기계, 유압부품및시스템해석기술및적용사례 -. CAE(SimulationX) Convergence Technology? CAE Conference 2012 발표자료 2012. 11. 제이앤에프솔루션윤영환 J&F Solution J&F Solution ( jnfsolution@gmail.com)
J&F Solution Products 소개 엔지니어의시간과자유를제공 고객의시간과비용을절감 2 copyright J&F solution
J&F Solution 소개 : CAE/CAT 부문 CAE Convergence Technologies S/W 공급 Consulting Customizing Solution guide & Training MIL, SIL, HIL, EIL Solution Plant modeling Simulator Solution guide & Training CAT ECU Simulator & S/W test Production line 3 copyright J&F solution 용어정의 SILS Software-in-the-Loop Simulation HILS Hardware-in-the-Loop Simulation EILS ECU-in-the-Loop Simulation ECU Electronic Control Unit 전자제어기 RCP Rapid Control Prototyping ECU 및로직개발
SimulationX Tool 개요 : Virtual System Design 독일 ITI 사에서개발, 1990 년설립, 1993 년 ITI-SIM1 release SimulationX Simulation S/W Engineering g Customizing Training & Support 4 copyright J&F solution
Consulting Business? 선진국형 Business model : #1 전문가 Networking Target system 선정 기술분류 전문가 Pool 에서수행 System Integration Solutions Closing 기술용역 Special 교육 개발시스템설정 Target System 선정 교육 Plan 해석모델개발 해석모델개발 이론및사용법정기교육 시험결과및 Re-Design 반영 모델개선사항및고급교육 기술지원및교류 Model Correlation & Validation 고객 ( 시간, 비용절감 ) 엔지니어 ( 시간, 자유 ) 설계변수민감도해석 J&F Solution Solutions Design Tool 로활용 유압기술 (SimulationX) 제어기술 (MATLA/Simulink) 통합기술 업무정의기술분류제안및계약 SI(System Integration) #1 전문가 Pool -. MBD, VD -. CFD, FEA FSI -. Commissioning 5 copyright J&F solution User 요구사항접수
기계, 유압복합문제 : Anchor Auto Drop System 분석사례 Anchor 낙하시과속 ( 과부하 ) 으로인한구조물파손방지 Caliper brake Auto drop system & Anchor Drum brake Caliper brake Hydraulic circuit Chain & Anchor(15ton) Caliper 압력제어 -. Anchor 진동저감설계 6 copyright J&F solution
정부과제참여 경쟁력있는분야에집중 : 유압제어기술 Subsea plant Subsea system 개념도 7 copyright J&F solution 정부과제참여 1. 해양플랜트용수직이동형시추시스템의 Derrick Riser Compensator 핵심기술개발 ( 한국지질자원연구원 ) 2. BOP Gantry Crane 기술개발 (DMC)
Modeling Tool 개요및목적 Modeling Tool 개요 해석모델개발필요성및목적 8 copyright J&F solution
CAE/CAT : Computer Aided Engineering (Testing) CAE Convergence Technologies 3D Simulation -. 형상조건 -. Test가어렵다 FEM MBS Control CFD Simulation S/W Engineering Magnetic SimulationX Customizing Training & Support 1-D Simulation -. 물리적현상을표현 -. Test 조건과동일하게해석 9 copyright J&F solution
Dimension 개념 : 유한요소법개요 구조물을작은요소의집합으로가정 질량 & 강성행렬발생 Dimension 개념 Excitation sources 10 copyright J&F solution
유압공학의기본개념 Fluid -. 물의성질이쉽게변화는단점에서기름으로변화 -. 기술의발전으로기능성유체 ( 물,MR) 사용 Pressure & Flow rate -. Pascal s principle (1653, France) -. Equation of Continuity it : Mass conservation -. Bernoulli s theorem (1738, Swiss) 비압축성, 비점성유동에대한 Euler 의에너지방정식 Principia(1687) -. 뉴턴역학, 미적분 (1665-1666) Pascal principle (1650 년대 ) Bernoulli s theorem (1750년대) Energy conservation 산업혁명 (1850년) ( 급격한기술의발전 ) Modeling -. 운동방정식 ( 유동력고려 ) -. 연속방정식 -. 유량방정식 -. Pipeline 고려유무 F 0 dp dt V Q C q A x Q 오일의사용 1906년 (Hydraulic system) 항공, 우주분야2차대전 2 P 자동차, 중공업등모든산업분야 11 copyright J&F solution 1-D Modeling 자연계에서일어나는물리적인현상 ( 작동메커니즘, 시험조건 ) 을 S/W로표현하는것.
