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nalysisAA

다물체 동역학(Multi-Body Dynamics)이란?

일반적으로 완성 제품은 하중 및 변형을 일으키는 메카니즘으로 짜여진 많은

부품들로 연결되어 있다. 부품들의 하중이나 변형에 한 응답은 운동학적 메카

니즘에 기초한다. 다물체 동역학(Multi-Body Dynamics, MBD)은 이러한 메카

니즘에 기초하여, 하나 이상의 부품으로 이루어진 공간상의 다물체계에 한 운

동을다룬다.

구조물의 운동학적 해석으로 각 파트의 연결 조건을 정의하여 주는 조인트

(Joint)로연결된파트의위치, 속도, 가속도뿐만아니라조인트에서생기는반력

이나진동에 한정보도얻을수있다. 따라서부품내부의변형이아닌부품자

체의 운동에 의하여 발생하는 변형을 다른 부품에 전달하여 하중이나 변형에 의

한 부품들의 거동을 판단하고, 부품간의 간섭을 체크하여 설계상의 오류를 찾아

낼수있다.

그렇기때문에날로소형화되고복잡해지는운동메카니즘으로이루어진제품

들이 사용되어지는 기계 및 로봇 분야뿐만 아니라 우주 항공 분야에 이르기까지

다양한산업 역에적용하여활발하게연구가진행되고있으며, 응용범위또한

점점넓어지고있다.

ANSYS Workbench의 다물체 동역학

ANSYS 10.0 버전에서는베타기능으로제공되었던다물체동역학해석옵션

이 ANSYS 11.0 버전에서부터는 정식 옵션으로 ANSYS Workbench에서 다물

체동역학에 한해석을수행할수있게되었다.

ANSYS Workbench를이용한다물체동역학해석

ANSYS Workbench를이용한해석강좌

ANSYS Workbench(앤시스 워크벤치) 환경에서는 여러 개의 파트들

사이의 운동 메카니즘 분석을 통한 간섭체크라든지 특정 파트만을 지정하

여 응력이나 변형률을 관찰할 수 있는 다물체 동역학(Multi-Body

Dynamics) 기능이 있다. 이번 호에서는 ANSYS Workbench 환경에

서의 다물체 동역학에 해 살펴보도록 한다.

앤시스한국총판인태성에스엔이에서 앤시스기술지원및컨설팅

엔지니어를맡고있다.

E-Mail │ jjpark@tsne.co.kr

홈페이지│http://www.tsne.co.kr

박정진

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nalysisA

ANSYS Workbench에서제공하는다물체동역학은크게두가지

로 나누어지는데, 그 하나가 강체 동역학(Rigid Dynamics)이라는

기능이다. 강체동역학은모델의모든파트를강체로보고각파트의

변형이나 회전을 무시한 해석 시스템상의 이동 및 회전만을 고려한

해석방법이다. 즉, 강체동역학해석에서는파트들의연결부위인조

인트부위에서만변형이나회전이발생하게된다.

두 번째로 다물체 동역학의 또 다른 기능인 유연체 동역학

(Flexible Multi-Body Dynamics)에서는강체동역학과는달리, 엔

지니어가관심이있는파트만을유연체(Flexible)로정의하여강체로

이루어진 구성품들 사이에 탄성체가 포함된 해석을 할 수 있다. 즉,

변형과 회전이 조인트 부위에서만 나타났던 강체 동역학과 달리 파

트들간의 운동 메카니즘뿐만 아니라 탄성체로 가정된 관심 있는 파

트의직접적인변형이나응력을확인할수있다.

이러한 다물체 동역학 해석에서는 기존 ANSYS의 동역학 해석에

이용되는 Implicit 코드가 아닌 동역학 해석에 적합한 Explicit 코드

가사용된다. 그리고다물체동역학중유연체동역학같은경우에는

별도의 라이센스 없이 ANSYS/Structural 라이센스 이상의 라이센

스만으로 해석이 가능하며, 기존의 우리가 알고 있는 시간이력에 따

른 과도해석이 가능하다. 하지만 강체 동역학 해석을 하고자 한다면

ANSYS/Structural, ANSYS/Mechanical, ANSYS/Multiphysics

라이센스이외에별도의라이센스를필요로한다.

