Meshing for FEA / CFD

3D 시각화 및 분석 소프트웨어를 위한 FEA/CFD용 메싱을 사용하여 수치 시뮬레이션을 활용

CAE(Computer Aided Engineering)는 자동차, 항공 우주 및 생체 역학과 같은 여러 분야에서 활용되고 있음

  • 비용이 많이 드는 실험은 수치 시뮬레이션으로 대체되어 제품 출시 기간을 단축하고 비용을 절감할 수 있게 되었음.
  • 또한, 시뮬레이션은 다양한 연구 주제에 대한 이해를 높이는데 도움됨.
  • CAE 분야에는 유한 요소 해석(FEA)을 이용한 응력(Stress) 해석이나 전산 유체 역학(CFD)을 이용한 열(Thermal) 및 유체 유동(Fluid flow) 해석이 포함됨
    • 이러한 분석은 MicroCT와 같은 이미징 기술과 결합되어 특성을 더 잘 이해하고 예측하며, 유한 요소 모델(시뮬레이션 입력)의 형상 생성을 지원함.

Amira-Avizo 소프트웨어는 3D 레이블이 지정된 이미지로부터 시뮬레이션 입력을 자동으로 생성하는 빠르고 강력한 메시 엔진을 제공함

  • Amira와 Avizo 소프트웨어는 대규모 다중 재료(Multi-material) 분할 이미지로부터 매끄럽고 균일한 인터페이스를 갖춘 고품질 메시를 생성함.
  • Amira와 Avizo 소프트웨어는 얇은(Thin) 구조와 위상을 그대로 유지하면서 크기 요소(Element) 분포를 정밀하게 제어할 수 있음.
  • 메시는 경계 조건과 함께 주요 솔버 형식으로 내보낼 수 있음.
  • Amira와 Avizo 소프트웨어는 또한 고급 시각화 도구를 사용하여 결과를 후처리하기 위해 솔버 출력을 가져올 수 있는 기능을 제공 함.

Amira-Avizo Software의 XWind 확장 기능은 고급 시뮬레이션(FEA/CFD)을 위한 전용 메싱 기능을 제공

  • 레이블이 지정된(분할 된) 이미지에서 직접 매끄럽게 조정된 인터페이스와 토폴로지 보존을 통해 고품질 메시를 생성함.
  • 전용의 사용하기 쉬운 메시 작업 공간(Workroom)을 통해 고급 3D 시각화 및 검사 도구를 사용하여 CFD에 대한 메시를 생성하고 경계 조건 정의할 수 있음.
  • 원하는 수의 재질로 모든 토폴로지(Topology)를 메시화.
  • 매우 큰 데이터 세트를 위한 빠르고 강력한 메시 엔진:
    • 예를 들어, 토폴로지에 따라 2000개 큐브 데이터 세트는 몇 시간 내에 메시화 할 수 있음.
  • 메시 품질의 글로벌 최적화를 통해 정제된(Refined) 영역과 거친(Coarser) 혼합하기 위한 요소(Element) 크기 분포에 대한 정밀한 제어.
  • 경계 층(Boundary layer)
    • 두께(Thickness) 내 고품질.
  • 주요 솔버 형식으로 내보내기(Export).
  • 실험을 시뮬레이션과 연결하기 위해 Amira-Avizo 소프트웨어의 XDigitalVolumeCorrelation 확장으로 계산된 DVC 변위를 메시 경계에서 내보냄.

골다공증 (Osteoporosis) 연구에서 골 밀도 (Bone strength) 분석

유한 요소 시뮬레이션을 통해 뼈의 강도를 평가하는 것은 골다공증 진행과정에서 메커니즘과 예측을 더 잘 이해하기위한 잘 정립된 방법

  • 고해상도 수준에서 구조적 뼈 데이터를 수집하기위한 이미지 획득 기술이 발전함에 따라, 후 처리 및 3D 기하학적 재구성 워크 플로우에 대한 요구가 점점 높아지고 있음.

Amira-Avizo 소프트웨어와 함께 제공되는 분할 도구를 사용하면, 대뇌 피질(Cortical)과 골소골(Trabecular bone)을 자동으로 분리 할 수 있는 워크 플로우를 설계할 수 있음

  • 이 분리된 조직(Tissue) 유형은 다른 크기의 유한 요소로 메시 처리하여 섬유 뼈(Trabecular bone)를 통해 미세 인장(Tension) 및 압축 선(Compression lines)을 시뮬레이션 하는 동시에 대뇌 피질 뼈의 거친 장력(Coarser tensions)을 시뮬레이션 하여 가장 유연하고 성능이 뛰어난 이미지-시뮬레이션 워크 플로우를 완성하였음.

