Analysis Ansys Workbench를이용한해석성공사례 Dynamic Module을이용한비선형충격해석 Ansys Workbench는설계자들이쉽게적용할수있는난이도가낮은해석부터이번호에서소개하는해석사례와같이고난이도의시간을고려한비선형충격을수행할수있다. 이번호에서는볼의충격해석성공사례에대해소개하고자한다. 반도체, 자동차, 중공업, 철도, 항공산업등에서낙하충격문제로인하여큰변형이나파손이빈번히발생하여구조물의강도설계는거의필수적이다. 정적인문제와는달리동적인문제는관성력에의한영향이매우크기때문에정적인설계에서문제가없다고판단되더라도실제동적인문제로바뀌게되면설계가잘못된경우가대부분이다. ANSYS Workbench를통하여이러한어려운문제의동적설계를쉽게적용하고해석을수행해보도록한다. Dynamics 분야에관한소개 ANSYS Workbench 버전 11.0에서주목할만한것은기존의버전에서사용자들이아쉬워했던동적해석분야의실제시간을고려한 transient 해석을수행할수있도록보강한부분이다. 또한강체및유연체동역학솔버를도입하였고, 불규칙진동해석 (PSD) 전용 GUI 메뉴를도입하였다. 아울러사용자편리성을강조하며해석분야를선택하면그에따른전용메뉴로자동으로변경되는기능을추가하였다. 본예제를통하여 ANSYS Workbench에서새로이추가된메뉴와비선형, 동적충격해석문제를쉽게적용하여본다. 이강수 ANSYS 한국총판인태성에스엔이의과장으로, ANSYS 기술지원및컨설팅업무를담당하고있다. E-Mail kslee@tsne.co.kr 프로젝트관리파일 (*.WBDB) 불러오기 Ansys Workbench는대부분의범용 3D CAD와플러그인방식을지원하고또한리드 (Read) 방식도지원한다. 플러그인방식은 CAD 파라미터들을 Workbench 내에서쓸수있는장점과 CAD 상에서 Workbench 160 C 2007/10
Ansys Workbench 를이용한해석성공사례 를직접구동할수있는장점이있다. 이번호의예제는범용 CAD 모델이아닌 ANSYS Workbench 내의모델러를통하여만들어진모델을사용하였다. 이역시플러그인방식을지원하기때문에파라미터들을직접사용할수있다. 불러올파일은 Impact Problem.wbdb 로 ANSYS Workbench 내에서연동되어있는파일을관리하는파일이다. 먼저좌측그림과같이시작메뉴에서 ANSYS Workbench를실행한다. 좌측그림과같이대화상자에서 Browse 버튼을클릭하여 Impact Problem.wbdb 파일을불러온다. 물성치정의 ANSYS 한국총판태성에스엔이 (http://www.tsne.co.kr) 에서는 5,000여개의물성치데이터를구비하고있으며, http://www.matweb.com 사이트에서 5만 7,000여가지의물성데이터가 ANSYS 데이터로자동저장되므로사용자는물성치에대한고민을줄일수있다. 붉은색으로표시되어있는 S 버튼을더블클릭하면 DesignSimulation이실행되며다음과같이모델이보여진다. 각단품마다다른물성치를적용할수있으며, Geometry 메뉴에서모델을선택하여현재설정되어있는모델의물성치를확인할수 있다. Aluminum Alloy 불러온모델에대한단위계를확인한다. 앞으로부여할하중이나구속조건등의단위는툴바메뉴의 Units 에서설정한단위계로된다. ANSYS Workbench는자동으로단위계가변경된다. 즉, 물성치, 하중, 모델치수가동시에변경되므로사용자가편리하게하나의단위계를선택하여통일하여사용하면된다. 여기서는 mm 단위계를선택한다. 현재플레이트는 Aluminum Alloy 로되어있고, 볼은 Structural Steel 로되어있다. 또한, 파트중 plate 를선택하고 Engineering Data 페이지에서 elasto-plastic 2007/10 C 161