SimulationX : Multi Domain S/W 현황 SimulationX ( 독 ):PowertrainNVH NVH, 유압 AMESim ( 프 ) : 유압 Flowmaster ( 영 ) : 공조 HyPneu ( 미 ) Easy5 ( 미 ) DSHplus ( 독 ) 12 copyright J&F solution
Multi Domain 해석사례 : Common Rail System Solenoid : Maxwell 2D 전기 + 전자 + 제어 Electric + Mechanical Electro mechanical 유체+ 기계 Force vs. Displacement @Current 13 copyright J&F solution
Multi Domain 해석사례 : Hybrid system modeling 운전자모델, 동력원모델, 배터리모델, 차량모델, 제동장치, 노면모델 동력원모델은 ICE(Internal Combustion Engine) 와 Generator, Traction motor( 구동모터 ) 등다양하게구성 Series hybrid Powertrain 전기모터에대한 Detail modeling Parallel hybrid Powertrain Power-split hybrid Powertrain 14 copyright J&F solution
해석모델개발의목적및필요성 시간및개발비용절감 -. 전문가를통한빠른 Solution 확보및내부인원역량 Up 신제품개발대응 -. 시스템이해, 모델재사용가능 -. 개발기간단축, 새로운 Idea 도출 -. 문제점예측, 대응 -. 마이너설계변경에대한대응용이 -. 설계변수민감도분석, Database 시험 -. 시험전에시스템거동예측이가능 -. 문제발생시원인유추, 해결능력 -. Test procedure, 판정기준에대한 Spec. define Visibility -. 모든부분에대한거동확인가능, 시스템이해에도움 전문가양성 -. 해석모델, Database 구축된경우, 인원변경에대한부담이적음 -. 신입사원, 초보자를빠른시간내에 Level up 가능 신뢰성있는해석모델 -. 개발기간단축, 최적설계, 원가절감, 문제점대응, 품질관리 BOLT 유압회로및시스템개발 Component 개발 SPRING WASHER BOLT Power Steering Oil Pump ASS'Y PULLEY NUT SUCTION PIPE OIL SEAL O-RING DRIVE SHAFT SPRING F/C PLUG ORIFICE PULLEY 리테이너 LOCK PIN BUSH SNAP-RING SPRING R/V SPOOL C/V BALL BEARING O-RING CASING SIDE PLATE NEEDLE ROTOR CAMRING CON'R WASHER SEAL OIL PLUG O RIFICE DRIVE SHAFT ASSY REAR COVER 15 copyright J&F solution
해석모델확보시기대효과 : 시간, 비용절감 해석모델개발시효과 1. Component 및시 System 기능분석을통한 Component 및 System 해석모델확보 2. 모델링을통한개선설계및설계민감도해석가능 3. Component, Full circuit 모델은다양한 Test scenario 조건에서의문제점분석및기능분석에활용가능 -. 향후 Field 시험에서의문제점분석에활용 -. 회로개선설계및사양변경등에대한회로분석에활용 기대효과 1. 제작이전단계에서설계사양의타당성및문제점예측 -. 이상징후발견및설계사양변경용이, Reference 설계사양도출에활용 2. 문제발생요인에대한원인및설계변수영향도사전예측 -. 각 Check point 에서의압력저감및진동발생원인유추, 다양한설계변수에대한결과예측 3. 문제해결방안및개선점에대한체계적접근 -. 문제발생시 Tuning test 횟수감소로인한시간및경비절감 -. Designspec. spec. 또는각단품의설계변수의영향도에대해정량적판단기준제시 파급효과 1. 향후유압시스템 Design tool 로활용가능 2. 1-D 동력학해석 Basic tool 로활용가능 16 copyright J&F solution
유압회로기능분석및모델링방향 해석모델개발 Process 해석모델개발방향을정함 17 copyright J&F solution
해석모델개발 Process : 물리적개념및평가기준이해 단품, 시스템기능분석, 평가방법 시스템해석모델개발 해석목적 Define 기능분석 / 평가방법 2 단품해석모델개발 단품해석모델검증 2 시스템분석 시스템해석모델개발 1 단품해석모델개발 3 Sensitivity analysis & 검증 시스템해석모델검증 해석결과검증및보완 최적화설계 18 copyright J&F solution
