[CAE] 핀 커넥터의 기술적 설명

SOLIDWORKS Simulation에서 핀 커넥터(Pin Connector)의 구현 방식은 볼트 커넥터(Bolt Connector)의 구현 방식과 매우 유사합니다.

핀 커넥터의 구현 방식

▶ 핀 커넥터는 매우 강성이 높은 빔(Very Stiff Beam)으로 모델링됩니다.

▶ 핀의 각 끝은 원통형 면의 중심축(Axis)과 높이의 중간 지점(Halfway Across the Height)에 위치합니다.

▶ 각 끝단은 해당하는 원통형 면의 각 노드(Nodes)에 연결됩니다.

▶ 연결 방식은 핀 커넥터의 정의에서 선택한 연결 유형(Connection Type)에 따라 달라집니다.

연결 유형(Connection Type)

Rigid (강체 연결)

조인트(Joint)가 원통형 면의 각 노드에 완전히 강체(RBAR 요소)로 연결됩니다.

Distributed (분포 연결)

조인트(Joint)가 원통형 면의 각 노드에 분포된 결합 방정식(Distributed Coupling Equations)을 통해 연결됩니다.

분포 결합 방식에서는 연결된 원통형 면의 노드(결합 노드)가 빔 끝 노드(기준 노드)의 병진 및 회전 운동에 대해 평균적으로 제약됩니다.

보다 자세한 내용은 SOLIDWORKS 도움말의 "볼트의 분포 결합(Distributed Coupling for Bolts)" 항목을 참고하시기 바랍니다.

   

연결 유형 선택 기능은 SOLIDWORKS 2020 버전부터 정적 해석(Static Studies)에서만 제공되었습니다.

다음은 해당 내용을 요약한 표입니다:

핀 커넥터의 기존 PropertyManager

기존의 PropertyManager(속성 관리자)에서는 두 개의 선택 필드(Selection Fields)가 제공됩니다.

▶ 일반적으로 각 선택 필드에 하나의 원통형 면(Cylindrical Face)을 선택합니다.

▶ 경우에 따라, 원통형 면이 두 개의 반원통형 면(Semi-Cylindrical Faces)으로 분할된 경우, 하나의 선택 필드에 두 개의 반원통형 면을 선택할 수 있습니다.

▶ 하지만, 두 개 이상의 완전한 원통형 면을 동일한 선택 필드에 선택하면 안 됩니다.

2018년부터 개선된 PropertyManager

▶ 선형 정적(Linear Static), 고유 진동수(Frequency), 좌굴(Buckling), 선형 동적 해석(Linear Dynamic Studies)에서 사용 가능.

▶ 단일 핀 커넥터를 2~10개의 원통형 면에 적용 가능.

▶ 핀에 연결된 모든 동축(Coaxial) 원통형 면을 하나의 선택 필드에서 선택 가능.

▶ 선택 순서는 중요하지 않음.

2019년 버전 업데이트

비선형 해석(Nonlinear Studies)에서도 개선된 PropertyManager 사용 가능.

참고 사항:

다른 유형의 커넥터와 마찬가지로 핀 커넥터(Pin Connector)는 핀의 실제 몸체를 대체하는 역할을 합니다.

예를 들어, 볼트 커넥터(Bolt Connector)는 나사(Screw)와 너트(Nut)를 대체하며,

스프링 커넥터(Spring Connector)는 물리적인 스프링 모델링을 대체합니다.

마찬가지로 핀 커넥터도 핀 자체를 대체하도록 설계되었습니다.

하지만, 하우징의 오목한 원통형 면(Concave Cylindrical Face)과 핀 또는 샤프트의 작은 원통형 면을 연결하는 용도로 핀 커넥터를 사용하는 것은 권장되지 않습니다.

엄밀히 말해 사용이 불가능한 것은 아니지만, 의도된 용도가 아닙니다.

대부분의 사용자는 이 경우 결과의 유효성을 추가로 확인하는 것이 일반적입니다.

하우징의 오목한 원통형 면과 핀/샤프트의 작은 원통형 면 사이에 회전(Revolute) 접합을 정의해야 하는 경우, 핀 커넥터 대신 베어링 커넥터(Bearing Connector)를 사용하는 것이 적절합니다.

하중이 가해질 때 핀 커넥터의 거동:

1. 핀은 곧은 상태를 유지하며 휘어지지 않습니다.

▶ 물성(Material Properties) 및 인장 응력 면적(Tensile Stress Area)은 핀의 강성을 현실적으로 나타내는 데 사용되지 않습니다.

▶ 핀은 매우 강성이 크다고 가정하며, 축력(Axial Force), 전단력(Shear Force), 굽힘 모멘트(Bending Moment), 비틀림 모멘트(Torsional Moment)이 계산됩니다.

2. 연결 유형(Connection Type)에 따른 거동 차이

▶ Rigid(강체) 연결 방식: 각 면(Face)은 원래의 형상을 유지하지만 강체(Rigid Body)처럼 이동 가능합니다.

▶ Distributed(분산) 연결 방식: 면이 변형 가능(Deformable)합니다.

3. 모든 핀 커넥터를 정의하는 면(Face)은 항상 동축(Coaxial) 상태를 유지합니다.

