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142∙C 2007/7
쇼크 마운트(Shock Mount)는 자동차나 일반기계 등 작동부를 포함하는
구조물의 어느 한 부분에서 발생하는 진동이 다른 부품으로 전달되는 것을
차단하기위해설치하는고무재질의진동차단용구조물이다. 고무재질은재
료비선형 해석분야이며, 쇼크 마운트의 고무 부분과 구조강(Structural
Steel)이 접촉되어 있으므로, 비선형 접촉으로 해석을 수행하여야 한다.
ANSYS Workbench에서는 이러한 고도의 비선형 해석을 쉽게 구현할 수
있다.
이번 호에서는 쇼크 마운트 조립품의 상단부를 강제 변위로 눌러, 응력과
변위결과를얻은다음, 피로해석을수행하여조립품의수명을예측해보고자
한다.
모델불러오기
Ansys Workbench는 부분의 범용 3D CAD 와 플러그인 방식을 지원
하고 있다. CAD를 설치한 후 ANSYS Workbench를 설치하게 되면 CAD의
메뉴바에‘ANSYS 11.0’이 자동으로 메뉴로 구성이 된다. 따라서 ANSYS
Workbench를 띄우지 않고, 바로 CAD에서 작업중인 모델을 해석으로 오픈
시켜해석작업시모델을다시한번확인해야한다거나하는번거로움이없
다. 또한CAD 툴에서공통확장자로쓰이는파일들은CAD 없이열수있다.
불러올 파일은‘shock mount.sat’의 SAT 파일로, 해석환경인
‘Simulation’으로불러오도록한다.
쇼크마운트의피로해석
ANSYS Workbench를이용한해석성공사례
Ansys Workbench 환경에서는 해석 전문가뿐만 아니라 설계자들도 쉽게 유한 요소 해석을 구현할 수 있다. 이번 호에서는
Ansys Workbench 환경에서의 재료 비선형 해석 및 피로 해석 사례를 소개한다.
Analysis
태성에스엔이에서 ANSYS 기술지원 담당 및 프로젝트
컨설팅엔지니어를맡고있다.
조선
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모델을 부른 후 가장 먼저 하는 것이 단위 설정이다. 불러온 모델에
하여 앞으로 부여할 하중이나 구속조건 등의 단위를 설정한다.
Workbench는자동으로치수변환을시켜준다. 만약변위를50mm로
부여했는데 단위를 리미터에서 미터로 바꾸게 되면 자동으로
0.05m로변환된다.
물성치정의
ANSYS 한국총판 태성에스엔이(http://www.tsne.co.kr)에서는
5,000여 개 의 물 성 치 데 이 터 를 구 비 하 고 있 으 며 ,
http://www.matweb.com 사이트에서 5만 7,000여 가지의 물성 데
이터를 ANSYS 데이터로 자동 저장할 수 있으므로 사용자는 물성치
에 한고민을줄일수있다.
각단품마다다른물성치를적용할수있으며, 중앙에위치한단품과
수평으로 위치한 단품은‘Structural Steel’을, 이 사이에 위치한 단품
은‘Rubber’를 입력한다. 물성치 입력 창은 디폴트로 선형해석(구조,
열, 전자기장, 피로등)에관해입력하도록되어있으며, ‘Engineering
Data’탭에서세부물성치값을추가및삭제할수있다.
ANSYS Workbench를이용한해석성공사례
구조강
고무
구조강
기본적으로 각 단품에 하여 구조강(Structure Steel)이 정의되어
있다. 재료 비선형 해석을 수행하기 위하여 비선형 성질을 지니고 있
는 고무(Rubber)의 비선형 재료 물성 값을 입력한다. ‘Engineering
Data’탭을 선택하고‘Import’를 클릭한 다음, ‘Material’을 선택하
면 ‘ Import Material Data’ 창 이 뜬 다 . 이 창 에 서
‘Workbench_Samples’를 선택한 다음‘Add’를 클릭하면‘Add
Data Sources’창이 뜬다. 여기서‘Browse’를 클릭한 다음 고무 물
성이 저장되어 있는 경로를 찾아서 물성을 지정해주면 된다. 값에 따
라 자동으로 그래프가 그려짐을 볼 수 있다. ‘Engineering Data’탭
에서 재료 비선형 물성치를 정의하면 ANSYS Workbench는 자동으
로재료비선형효과를적용하여해석을수행할수있다.