해석모델개발절차 : 개발자위치 (Valve modeling) System Level 개발자 Component Level 개발자 Spec. base modeling Design base modeling Catalog base modeling 시험 Data base modeling Design base modeling BMT base modeling Correlation Validation 19 copyright J&F solution 모델링정의 -. Spec base modeling 유압시스템설계 -. 도면 Base modeling 유압부품설계 Model 결과비교 -. Override 특성 비례제어밸브 Tuning -. Cycle time 유압시스템및부품설계 -. 시행착오 (Trial & Error) -. 에너지절감형회로설계 -. 압력 ( 관로 ) 손실 -. 유압부품선정 최적화설계 NVH 대응 -. Noise, Vibration
S/W 필요성 : 유압시스템의전자화 Physical Situation CONTROL 유압시스템전자화및복잡화 시행착오 (Trial & Error), 튜닝의한계 수출및대외기술력인증 을위해해석기술은필요함 SENSOR Temp. Velocity Pressure Acceleration ECU (Electronic Control Unit) Algorithm ACTUATOR Cylinder Motor Solenoid Action Performance Comport SAFETY NVH Security 20 copyright J&F solution
S/W 필요성 : Pilot type pressure Control Valve Equation 운동방정식연속방정식 Orifice 방정식 Equation 을프로그램하기위해전문가도많은시간이필요 -. C++. A4 40page 개도면적방정식 21 copyright J&F solution
S/W 필요성 : Pilot type pressure Control Valve 개발 Design parameter 설계변수조합에의해초기압력, Overshoot 가적고응답성이좋은밸브를 Design 하는것이목적 2 nd 최적조건해석결과 1 st 최적조건해석결과 3 rd 최적조건해석결과 22 copyright J&F solution
1-D ( 일차원 ) 모델링에필요한 Design parameter Design parameter for 1-D modeling 1-D modeling은기본적으로운동방정식, 연속방정식, 오리피스방정식의해를구하기위해모델링에필요한 Design parameter는 1. 운동방정식에관련된물리량 : Mass, 수압면적 (Diameter), 스프링탄성계수, 초기압축량 2. 연속방정식에관련된물리량 : Control volume, 작동유특성, 소요액량시험데이터 3. 오리피스방정식에관련된물리량 : Orifice, Poppet, Ball등의개도면적조건 4. 기타솔레노이드전류, 힘특성및모터의전류, 회전수, 토크특성 F 0 dp dt V Q C q A x Q 2 P CAD file 형태로조립도제공되면모델링가능단, 도면에표시되지않는 Mass 질량, Spring 탄성계수, 솔레노이드, 전기모터등의사양은필요 23 copyright J&F solution
Interface or Co-simulation 사례 SimulationX BMT(Benchmarking) 사례 24 copyright J&F solution
동역학유압연계해석 제시된미니로더주행프로파일 동일조건의해석주행프로파일 미니로더해석적용사양 (Bobcat S70) 구분항목단위값 성능 운전중량 ( 운전자중량 70kg 포함 ) Kg 1268 주행속도 Km/h 9.8 구동방식 4 륜 엔진 Max. Power kw/rpm 17.5/3000 (Kubota) Max. Torque kgfm/rpm 6.28/2200 등판해석결과 등판각도 휠토크 [kgfm] 수직하중 [kgfm] 전륜후륜전륜후륜 20 도 11.9 35.1 129 418.8 30 도 9.6 59 58 447 45 도전복전복전복전복 20 도등판 45 도등판 25 copyright J&F solution
동역학해석 : 주행및등판성능 Boom cylinder 부하조건 Bucket cylinder 부하조건 동역학해석결과 동역학해석결과 Boom & Bucket cylinder stroke Boom cylinder A, B port Pressure & Flowrate Bucket cylinder A, B port Pressure & Flowrate 해석조건 : 100kg 부하 -. Boom 자중 : 110kg Boom 실린더수직하중 : 212kg -. Bucket 자중 : 69Kg Bucket 실린더 : 210kg 26 copyright J&F solution
유압부품최적설계방안 Component base 를지원하는다양한 Library 제공 최적화기법을통해압력맥동이저감된밸브설계에활용 Triangular notch Notch Design Optimization Half-circular notch 27 copyright J&F solution
