볼트 모델링 기법 및 체결/풀림 해석 프로세스

볼트는 부품 간 체결을 위해 가장 많이 쓰이는 기구 요소이다. 이번 호에서는 볼트의 체결 메커니즘과 최적 설계 기반의 볼트 모델링 방법론을 소개한다. 또한 아바쿠스(Abaqus)의 볼트 스튜디오 플러그인 및 가상 나사선을 이용해 아바쿠스에서 볼트의 체결/풀림 해석을 수행하는 방법에 대해 살펴본다.

■ 김정욱 | 다쏘시스템코리아의 부장으로, 시뮬리아CSE(Center of SIMULIA Excellence) 팀의 솔루션 컨설턴트이다. 연세대학교 기계공학과 학사 및 카이스트 기계공학과 석사를 졸업하고 삼성전자 생산기술연구소에서 엔지니어로 근무했다. 관심 분야는 구조 해석, 최적화, 다물체 동 역학이다.
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볼트는 가장 기본적이면서 가장 많이 사용되는 체결을 위한 기구 요소품이다. 볼트의 사전적 정의는 나사산을 이용하여 너트와 조립되는 결합 혹은 잠금 장치이다. 만약, 너트를 사용하지 않고, 대상체에 직접 암 나사산(혹은 탭)을 이용하여 체결한다면 이는 엄밀하게는 볼트가 아니고 나사(Screw)라고 정의할 수 있다. 하지만, 일반적으로는 볼트와 나사가 엄격히 구분되지는 않고 혼용되어 쓰이고 있다.

그림 1. 볼트와 나사   

볼트와 너트는 부품 단가가 매우 저렴하며, 볼트를 위한 카운터 보어 등의 가공도 매우 쉽다. 3D 캐드를 이용한 설계에도 볼트와 너트를 사용한 설계가 용이하고, 제작 현장에서도 자동화가 용이하여 편리하게 사용할 수 있는 체결 요소품이다.

볼트를 설계에 적용하고자 할 경우에는 앞서 설명한 바와 같이 작업물에 탭을 가공하거나 혹은 너트를 사용하여 사용할 수 있으며, 쉽게 체결하고 풀 수 있어 조립은 물론 유지 보수도 쉬운 등 사용상 많은 장점이 있다. 설계와 가공, 제작에 있어서 볼트는 많은 장점을 가지고 있는 반면, 해석 측면에서 볼트는 상대적으로 다루기 까다로운 대상이다. 볼트는 해석의 주 대상이 아니면서 사이즈가 작아 단순화하여 모델링을 하여도 많은 유한 요소가 필요하다.

일반적으로는 하나의 제품에 많은 수의 볼트가 사용되기 때문에 해석 모델을 만들 때도 많은 공수가 필요하다. 또한, 조립품의 경우 볼트나 용접, 접합 등의 모델링 방법에 따른 해석 방법이 해석 결과에 크게 미치는데 비해, 체결 방법에 대한 모델의 노력은 상대적으로 덜하거나 혹은 적절하게 모델링 하지 못하는 경우도 많다. 하지만, 더 나은 해석 결과를 얻기 위하여 적절한 체결에 대한 관심이 지속적으로 높아지고 있으며, 최근에는 해석 기술과 계산 성능의 발달로 체결이나 볼트 풀림과 같은 볼트 자체의 메커니즘에도 관심을 가지게 되기도 하였다.

이번 호에서는 다양하게 볼트를 모델링하는 방법에 대하여 전반적으로 살펴보고 각 방법에 대한 장점과 단점을 살펴 볼 것이다. 또한, 사용자의 편의를 위하여 아바쿠스(Abaqus)에서 축력 볼트를 쉽게 모델링하는 방법과 아바쿠스만의 가상 나사산을 사용하여 실제 나사산 없이도 체결과 풀림을 해석할 수 있는 방법에 대해서도 알아 볼 것이다.