With Retaining Ring 및 With Key 옵션의 구현 방식:

​▶ With Retaining Ring(고정 링 포함): 핀 조인트와 강체 바(Rigid Bars) 간의 병진(Translation) 자유도를 해제합니다.

▶ With Key(키 포함): 회전(Rotation) 자유도를 해제합니다.

축 방향 강성(Axial Stiffness) 또는 회전 강성(Rotational Stiffness)을 지정하는 경우:

▶  자유도(Degree of Freedom, DOF)는 정확히 해제되지 않으며, 내부 스프링(Internal Springs)으로 연결됩니다.

▶  자세한 내용은 온라인 도움말(Online Help)의 "Stiffnesses for Pin Connectors" 항목을 참고하십시오.

참고 사항:

▶ 사용자가 정의한 총 축 방향 및 회전 강성(Axial & Rotational Stiffness)은 각 핀 세그먼트의 기하학적 특성에 따라 분배됩니다.

▶ 예: 단면적(Cross-sectional Area), 길이(Length), 극관성모멘트(Polar Moment of Inertia) 등을 고려하여 강성이 자동으로 분배됩니다.

제한 사항

다음은 핀 커넥터(Pin Connector)의 주요 제한 사항입니다.

3개 이상의 홀을 연결하는 핀 커넥터

✅ SOLIDWORKS 2018 버전 이상에서는 선형 정적(linear static), 주파수(frequency), 좌굴(buckling), 선형 동적(linear dynamic) 해석에서

두 개 이상의 실린더형 면(cylindrical surfaces)을 하나의 핀 커넥터로 정의할 수 있습니다.

✅ SOLIDWORKS 2019 버전부터는 비선형 해석(nonlinear studies)에도 적용되었습니다.

✅ 개선된 사용자 인터페이스(UI)를 통해 단일 핀 커넥터를 최대 10개의 실린더형 면에 적용 가능합니다.

하나의 선택 박스에서 핀에 연결된 모든 동축(coaxial) 실린더형 면을 선택할 수 있으며, 선택 순서는 중요하지 않습니다.

예시: 위에서 설명한 두 개의 모델 각각에 대해 단일 핀 커넥터(Pin Connector)를 정의할 수 있습니다.

✅ 솔버(Solver)는 핀 커넥터를 다음과 같이 분할합니다:

▶ 핀 조인트(Pin Joints 또는 Joints):

선택된 각 실린더형 면(cylindrical face)의 기하학적 중심(geometrical center)에 배치됩니다.

▶ 세그먼트(Segments):

연속된 두 조인트(Joint)를 연결하는 요소입니다.

SOLIDWORKS 2017 버전까지의 핀 커넥터 제한 사항

✅ 2017 버전까지 핀 커넥터는 두 개의 별도 부품(Parts) 간의 두 실린더형 면(Cylindrical Faces) 사이에서만 정의할 수 있었습니다.

✅ 그러나 세 개 이상의 부품(Component) 간에 핀 커넥터를 정의하려면,

▶ 두 개 이상의 핀 커넥터를 정의해야 합니다.

▶ 중간 부품의 실린더형 면을 두 개로 분할(각각 초기 면 높이의 절반)하여,

▶  각 핀 커넥터 정의에서 개별 실린더형 면을 사용해야 합니다.

▶ 첫 번째 실린더형 면은 한 부품과,

▶ 두 번째 실린더형 면은 다른 부품과 연결합니다.

SOLIDWORKS 2020 버전 이후: 핀 커넥터 결과 및 안전율(FOS)

▶ 최신 핀 커넥터 내부 표현(Internal Representation) 관련 내용은 SOLIDWORKS 온라인 도움말에서 확인할 수 있습니다.

✅ 솔버(Solver)는 각 핀 조인트(Pin Joint)에서 핀 커넥터의 힘을 계산하며, 다음과 같은 값을 보고합니다:

▶ FA (Axial Force): 핀의 단면을 따라 작용하는 축 방향 힘

▶ FV (Shear Force): 핀의 단면을 가로지르는 전단력

▶ Mb (Bending Moment): 핀의 굽힘 모멘트

▶ T (Torque): 핀의 비틀림 모멘트

✅ 두 개의 세그먼트(Segment)에 공통된 핀 조인트(Pin Joint)의 경우, 솔버(Solver)는 공통 조인트의 왼쪽과 오른쪽 각각에 대한 폰 미제스 응력(von Mises stress)을 계산합니다.

✅ 소프트웨어는 두 측면의 폰 미제스 응력을 비교하여, 더 높은 폰 미제스 응력을 생성하는 측면의 핀 힘(Pin Force) 세트를 보고합니다.

, 

✅ R 값은 각 세그먼트의 첫 번째 조인트에 해당하는 실린더형 면의 반지름(Radius)을 의미합니다.

예를 들어, 세그먼트 2의 경우, 조인트 2(Joint 2)에 해당하는 실린더형 면의 반지름이 R 값으로 사용됩니다.

솔버는 결국 각 핀 조인트에서의 축력, 전단력, 굽힘 모멘트 및 비틀림 모멘트를 계산하게 됩니다. 

그런 다음, 이러한 값들을 기반으로, 솔버는 정의된 강도 데이터(재료 물성 및 인장 응력 면적)를 사용하여 안전율을 계산합니다. 

이에 대한 자세한 내용은 온라인 도움말의 "Pin/Bolt Safety Check" 항목에서 확인할 수 있습니다.