동역학구조연동해석결과 구조물및유압시스템설계기준도출 유압실린더축 -175 작동 -630-700 정지 작동 -1664-1768 1507 1044 612 작동 515 정지 241 작동 28 copyright J&F solution
유압유동연계해석 유압시스템해석결과를이용하여 CFD Boundary condition 설정 해석결과의신뢰성확보 Contour of nodal displacement in outer tube Contour of velocity for two ports Contour of velocity in sections 29 copyright J&F solution
최적화 + 유압해석 : 최적화수행결과 유압시스템의 PID 제어게인최적화 LB INIT OPT UB Stroke PID Parameters Kp of Boom Cylinder 0.00 50.00 120.00 200.00 PID Parameters Kd of Boom Cylinder 0.00 5.00 45.00 50.00 Design PID Parameters Ki of Boom Cylinder 0.00 0.00 9.25 50.00 Variable PID Parameters Kp of Bucket Cylinder 0.00 150.00 200.00 200.00 PID Parameters Kd of Bucket Cylinder 0.00 5.00 30.00 50.00 PID Parameters Ki of Bucket Cylinder 0.00 0.00 23.10 50.00 Objective Max. Error of Boom Cylinder PID 7.1.E-03 1.7.E-03 76% Decrease Function Max. Error of Bucket Cylinder PID 3.1.E-03 1.8.E-03 44% Decrease Error of Boom Cylinder PID 0.02 Initial 0.015 0.01 Initial 0.005 0 Initial 3 x 10-3 2 1 0 Error of Bucket Cylinder PID -0.005-1 -0.01-0.015-0.02 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x 10 5-2 -3 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x 10 5 Pressure 0.02 Optimal Optimal 0.015최대 Error 76% 감소 2 최대 Error 44% 감소 0.01 3 x 10-3 0.005 1 0 0-0.005-0.01-1 -0.015-2 -0.02 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x 10 5-3 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x 10 5 30 copyright J&F solution
Consulting 사례 엔지니어의시간과자유를제공 고객의시간과비용을절감 31 copyright J&F solution
터빈제어용서보액추에이터시스템 Modeling 원자력 / 화력발전소에서사용중인터빈출력제어장치는유압서보액추에이터로구동하는특수스팀밸브로서터빈의속도제어, 스팀을차단하는기능 Servo actuator Dump valve Servo valve Solenoid valve(dcv) Shut off valve ETS : 110bar 32 copyright J&F solution FAS : 110bar
터빈제어용서보액추에이터시스템 Modeling 해석결과 Cylinder cushion 기능 배압 0bar 조건 Green : Cushion 有 Blue : Cushion 無 Cushion 없는경우불안정함 배압 2.5 bar 조건 Green : Cushion 有 Blue : Cushion 無 서보액추에이터 Return 문제발생 33 copyright J&F solution
Double nozzle flapper system servo valve modeling : Multi domain 210bar Nozzle flapper 34 copyright J&F solution 1kg
HPS(Hydraulic Power Steering) Rig Test 모델비교 Rig 모델 SimulationX model 35 copyright J&F solution