Courtesy of National Laboratory Animal Center, National Applied Research Laboratories, Taiwan

교정용 코 수술(Rhino surgery) 연구에서 상부기도(Upper airway) 흐름 분석

지속적 기도 방해 또는 기형으로 인해 방해 받지 않는 공기 흐름이 억제되는 경우, 교정 수술을 계획하려면 상부기도를 통한 공기 통과를 이해하는 것이 중요

  • 필요한 교정 조치의 범위를 더 잘 이해하기 위해, 상부기도를 통한 공기 흐름을 개별적으로 분석해야 함:
    • 이를 위해 이 연구에서는 해부학적 이미지를 사용하여, 상부기도의 기하학적 3D 재구성을 수행.

Amira-Avizo 소프트웨어의 새로운 메시화 기능은 타사 전산 유체 역학 소프트웨어에서 사용할 수 있는 고품질의 볼륨 메시를 생성

  • 이 새로운 기능이 제공하는 우수한 품질 관리를 통해 연구자는 중요한 곳에서 메시 품질을 향상시키고 관련성이 없는 영역에서는 거친 메시를 통해 효율적인 시뮬레이션을 보장할 수 있음:
    • 이 모든 것이 전례 없는 성능과 통합.
  • 시뮬레이션 된 CFD 데이터를 후 처리 및 시각화를 위해 Amira-Avizo 소프트웨어로 가져오기 제공.

연구논문 참조

곤충 및 미생물 손상을 피하기 위한 옥수수 커널 건조 프로세스 제어

옥수수 커널은 경질과 연질의 배젖 및 배아 성분을 함유하면서 바깥 쪽의 과피 층으로 구성된 복잡한 구조로 구성

  • 옥수수 커널은 건조 기준으로 약 30% 수분 함량으로 수확되고, 가열된 공기를 사용하여 약 12 % 수분 함량으로 건조
    • 건조는 수분의 활성을 낮추어 저장 수명을 연장 하는데 도움.
    • 건조가 제대로 제어되지 않으면, 커널은 응력 균열을 일으켜 곤충과 미생물에 손상되기 쉬움.

Amira-Avizo 소프트웨어의 고급 분할 도구 및 메시 기능을 통해 FEA 솔버와 협업이 가능

  • 실제 옥수수 커널 형상을 시뮬레이션 하여 건조 공정을 연구하고 제어할 수 있도록 도와 줌.
  • Courtesy of Pawan S Takhar, University of Illinois at Urbana-Champaign
Amira30

콘크리트 또는 모르타르 특성을 이해하기 위한 시멘트 페이스트 특성화

시멘트 분말은 일반적으로 약 15-20 μm의 평균 직경을 갖는, 1 μm 미만 내지 약 100 μm의 크기를 갖는 다중 크기, 다상(Multi-phase), 불규칙 형상의 입자로 구성

  • 시멘트 페이스트(Paste)를 특성화 하는 것은 콘크리트 또는 모르타르의 특성을 이해하는데 중요.

Avizo 소프트웨어는 기공 공간(Pore space)을 포함한 다른 위상(Phases)의 고급 분할을 통해 시멘트 수화(Hydration) 공정을 시뮬레이션

  • 예를 들어, 굴곡(Tortuosity) 및 투과율(Permeability)을 특징 짓는 기공 공간(Pore space)을 정량화하고, 추가적인 FEA 시뮬레이션에 적합한 3D 메시를 생성할 수 있음.
  • Data courtesy of Visible Cement Dataset. Data courtesy of Shimadzu Corporation (InspeXio SMX-225CT FPD HR), Data courtesy of Zellwerk Gmbh

니켈 폼 격자(Lattice) 분석

효율적인 집전 장치(Current collector)를 위해서는 높은 전도성, 화학적 안정성 및 기계적 강도가 중요한 특성

  • 니켈 폼은 전형적으로 공극 공간(Void spaces)으로 구성된 부피의 75-95 %를 갖는 고 다공성, 저 밀도, 투과성 재질
    • 열 교환기, 에너지 흡수, 충전 식 배터리 응용 분야의 다양한 응용 분양에 사용되며, 슈퍼 커패시터 연구에도 적용.

Avizo 소프트웨어는 재료 특성화를 위한 가상 랩을 제공

  • 빠르고 강력한 메시 기능을 통해 FEA 분석을 위한 시뮬레이션 솔버 와의 협업할 수 있음.
  • 다공성 네트워크(Porous networks)는 기공 네트워크 모델링(PNM) 도구를 통해 다공성 네트워크(Porous networks)를 분석 할 수 있으며, 절대 투과율, 전기 저항률, 열전도도 및 분자 확산 등의 재료의 물리적 특성을 시뮬레이션 할 수 있음.
  • 또한, DVC 모듈을 사용하여 참조 및 변형(Deform)된 상태에서 획득한 볼륨 이미지의 변위(Displacement) 및 변형 맵(Strain maps)을 계산.