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유한요소해석은 기계설계에서 빠질 수 없는 필수적인 부분이다. 하지만 다음과

같은 매우 중요한 질문에 한 해답은 되지 못한다.‘이 부품은 얼마나 오랫동안 사

용할 수 있는가?', '사용 중에 파단이 될 확률은 얼마정도인가?',‘설계를 어떻게 변

경하여야최상의내구성을가지게되는가?

구조물은 하중, 변위의 반복에 의하여 균열이 발생하고, 이 균열이 성장하여 최

종적으로 파단 되게 된다. 이러한 현상을 피로파괴라고 한다. 반복되는 하중에

하여 구조물의 피로 손상을 방지하기 위해 Ansys Workbench에서는 피로 해석을

수행할수있다.

이번 호에서는 알루미늄 휠에 타이어의 압력과, 코너링의 모멘트 하중이 걸리는

데, 이때 전체 변형량과 등가 응력을 확인하고, 피로해석을 수행하여 수명을 예측

하도록한다.

모델 불러오기

앞의 연재에서는 CAD 프로그램과 연동하는 것을 보았는데, 공통확장자로 저장

A nalysis

Ansys의새로운통합솔루션�

Ansys Workbench 환경에서는 해석 전문가뿐 만 아니라 설계자 들도 쉽게 유한 요소 해석을 구현 할 수 있다. 이번 호 에서는 Ansys

Workbench 환경에서의 비선형 접촉해석 및 재료 비선형 해석사례를 소개하고자 한다.

Ansys 총판을 담당하고 있는 태성에스엔이에서 Ansys

Workbench 기술지원담당및컨설팅엔지니어로근무하고있다.

E-Mail ┃ jooah@tsne.co.kr

홈페이지┃ http://www.tsne.co.kr

조주형

■연재순서■

제1회Ansys Workbench 소개

제2회Ansys Workbench를이용한선형구조해석성공사례

제3회Ansys Workbench를이용한열-구조연성해석성공사례

제4회Ansys Workbench를이용한비선형접촉해석성공사례

제5회Ansys Workbench를이용한피로해석성공사례

제6회Ansys Workbench를이용한전자기장해석성공사례

Ansys Workbench를 이용한

피로해석 성공사례

- 자동차 휠의 피로해석

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A nalysis

하 을경우에도파일을불러올수있다.

- Ansys Workbench를실행하고, Simulation을선택한다.

- 파일이 공통확장자인 경우에도, 파일을 불러올 수 있는데,

Geometry를 선택한 뒤 From File.. 에서 모델 파일을 불러온

다.(Parasolid, STEP, IGES..)

물성치 정의

Ansys Workbench 자체 라이브러리에 50여 가지의 기본 물성치

를 제공하고 있으며, http://www.matweb.com 사이트에서 57,000

여 가지의 물성 데이터를 Ansys 데이터로 자동 저장하므로 사용자는

물성치에 한고민을줄일수있다.

자동차에 장착되는 휠 중 알루미늄의 재질의 휠을 해석하도록 한

다. 단품선택후세부옵션에서물성치를변경할수있으며, 물성치를

엔지니어링 데이터에서 입력 된 물성치에 한 세부항목에 해 확인

할수있다. 각항목및물성치수정혹은삭제, 추가가능하다.

접촉 정의

ANSYS Workbench는 모델을 불러오면, 조립품과 단품을 인식하

여조립품을불러올시에는자동접촉조건을삽입시키고, 단품을불러

올 시에는 Tree에 접촉항목이 나타나지 않는다. 현재 해석하려고 하

는모델은단품이므로접촉항목은나타나지않는다.

구조해석 수행

하중 및 경계조건 부여

피로해석을 수행하기 위해 먼저 구조해석이 수행되어야 하므로 구

조해석 수행 후 결과를 가지고 피로해석을 하도록 한다. 구속 조건을

적용하기 위해 Environment 항목을 선택하고, 휠의 끝 한쪽 면을 선

택하고, 완전고정시킨다.

하중은 타이어가 닿는 14개의 면에 압력을 부여한다. 이때 값은

0.2Mpa를입력한다. 압력은면에수직방향으로적용된다.