다물체 동역학 해석 시 고려사항

다물체 동역학 해석을 할 경우에는 각 파트간의 연결성을 부여해

주는 것이 가장 중요하다. ANSYS Workbench에서 각 파트에 서로

의연결성을부여하는방법으로는크게접촉, 조인트, 스프링등3가

지의 방법이 있다. 그 중 접촉은 2차원 혹은 3차원 형태의 유연체 파

트들 사이에서만 정의할 수 있는데, 부품간의 접촉상태 혹은 마찰이

중요한경우에는접촉면을지정하여기능을사용할수있다.

조인트의 경우에는 접촉과는 다르게 오직 3차원 모델에서만 적용

가능하며적용후에는각부품들간의상 적인운동이가능해진다.

마지막으로 스프링은 3차원 강체와 유연체 파트에 적용 가능하며

모델의 점이나 선, 면 등에 적용시킬 수 있다. 스프링을 정의해 주기

위해서는반드시스프링의길이를0보다큰값으로입력해주어야하

며스프링의강성과감쇠를입력할수있다.

조인트

조인트(JOINT)는강체파트들간혹은파트와그라운드사이에적

용할 수 있다. ANSYS Workbench에서는 자유도에 따라 <그림 3>

과같은7가지종류의조인트와엔지니어가수동으로움직임을제어

하고자할때사용하는2가지의Fixed 조건과General 조건등총9

가지의 조인트를 제공하고 있으며, Body-Ground와 Body-Body

두카테고리모두조인트의종류와개수는동일하다.

또한조인트의추가적인옵션으로Rigid와Deformable을선택함

에따라변형이없는강체거동을할것인지, 조인트부위의변형을고

려할것인지를설정할수있다.

▲ 유연체 동역학 해석 예

▲ 조인트의 종류 및 자유도

▲ 강체 동역학 구동 예

▲ 크랭크 슬롯 제품의 강체 동역학 모델링 및 조인트 컨디션

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ANSYS Workbench를이용한해석강좌

접촉

접촉 역은 유연체 파트 사이에서만 적용 가능하다. 기존의 정적

해석에서의 접촉과 마찬가지로 현재 접촉되어 있지 않은 부위도 미

리 설정할 수 있으며, 마찰력을 포함한 비선형 접촉 또한 가능하다.

<표1>은접촉조건에따른방향별모델의거동에 해정리한것이다.

스프링

스프링은 파트와 파트 사이 혹은 파트와 그라운드 사이에 자유롭

게설정할수있다.

강체 동역학의 장점

강체 동역학 해석의 경우에는 모든 부품들이 강체로 연결되어 있

어, 운동에직접관여하는각파트들의연결부위인조인트의최소자

유도만 사용하여 선형 해석으로 계산을 하기 때문에 해석이 매우 빠

르고 강건하다. 또한 해석의 결과를 바로 애니메이션으로 확인할 수

있으며부품간의간섭을체크해볼수있다.

‘Worksheet’메뉴 탭에는 조인트의 구성과 상태 및 자유도의 종

류와개수를쉽게파악할수있도록표로정리되어있다.

이처럼 부품의 응력 발생이나 부품의 변형이 크지 않은 조립품의

동역학해석을하는데는시간, 비용, 컴퓨팅효율등을고려할때강

체동역학해석을하는것이더효율적인해석방법이될것이다.

유연체 동역학의 장점

유연체 동역학 해석은 조립 부품 중에서 모든 부품이 강체가 아니

라변형을일으킬수있는부품으로이루어진해석이다. 그렇기때문

에일반적으로구조해석에서적용하는모든경계조건설정이가능하

며, 접촉 조건까지도 적용이 가능하다. 즉, 일반적으로 우리가 알고

있는 비선형성이 포함된 과도해석을 강체와 섞어서 원하는 파트의

응력이나변형도알수있을뿐아니라전체적인운동메카니즘을확

인할수있는해석환경이다.

이 유연체 동역학을 이용하면 많은 파트로 구성된 제품의 상호 간

섭체크및원하는특정파트의응력및변형량의확인을빠르고효율

적으로할수있다. 그러면이러한강체동역학및유연체동역학으로

이루어진다물체동역학해석을직접ANSYS Workbench를이용하

여따라해보도록하겠다.

다물체 동역학 해석 따라하기

액추에이터(Actuator)를 ANSYS Workbench의 강체 동역학 기

능을이용하여기구학적해석을하고액추에이터의운동메카니즘을

확인한다.

모델불러오기

ANSYS Workbench는현재일반적으로사용되는 부분의범용

3D CAD 툴과 호환이 가능할 뿐만 아니라 ANSYS Workbench의

디자인모델러(DesignModeler)를 이용하여 모델링을 할 수도 있다.