물성데이터가불려온것을확인한다음, ‘Design Simulation’탭으
로가서, 고무로구성된단품에 하여불러들인물성을부여해준다.
접촉정의
ANSYS Workbench는 조립품 모델을 불러오면 자동으로 파트와
파트사이에접촉을정의한다. 다음모델도어셈블리모델이므로자동
으로 접촉이 생성되었다. 하지만 자동으로 접촉되는 부위가 지정된다
하더라도 모델의 움직임을 고려하여, 차후 접촉될 수 있는 역이 더
있는지 고려해야 한다. 다음 모델의 경우 자동으로 두 개의 접촉 역
이 생성되었지만, 중간에 위치한 단품이 고무라는 점과 해석 조건을
고려할때에중앙에위치한구조강단품의상단과고무의상단부분이
접촉될것이예상되므로접촉 역을추가로생성해준다.
고무와 수평으로 위치하고 있는 단품 사이에 생성된 Contact
Region은 슬라이딩(Sliding)이나 분리(Separation)가 발생되지 않
을 것이므로, ‘Bonded’조건을 부여한다. 또 새롭게 생성된 Contact
Region 3과 중앙에 위치한 단품과 고무 사이에 생성된 Contact
Region 2는 접촉 타입을‘Frictionless’로 설정한다. 이들 역에서
의 거동이 분리도 발생하고, 슬라이딩도 발생될 것이 예상되기 때문
이다.
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Analysis
‘Engineering Data’클릭
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ANSYS Workbench를이용한해석성공사례
메시사이즈설정
ANSYS Workbench는 스윕된 바디의 경우 자동 육면체 메시를 생
성하며, 사용자가 원하는 곳의 요소 크기를 설정하여 메시할 수 있다.
특히 비선형 접촉 해석의 경우 메시의 형상 및 크기가 수렴에 중요한
역할을 한다. 접촉면에서의 메시 형상이 균일하지 않으면 해석 시 수
렴하지않고발산하는경우가생길수있다.
ANSYS Workbench는 미드노드(Midnode)를 갖는 2차 요소를 디
폴트로 이용한다. 따라서 각 엘리멘트의 중간지점에서 한 번 더 계산
을해주므로해석결과의해가정확하다.
ANSYS Workbench는 형상에 해 전체적으로 메시 사이즈를 조
절하거나, 국부적인 부분(선, 면, 바디)만 선택하여 원하는 부분만 메
시 사이즈를 조절할 수 있다. 또는‘Relevance’를 조절하여 메시
도를조절할수있다.
‘Relevance’를 사용하여 메시 크기를 조정할 때, -100(빠르게 메
시를할수있지만 도가낮다)에서+100(높은정확성을가지고있으
며 메시 크기를 조 하게 생성할 수 있지만 메시 과정에서 시간이 다
소 걸린다)까지 설정할 수 있다. 다음 모델의 경우는‘Relevance’를
100으로설정하여조 하게메시가생성될수있도록설정한다음, 모
델 전체에 하여 프리 메시(Free mesh) 작업을 수행하 다. 다음은
메시된모델형상이다.
하중및경계조건
해석을 수행할 때 칭 조건을 부여하기 힘든 모델이거나 해석을
통해 알고자 하는 관심 역이 분산되어 있어 풀 모델링을 해야 하는
경우를 제외하고는 모델링할 때 전체 모델의 1/2, 1/4 등만 가지고도
실제해석결과와같은결과를얻어낼수있다. 이는해석시간을줄이
는데매우효과적이라할수있다.