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휠의 안쪽 면을 선택하여 Moment를 추가한다. 하중의 방향을 전

역 직교 좌표를 기준으로 입력하는 옵션을 사용하여 Z 축으로

2.9489e6mm를적용한다. 단위가맞지않을경우 Unite에서단위를

변경할수있으며, 이들단위는자동연산된다.

결과 검토삽입 및 해석 실행

결과로 보길 원하는 항목을 Solution 항목에서 삽입한다. 해석 준

비가완료되면Solve 아이콘을클릭한다.

해석 결과 확인

등가 응력 결과를 확인해보면, 최 응력의 크기는 약 144.5 Mpa

이 발생한 것을 확인할 수 있다. Aluminum Alloy의 경우 인장 항복

응력이 280 Mpa이므로, 인장 항복응력을 기준으로 안전계수를 계산

해 보면 약 1.94 정도

가 된 다 . Ansys

Workbench에서는

Stress Tool 항목에서

안전계수를 확인할 수

있다.

전체변형량을확인한다. 변형이과도하게보이는것은Auto Scale

로 설정되어 있기 때문이다. 현재는 실제 변형량 보다 85배 확 된 것

이다.

피로해석수행

S-N 선도 입력

피로해석을 수행하려면, 물성치 중 S-N 선도가 필요하다.

Aluminum Alloy의 경우 Ansys Workbench가 이 값을 가지고 있으

므로, 따로 입력하지 않아도 된다. 이는 엔지니어링 데이터 항목에서

확인할수있다.

엔지니어링데이터 안의 항목중 Mean Value에 따라 Alternating

Stress vs. Cycle 값이다른것을확인할수있다.

피로해석 툴 삽입

Solution 항목에서 Fatigue Tool을 삽입한다. 상세 정보 창에서

Loading Type을 Zero-Based(하중이 적용, 제거를 반복)로 변경하

고, Mean Stress Theory는 Goodman으로 변경한다. Goodman은

Ultimate Stress를기준으로피로수명을계산하는이론이다.

▲ 하중 및 구속조건 삽입

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A nalysis

결과검토 항목 및 해석 실행

피로 해석에 한 설정이 끝나면, 검토할 결과를 삽입한다. Life 및

Safety Factor를 추가하고 Safety Factor의 상세 정보 창에서

Design Life에 50000을 입력한다. 이는 설계 수명 50000회를 기준

으로안전계수를출력하여볼것이다.

해석 결과 확인

수명을 보면

최 응력이 발

생하는 위치에

서 최소 수명이

발생하고 있다.

최소 수명이

32717000회임

을 확인할 수

있다.

ANSYS Workbench V11 New Feature

ANSYS Workbench는 ANSYS사에서 설계자를 기반으로 하여 개

발되었기때문에, 보다쉽고, 빠르고, 편리하다는장점이있다. 해석환

경도 점차 3D 아이콘화 되어 가는 추세에 발맞추어 혁신적인 환경임

에 틀림없다. 그러나 그 기능이 기존 전문해석 프로그램인 ANSYS

Classic에 비해 제한적인 면이 없지 않았다. 이제는 전문 해석자들도

보다 쉽고, 편리한 환경에서 빨리 해석결과를 도출하기를 원한다. 이

에 해 점차 전문해석 프로그램의 세부기능들이 ANSYS

Workbench 안으로 탑재되고 있으며, V11에서는 거의 부분의 기능

들이 내재되었다. V11에 업데이트된 New Feature중 해석

(Simulation)부분에 해서간단히알아보도록하자.

Environment Powerful Change

Rigid and Flexible Dynamics

▲ Life Result

◀ Safety Factor Result

Rigid Bodies

Rigid and

Flexible Bodies

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Multiple Load Step and Transient

Multiple Load Step Analysis

Initial Contact Info

Symmetry

자동으로Symmetry(축 칭) 경계조건이적용될수있다.

Legend

Eng Data : Summary

구조와열하중을시간에따른함수로적용할수있다.

■Tabular loads (load vs. time)

■Function Loads e.g. “100*sin(5*time)”

재료비선형 옵션 추가

Slice View

Movable, Sizable, Color changes

재료 비선형 옵션 추가