[RADIOSS] Example 공략 23편 – Brake
2018-06-07

목적


본 예제의 목적은 브레이크 시스템의 마찰 메커니즘을 RADIOSS를 통해서 구현하고 그 결과를 수식으로 계산한 결과와 비교하여 신뢰성을 평가하는것입니다.  모델은 2개의 패드 사이에 디스크가 존재하는 형태입니다. 예제를 진행하면서 확인 할 주요 포인트는 회전 속도를 부여하는 것과 디스크와 패드사이의 컨택 정의입니다.

 

 

ex_23_brake

 

 

 

 


1. 물리적 문제 정의


120rad/s의 각속도가 디스크의 중심 축에 적용되고 2개의 브레이크 패드와 이와 인접한 디스크 면에 마찰이 적용됩니다.

 

1.1 디스크 정보


  • - Radius = 100 mm
  • - Width = 50 mm
  • - Thicknes = 5 mm
  • - Mass = 1 kg
  • - Inertia = 0.57×10^-2 kg/m^2 (자유 회전축)

1.2 패드 정보


  • - Length = 65 mm
  • - Width = 28 mm
  • - Thickness = 5mm

일정한 압력 P = 300N이 브레이크 패드에 작용되어 패드와 디스크 간의 접촉을 유발합니다. 이때 쿨럼 마찰 계수 0.15이 적용됩니다.

 

단위 : m, s, kg

 

fig_23-1

 

디스크는 등방 탄소성 물성인 /MAT/LAW2 가 적용됩니다.

 

  • - Initial density: 7800 Kg/m3
  • Young modulus:  210000 MPa
  • Poisson ratio:  0.3
  • Yield stress:  206 MPa
  • Hardening parameter:  450 MPa
  • Hardening exponent:  0.5
  • Maximum stress:  340 MPa

브레이크 패드는 선형 탄성 물성이 적용됩니다.

 

  • Initial density:  7300 Kg/m3
  • Young modulus:  160000 MPa
  • Poisson ratio:  0.3




2. 해석, 가정 그리고 모델링 정의


2.1 모델링 방법


두개의 파트는 일반적인 Brick 요소들로 구성되어있으며 디스크는 720개 패드는 각각 80개의 요소로 구성되어 있습니다. 요소 계산 방식은 HEPH로 ISOLID 24를 사용합니다.

다음 2개의 단계는 모델 계산을 위해 필수적입니다. 먼저 초기 속도 0.03ms가 디스크에 적용되고 그 다음 두번째로 패드에 압력이 작용하는 과정입니다.

 

2.2 RADIOSS Option Used


– 강체 (RBODY) :


  • - 두개의 RBODY가 디스크에 적용되었으며 먼저 RBODY1 부분은 홀 부분의 절점을 제외한 디스크의 전체 절점을 포함하고 있습니다.

  • - 두 번째로 RBODY2는 제외된 홀 부분에 대한 절점을 포함하고 있습니다. 본 모델에서는 두 개의 엔진 파일이 존재하는 맨 처음 과정에서는 두 RBODY 모두 활성화 되지만, 2번째 스텝에서는 RBODY1이 작동되지 않도록 설정되었습니다.

양쪽 패드 면에 RBODY가 생성되었고 이 부분에 집중 하중에 적용됩니다.

 

fig_23-2

fig_23-3

 

– 경계 조건 :


  • - 디스크의 RBODY부분에 Y축 회전 방향을 제외한 모든 자유도가 구속되었습니다.
  • - 패드의 RBODY부분에는 Y축 병진 방향을 제외한 모든 자유도가 구속되었습니다.

– 하중 :


  • 두개의 집중하중이 서로 반대하는 방향으로 적용되었으며 이는 브레이크 패드에 생성된 RBODY의 마스터 절점에 적용됩니다.

– 초기 속도 :


  • 초기 각속도 오메가는 = 120rad/s 이며 이는 디스크의 마스터 절점에 적용되고 해석 첫번째 스텝에서만 적용됩니다. (0001.rad)



3. 시뮬레이션 결과 및 결론


3.1 디스크의 각속도 계산


  • - 패드와 디스크 사이에 발생하는 수직방향의 접촉하중은 FN = 600N입니다. 이에 디스크의 면에서 발생하는 마찰력은 FT 0.15 x FN = 90N입니다.

  • - 디스크의 축방향을 따라서 발생하는 토크는 r이 0.0789m 일 때 T = r * FT = 7.1Nm입니다. (하중이 적용되는 디스크의 중심과 패드의 점 사이의 거리에 대하여 회전 축에 직교 투영되는 부분)

  • - 이를 종합하면 각가속도 a = T/Ir = 1246 rad/s^2라는 결론이 나오게 됩니다.

fig_23-4

 

 

 

3.2 디스크의 회전 (Rotation of the Disk)


아래 그림은 디스크의 전체 회전을 나타내고 있으며 디스크가 멈추기 전에 5.65 rad 만큼 회전합니다.

 

fig_23-5

 

 

 

3.3 반력 (Reaction Force)


반력은 90N 정도이며 이는 계산된 값과 유사합니다.

 

fig_23-6

 

 

 

3.4 에너지 (Energy)


토탈 에너지는 해석이 수행되는 동안 일정하게 유지됩니다. 브레이킹 후에 운동에너지는 점차 감소하게 됩니다. 또한 HEPH 요소 계산 방법을 사용했기 때문에 Hourglass energy가 발생하지 않습니다.

 

fig_23-7

 

 

 

3.5 접촉 하중 (Contact Force)


다음 그림은 디스크의 접촉 면에서 발생하는 컨택 포스 결과입니다.

 

fig_23-8

 

 

 

 

 

4. 결론 및 애니메이션


Brake_2

 

결과의 정확성을 확인하기 위해서 수식으로 계산한 값과 해석 결과를 비교해봤으며, 브레이킹 시스템과 같은 마찰력에 대해 RADIOSS에서 괜찮은 결과를 보여주는 것을 알 수 있었습니다.​