정지하는 경우나, 일반적인 운전 상황에서 발생하는 반복적인 동적하중 상태(롤링, 바운싱 등과 같은) 등과 같은 다양한 비정상적 거동을 고려하여 구조물의 강도를 평가할 수 있습니다.
많은 정보를 확보하지 못한 개발 초기 단계에서 F-MBD를 활용하면 효과적인 기계요소의 선정에서부터 구조물의 강도 해석까지 폭넓게 활용될 수 있어 제품 개발비를 대폭 감소시켜 줍니다.
F-MBD 장점
모든 비선형을 구현할 수 있기 때문에 관성 충격, 대변형, 접촉비선형 등을 고려할 수 있습니다.
각각의 파트를 강체와 유연체로 구분할 수 있어 필요한 부분만 강도 해석이 가능합니다.
F-MBD로 얻을 수 있는 결과
동적하중 상태를 반영한 구조물의 강도 해석 가능
만약, 해석하고자 하는 케이스가 관성과 감쇠효과를 무시할 수 있는 경우라면 선형 또는 비선형 정적해석을 수행하는 것이 더 효율적입니다.
또한 하중이 순수한 sin곡선인 경우라면 조화응답 해석을 통해 결과를 분석하는 것이 더 효율적입니다.
구조해석을 실시하기 전 현재 기계장치의 하중 조건 및 경계 조건을 정밀히 분석 한 후 가장 효과적인 해석 기법을 적용하는 것이 중요합니다.
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