Model 개발결과검증 : Torque vs. Pressure 해석검증 검증방법 -. Valve 의가공치수별로양산 Line 에서 적용중인범위의 Min/Max 를포함하는 Sample 제작 -. Flow area 를결정하는모든치수에대해 정밀측정하여해석의정확도확보 검증결과 Simulation 결과가시험 Data 와잘일치함. No. # 1 Basic Gap Slot Flat Width Length Angle Width Length 0.0 #2 0.1386 3.896 25 2.5 4.704 # 3 5.0 # 4 0.0 # 5 2.5 4.604 0.1636 3.946 22.8 21.525 # 6 5.0 # 7 4.5 4.54 # 8 0.0 (Max error : 3.8%, 평균 Error 2.5% 이내 ) # 9 0.1891 3.997 2.5 4.504 # 10 5.0 압력 (bar) Sample #1 Sample # 2 Sample # 3 Sample # 4 Sample # 5 Sample # 6 Sample # 7 Sample # 8 Sample # 9 Sample # 10 시험해석오차시험해석오차시험해석오차시험해석오차시험해석오차시험해석오차시험해석오차시험해석오차시험해석오차시험해석오차 6.9 2.98 2.91 0.07 2.78 2.81-0.03 2.42 2.47-0.05 2.68 2.58 0.1 2.41 2.41 0 2.02 2.07-0.05 1.94 1.92 0.02 2.31 2.23 0.08 2.11 2.07 0.04 1.77 1.67 0.1 70 3.68 3.54 0.14 3.62 3.52 0.1 3.59 3.51 0.08 3.28 3.21 0.07 3.24 3.17 0.07 3.18 3.14 0.04 3.03 2.95 0.08 2.96 2.88 0.08 2.91 2.86 0.05 2.85 2.76 0.09 시험 - 해석간오차 Max. : 0.14Nm @ No.1, 평균오차 : 0.05Nm @ 6.9bar, 0.08Nm @ 70bar 36 copyright J&F solution
EPS(Electric Power Steering) System 해석모델 : Complete model C-EPS System configuration 1. Design parameter 검토 -. Component, System level 2. Noise On/Off 가능 3. Control Logic 평가 -. Assist/Return ability 등 4. 다양한해석조건수행 -. Function/Performance test -. Wheel input/fixed -. Tie rod free/fixed -. Fi Friction i test Map Damper & Isolator Coupling T/B & Stopper SIL model Vehicle model (vedyna) Sensor (kph, SWT, SWA, SWS) Control logic (Simulink) G/B Gearbox force EPS model (SimulationX) Torque commend Boot 37 copyright J&F solution Knuckle
Caliper Brake 응답성및 NVH 특성해석 : RecurDyn + SimulationX Housing Design, Pad spec. Force transfer of Housing and Pad Force transfer of Piston and Pad Calculation l of APT 38 copyright J&F solution
Summary : 1-D Engineering S/W study 방법 S/W 에서제공하는 Demo model 을분석할것. -. Manual 의예제모델을통하여 Library 이해및 S/W 명령어의활용도를높일것. -. Application demo model 을분석할것. 물리적인개념을통한작동메커니즘을항상생각할것. 모델링방법 -. 가장먼저모델링목적을정할것. -. Level 설정 (System, Component) -. 설계전단계, 설계검증단계, 시험단계, 샘플분석단계 -. 논리적이 Mechanism 을이해할것. -. 단순한모델에서점점더복잡한모델로접근 Component base Sub ass y base Complete model base 에서검증할것. -. 시험결과가있는경우비교검증할것. 모델링과정에서이해안되는부분은 Help 및 Manual을활용할것. 이론적인 Back ground도이해할것. 자연계에서일어나는물리적인현상 ( 작동메커니즘, 시험조건 ) 을 S/W 로그대로표현하면됨 39 copyright J&F solution
Discussion : Improve our Efficiency Today Discussion Any Component? Any System? 감사합니다. 언제든지연락주시기바랍니다. Objective 40 copyright J&F solution 제이앤에프솔루션윤영환 (010-4709-9939, 02-6207-9939) jnfsolution@gmail.com