이러한 시메트릭(Symmetric) 조건 등을 부여하려면 먼저 해석 타
입부터 선택해야만 한다. 이는 Ansys Workbench 11.0으로 업그레
이드되면서달라진부분이다. 따라서어떤해석을수행할것인지선택
한다음, 그에맞는하중및경계조건을추가해주어야한다. 우선해석
타입을선택하기위하여‘New Analysis’메뉴를선택한다.
‘New Analysis’메뉴는 정적
구조해석, 열해석, 진동해석 등
많은 해석 타입을 가지고 있다.
이 중 다음 모델은 재료 비선형
구조 해석을 통한 피로해석을 수
행할 것이므로‘Static Structural’항목을 선택한다. 이 메뉴를 선택
하면 그림과 같이 트리에‘Static Structural’에 관련된 기본 항목이
자동으로생긴다.
이제 구속 조건 및 하중
조건을 부여하기 위한 조건
들을 추가해준다. 모델의 시
메트릭 조건을 부여하기 위
한‘Frictionless Support’,
모델을 고정시키기 위한
‘Fixed Support’, 마지막으
로 하중을 부여하기 위하여
‘Displacement’를 추가해
준다.
‘New Analysis’클릭
추가한 조건들을 하나씩 설정해준다. 우선 해석하고자 하는 쇼크
마운트의 경우 칭성을 가지고 있기 때문에, 1/4 모델을 생성하 다.
1/4 모델로 전체 모델을 해석하는 것과 같은 효과를 주기 위해서는 시
메트릭조건을부여하면된다. 시메트릭조건을부여하기위하여다음
의 7면을 선택한 다음, ‘Frictionless support’조건을 부여해준다.
이는선택한면에수직방향자유도를자동으로구속시켜주는조건으
로, 3D Structural Solid Element의 경우 UX, UY, UZ에 한 병진
자유도를 가진다. 따라서 칭 경계 조건은 면에 수직 방향 자유도만
고정시켜주면된다.
또 다른 경계 조건을 부여해준다. 구속점을 잡아주기 위해 중앙에
위치한 구조강 단품의 홀 내부 면을 선택하여‘Fixed Support’조건
을부여한다.
마지막으로 하중을 부여해야 하는데, 다음 모델에서는 강제 변위를
부여할 것이다. 강제 변위를 부여하기 위하여 로드 스텝(Load Step)
을 나누어 변위를 준다. 로드 스텝을 나누기 위해서 트리의
‘Displacement’를 클릭한 다음, Displacement 세부 항목에서
‘Definition’의‘Z component’에서‘Tabular Data’를 선택한다.
이를 선택하면 그래픽 창 오른쪽 하단부에 시간에 따른 변위 조건을
부여할 수 있는 창이 생성된다. 이 창에 총 세 번에 걸쳐 각각 -1mm
씩즉, 전체3mm의강제변위가부여되도록설정한다.
비선형 해석을 수행할 때 한 번에 하중을 가하면 수렴되지 않는 경
우가 발생할 수 있기 때문에, 이를 해결하기 위한 옵션을 설정해준다.
‘Solution’항목을 선택하고, 오른쪽 마우스를 클릭한 다음‘Insert >
Command’를 클릭한다. 현재 변위 적용 시, 각 로드 스텝의 하중마
다 5번으로 나누어 하중을 부여하여 수렴시키고 수렴이 되지 않을 경
우 최 10번으로 나누어, 수렴이 잘 된다면 2번으로 나누어 하중을
부여하고 수렴시키도록 명령하는 것이다. 또한 각 스텝 결과 모두를
나타나게명령해준다.
솔루션옵션설정
비선형 해석을 수행하기 위하여 해석 타입을‘Static Structural’
으로 선택하면 상세 정보 창에서 여러 가지 옵션을 설정할 수 있다.
‘Large Deflection’을 ON하게 되면 기하 비선형 해석을 수행한다.
이옵션은비선형해석을수행할때켜두는것이좋다. 또한스텝수와
시간을 설정할 수 있으며, 솔버 타입을‘Direct’로 설정해주면 정확한
해의결과를얻을수있다.