Analysis bilinear isotropic hardening 물성치가들어있는것을확인한다. 메시조건두파트메시조정에관해서는이미 sweep과 body sizing이들어있다. 이중 body sizing은인접하고있는다른물체의메시밀도를높이거나낮출수있도록지원한다. 상세정보창에서 Sphere Radius를조정하여사용자가설정한요소밀도크기의영향이미치는범위를설정하게된다. 나머지요소의크기는평균값이 1mm가되도록설정한다. 접촉조건두파트모델플레이트와볼사이의접촉조건은현재 Frictional 로되어있으며, Connections 메뉴에서확인할수있다. 이조건은두모델사이의마찰계수를사용자가직접입력하여설정할수있다. 상세정보창을확인해보면현재 0.2로설정되어있음을알수있다. Modal 메뉴에서툴바메뉴의 Supports > Fixed Support 를삽입한다. Named Selection을통하여이미그룹이형성되어있다. 상세정보창의 Fixed Support 를클릭하고 Scoping Method 를 Named Selection 으로변경한후, Named Selection 에서 Fixed_Base 를선택한다. 모드해석모드해석은동적해석중기본적이며중요한해석으로서, 구조물의진동특성을파악하는데매우큰역할을한다. 모드해석을통하여구조물의고유진동수와고유한모양, 즉고유모드형상을통하여그구조물의진동특성 ( 주파수영역 ) 을구할수있다. 때론, 모델간의메시가잘연결되어있는지도파악하는역할을하기도한다. 본사례에서도플레이트의진동특성을미리파악하도록하였다. 툴바메뉴에서 New Analysis > Modal 을삽입하고, Analysis Settings 의상세정보창에서 Max Modes to Find 에 20을입력한다. Solution 에서 Deformation > Total 을삽입한다. plate 에만관심이있기때문에 ball 파트는 suppress시킨다. Geometry > ball 에서마우스오른쪽버튼을클릭하고 Suppress Body 를선택한다. 162 C 2007/10
Ansys Workbench 를이용한해석성공사례 해석을수행한다. 해석시간은 PC의사양에따라 3 10분정도걸린다. 모드해석결과해석이완료된후해석결과를검토한다. Solution 메뉴에서마우스오른쪽버튼을클릭하여 Total Deformation 메뉴를입력하고 1차모드형상결과를확인한다. 상세정보창에서 Mode 항목을 2 20까지변경하여모드차수를변경하면서각고유진동수에따른모드형상을확인할수있다. 모드해석을수행한결과 1차고유진동수는 109.08Hz였으며, 나머지고유진동수를확인하여그대역을파악할수있었다. 변경한다. 실제시간에따라변동하는하중에대한구조물의응답을구하는해석으로서, 모든형태의비선형성 ( 소성, 접촉, 대변형, 재료비선형등 ) 을구현할수있다. 시간에따라변하는하중에대한시간에따라변하는변위, 응력, 변형률등을구할수있게된다. 운동방정식을계산하는방법에는모드중첩법과직접적분법두가지가있는데, 여기서는직접적분법을채택하였다. 직접적분법은운동방정식을직접적으로시간에따라단계별로계산을하게된다. 이해석에서는유연체동역학해석에서볼이판에충돌할것이다. 따라서 ball 파트를 unsuprress 시켜야한다. 마우스오른쪽버튼을클릭하고 Geometry > ball 을선택한후 Unsupress 를실행한다. 해석옵션 Analysis Settings 메뉴의상세정보창에서다음과같은파라미터를입력한다. 1 차모드 (109.08Hz) 2 차모드 (201.46Hz) Step End Time : 5e-3 Initial Time Step : 1e-4 Minimum Time Step : 1e-4 Maximum Time Step : 1e-3 참고 3차모드 (246.31Hz) 4차모드 (341.18Hz) 비선형충격해석해석종류를 Modal에서 Flexible Dynamic Analysis 로 Integration time step(its) 란? 어느임의의시간점에서다음시간점사이의증분치를의미한다. 해석의정확성을결정하기때문에값을신중하게결정해야하며, 모드중첩법을이용한해석에서는오직하나의상수값만허용한다. FULL transient 해석에서는 ANSYS가사용자가미리지정한범위내에서자동적으로변경하게된다. 위의옵션을살펴보면 Step End Time 이해석을수행할실제시간을의미한다. 즉, 0.005초의시간동안발생하는일을계산하여볼수있게되는것이다. 그리고 2007/10 C 163
