Traditionally, analytical surface models have used assumptions and simplifications due to the complexity of the surface geometry. Numerical simulations have been utilized for surface analysis as computational capabilities increased. However, the assumptions and simplifications used in the analytical models still have been applied to the numerical models. M. K. Thompson developed new methods to create real measured surfaces directly in finite element program and analyzed real surface phenomena. The results of the simulations showed higher accuracy than those of idealized surface geometry, but there was some doubt about reliability. As an extension of that work, this thesis examines the effect of mesh density and surface smoothing for real measured surfaces in contact using finite element models. For the simulations, static and steady state contact between a rigid flat and a deformable real rough surface is defined. Linear elastic and bilinear elastic-plastic properties are applied as material properties. The representative results are recorded and compared to each other according to mesh refinement and asperity shape. Real area of contact, average contact pressure, and contact gap parameters are valid for this analysis and hardly affected by mesh density and surface smoothing. Maximum contact pressure and maximum equivalent stress are not reliable parameters due to hyper-sensitivity to mesh refinement. This work provides validity of the previous real surface simulation work and suggests appropriate mesh density and asperity shape for contact analysis of real surfaces.
실측된 표면 데이터를 이용한 표면 현상의 유한 요소 해석은 널리 사용되는 해석 법은 아니다. 그러나 최근 몇몇 연구에서 실측된 표면을 유한 요소 모델로 구현하는 데 성공하였다. M. K. Thompson은 실측된 표면을 유한 요소 모델로 구현하는 기법을 개발하였고, 시뮬레이션을 통해 표면의 열전도 저항에 대한 정확한 예측을 보여주었다. 그러나 M. K. Thompson의 연구는 신뢰성과 유효성에 대한 문제점을 충분히 해결하지 못했다. 본 연구는 이 연구의 연장선상에 있는 것으로서 유한 요소 밀도와 표면의 곡면화에 대한 영향을 조사한다.
우선, 유한 요소 해석을 위해 실측된 표면 데이터 값으로부터 표면을 유한 요소 프로그램 (ANSYS) 상에 생성시키고, 그와 접촉할 변형이 일어나지 않는 강건한 평면을 생성된 실제 표면 위에 생성 시킨다. 그 두 표면은 서로 정적이고 이상적으로 접촉한다. 재료의 특성은 완전 탄소성 및 이선형 비탄성 모델을 사용하였다. 각 해석은 유한 요소 밀도와 표면 굴곡의 형상에 따라 대표적인 결과 값들을 비교하며 이루어 졌다. 실제 접촉 면적, 평균 접촉 응력, 그리고 접촉 면사이의 간격은 이 해석에 적합한 결과 요소였으며, 이 결과 값들은 유한 요소 밀도와 표면 굴곡의 형상에 거의 영향을 받지 않았다. 즉, 요소 밀도의 조밀화와 표면의 곡면화는 그 해석에 들어간 시간에 따른 비용에 비해 결과 값에 대한 이득이 거의 없었다.
반면에, 최대 접촉 응력과 최대 상당 응력 (equivalent stress)은 유한 요소 밀도에 따라 매우 민감도가 컸으며, 그 결과 값들의 편차가 심해 하나의 신뢰성 있는 결과 값으로 부적당했다. 표면 굴곡 형상을 뾰족한 형태에서 둥근 곡면 형태로 변형시킨 결과, 응력 값에서 유한 요소 밀도에 따른 민감도가 약간 줄어드는 효과가 있었으나 크지는 않았다.
본 연구를 통해 실측된 표면 데이터를 이용한 유한 요소 모델링 시, 요구되는 최소의 유한 요소 밀도를 제시하고 표면 굴곡의 곡면화에 대한 영향을 보여주었다. 그리고 이전의 실측된 표면 시뮬레이션 연구에 대한 유효성을 증명해 보였다.