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Analysis
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ANSYS Workbench를이용한해석성공사례
Ansys Workbench에서는 비선형 해석에서 해를 수렴시키기 위해
뉴튼-랩슨(Newton-Raphson)법을 이용한다. 뉴튼-랩슨법은 하중
을 여러 구간으로 분할하여 점진적으로 적용하고, 각 하중 증분에
하여평형조건을만족할때까지계산을반복하는방법이다.
검토결과삽입
비선형 해석을 통해 얻고 싶은 결과 항목을 추가해준다. 해석을 통
해 어느 정도의 변형이 발생하는가와 최 응력이 어디에서 발생하는
가에 한 결과를 얻기 위하여‘Deformation’과‘Stress’항목을 추
가한다. 트리의‘Solution’탭에서 오른쪽 마우스를 클릭한 다음,
‘Insert > Deformation > Total’을 선택한다. 같은 방법으로‘Insert
> Stress > Equivalent(Von-Mises)’를 선택하면‘Solution’항목에
다음과같은메뉴가추가된다.
또 접촉된 부분에서의 상태(Status)와 압력(Pressure)을 살펴보기
위하여‘Solution’탭에서‘Insert > Contact Tool > Contact Tool’
을 선택한다. 기본적으로‘Status’만 있기 때문에, ‘Contact Tool’
에서 오른쪽 마우스를 클릭한 다음‘Insert > Pressure’를 선택하여
‘Pressure’항목을추가해준다.
쇼크 마운트의 수명을 예측하기 위해서 다시 해석을 수행하는 것이
아니라, 피로 해석 항목을 추가해 줌으로써 간단하게 수명 예측 결과
를 얻을 수 있다. 피로 해석 항목을 추가하기 위하여‘Solution’항목
에서 오른쪽 마우스를 클릭한 다음, ‘Insert > Fatigue > Fatigue
Tool’을추가해준다. ‘Fatigue Tool’을추가한다음, 이탭에서다시
오른쪽마우스를클릭하고‘Insert > Life’를추가해준다.
뉴튼-랩슨법
피로 해석을 수행하려면 물성치 중 S-N 선도가 필요하다.
‘Engineering Data’를 살펴보면, 구조강 l의 경우 Ansys
Workbench의 기본 데이터에 이 값을 가지고 있으며, 고무의 경우
S-N 선도가 이미 입력되어 있는 데이터를 불러들 음을 알 수 있다.
‘Alternating Stress’그래프를 클릭하면 세부 데이터를 확인할 수
있다.
‘Simulation’탭으로 이동한 다음, 트리에서 삽입된‘Fatigue
Tool’을 클릭하면 세부항목에서 해석 옵션을 설정할 수 있다. 상세 정
보 창에서‘Loading Type’을‘Zero-Bases’로 변경한다. 이는 하중
을 적용, 제거를 반복하는 방법이다. 또‘Mean Stress Theory’는
‘Ultimate Stress’를 기준으로 피로수명을 계산하는 이론인
‘Goodman’으로변경한다.
해석실행
해석 준비가 완료되면 트리의‘Solution’에서 오른쪽 마우스를 클
릭하여‘Solve’아이콘을 클릭하면 해석이 진행된다. Ansys
Workbench에서는 해석 진행 과정을 텍스트 창으로 확인할 수 있다.
‘Solution’에 포함되어 있는‘Solution Information’이라는 항목을
클릭하면 해석 진행 과정에 한 정보를 알 수 있다. 만약 해석 진행
과정에 에러가 발생한다면‘Solution Information’항목에서 에러
내용에관한상세한정보를확인할수도있다.
해석결과확인
각 결과 항목을 선택하여 Equivalent Stress, Deformation(total,
directional), Contact Status, 조립품의 수명 등을 확인할 수 있다.
최 응력은 홀 내부 면이 고정되었던 부분에서 발생하 으며, 수명
또한 최 응력이 발생한 곳에서 최소 수명을 나타내었다. 최소 수명
은7593.3회이다.
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Analysis
Directional Deformation-XTotal Deformation
Directional Deformation-ZDirectional Deformation-Y
LifeEquivalent Stress(Von-Mises)
Contact PressureContact Status