Analysis Initial Time Step, Minimum Time Step, Maximum Time Step은바로 ITS 값을의미하는데, 해석이시작되면서초기에는 Initial 값을쓰다가수렴이잘되면 Minimum 값까지자동으로낮추며, 수렴이잘안되면 Maximum 값까지자동으로높여서쓰게된다. 이러한역할은상세정보창의 Automatic Time Stepping 이on으로되어있어야한다. 하중조건 Initial Condition 메뉴를선택하여상세정보창에서다음과같이입력한다. Input Type : Constant Velocity Define By : Components Y Component : -5000 Z Component : 1000 Scoping Method : Geometry Selection Geometry : 바디필터로변경후 ball 파트선택 Solve 버튼을눌러해석을수행한다. 유연체동역학해석은대변형, 접촉, 소성등을모두고려하게된다. 해석수행과정은 Solution Information 메뉴에서모니터링할수있으며상세정보창에서 Solution Output 을 Force Convergence 로변경한다. 해석시간은약 15 30분정도걸린다. 설정이완료되면해석시 Y방향으로 5000mm/sec과 Z방향으로 1000mm/sec의입력치가조합되어, 그래픽창의왼쪽상단에는 Velocity 5099.02mm/sec 로표시된다. 즉, 두방향의벡터방향으로 5099.02mm/sec의속력으로볼이플레이트에충돌하게된다. Solution 메뉴를선택하여 Total Deformation 을삽입하고다음과같이관심있는항목을추가시킨다. 상세정보창에서 Nonlinear Controls, Output Controls, Damping Controls, Analysis Data Management 등의메뉴는기본설정그대로사용하도록한다. 수렴성그래프를확인하여보라색그래프인 Force Convergence가하늘색인 Force Criterion 밑으로내려오면수렴된것이다. 이러한과정이반복되면서 End Time으로설정된시간 0.005초까지계산을수행하게된다. Stress > Equivalent (von-mises) Strain > Equivalent (von-mises) Strain > Equivalent Plastic Strain Solution 메뉴를선택하고 Probe > Force Reaction 을삽입한다. 상세정보창에서 Boundary Condition: Fixed Support 를선택한다. 충격해석결과해석이정상적으로완료되면결과아이템들이초록색체크표시로바뀌어진다. 각각의결과아이템을클릭하여각결과에대한값들을살펴보도록한다. 결과는트리메뉴에서 Solution 내에있는항목을클릭하면최 164 C 2007/10
Ansys Workbench 를이용한해석성공사례 대값과최소값을확인할수있다. 이러한비선형 Transient 문제는실제구조물이응답하는거동을꼭확인하는것이중요한데, 그래픽메뉴하단의 Timeline 을통하여구조물의응답을동영상으로관찰할수있다. 하단우측의 Tabular Data 를확인하면시간간격에따른최대값의변동추이를살펴볼수있다. 프레임수를조절하면동영상을더욱실감나게볼수있다. y 방향속도결과 ( 최대값 : 5970.1mm/sec) 각각의결과값과그때의분포는다음과같다. 시간에따른 y 방향속도결과값 y 방향변위결과 ( 최대값 : 5.0721mm) y 방향가속도결과 ( 최대값 : 4.208mm/sec 2 ) 시간에따른 y 방향변위결과값 시간에따른 y 방향가속도결과값 등가응력결과 ( 최대값 : 316.95MPa) 해석결과보고서작성그래픽메뉴하단에서 Report Preview 버튼을클릭하면자동으로보고서가만들어진다. 보고서의제목과저자등을수정할수있고회사로고등을삽입할수있다. 또한화면상단의메뉴에서보고서를첨부하여이메일을보내거나 MS워드, 파워포인트등으로보고서파일정보를저장할수있다. 시간에따른등가응력결과값 2007/10 C 165