따라서 디자인모델러를 이용하여 모델링 작업을 수행한 후

‘Project’탭을선택해ANSYS Workbench의해석환경인시뮬레이

션으로불러온다.

파트들의속성정의및조인트조건설정

강체동역학해석을하기위해서는가장먼저모델을불러온후각

부품들을 강체로 설정해 주어야 한다. ‘Geometry’탭에서 각 파트

들을 선택한 후 상세 보기에 있는‘Stiffness Behavior’를

Contact Type Normal Direction Separate Tangential Direction Slide

Bonded no no

No Separation no yes

Rough yes no

Frictionless yes yes

Frictional yes yes(when Ft≥μN)

표 1. 접촉 조건에 따른 방향 별 거동

▲ 조인트의 상태를 파악할 수 있는 워크시트

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nalysisA

‘Flexible’에서‘Rigid’로바꾸어준다.

다음으로는 자동으로 설정이 된 접

촉 조건을 모두 삭제한다. 강체 동역

학에서는 파트들간의 연결성을 접촉

조건이아닌조인트로주기때문이다.

그리고 이제 각 파트들 사이의 관계를 조인트 조건을 이용하여 부

여해준다. 제일 먼저 모델링되어 있지 않은 부위와의 관계를 정의하

여 주는‘Body-Ground’의‘Revolute’를 이용하여 디스크의 안쪽

면과그라운드의회전하는운동학적관계를정의한다.

이어서 디스크와 링크가 연결되어 있는 부위를 파트와 파트 사이

의 관계를 정의하여 주는‘Body-Body’의‘Revolute’를 이용하여

디스크의 링크가 연결되기 위해 돌출되어 있는 부분(Reference)과

링크의안쪽면(Mobile)을지정하고, 디스크와링크의운동학적관계

를정의한다.

링크와 액추에이터 역시 디스크와 링크의 Body-Body의

Revolute로 설정하여 주었던 것과 같이 Revolute 조인트를 이용하

여링크와액추에이터와의관계를정의하여준다.

다음으로는 그라운드에 고정되어 있는 가이드 파트에 부여해 준

다. 가이드의위쪽면을선택한후‘Body-Ground’의‘Fixed’를선

택하여 가이드는 고정되어 있음을 정의하여 준다. 그리고 이어서 가

이드의 안쪽 면과 액추에이터의 바깥쪽 면을 선택하여 가이드를 따

라이동하는액추에이터의관계를정의하여준다.

마지막으로 액추에이터의 끝에 또 다른 경계조건인 스프링을 연

결한다. 스프링 조건 역시 앞에서 언급한 바와 같이 Body-Ground

와Body-Body에서모두적용가능하다. 이번예제에서는그라운드

와 액추에이터의 끝면이 스프링에 연결되어 있는 효과를 나타낼 수

있는Body-Ground의스프링을적용시켜보겠다.

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ANSYS Workbench를이용한해석강좌

일단 액추에이터의 끝 면을 선택하여 Body-Ground의 스프링을

적용하여 스프링이 시작되는 지점을 설정한다. 조심해야 할 점은 스

프링의 길이는 최소한 0보다 커야 하므로‘Reference’에 있는

‘Coordinate’위치를조정하여스프링의길이가0보다길도록적당

히조절한다. 그리고스프링이갖고있는스프링계수와댐핑계수를

입력하여준다.

하중추가해석옵션설정및결과보기

모든파트들사이의운동학적정의가끝나게되면‘New Analysis’

아이콘을클릭하여강체동역학해석환경을추가하여준다.

‘Analysis Settings’탭에서‘Step End Time’을 조정하여 해석

을진행할시간을설정하고‘Rigid Dynamic’탭에서마우스오른쪽

버튼을 이용하여 디스크와 그라운드 사이에 적용하 던 Revolute

조인트조건에회전력을부여한다.

Revolute의 경우 Rotation, Rotational Velocity, Rotational

Acceleration, Moment와 같이 4가지 타입이 존재한다. 이번 예제

에서는 Rotational Acceleration를 이용하여 점점 빨라지며 회전하

는 효과를 구현시켜 보겠다. ‘Rotational Acceleration’을 선택한

후적당한각가속도값을입력하여준다.

마지막으로‘Solution’탭에서마우스오른쪽버튼을클릭하여보

고자 하는 결과 항목을 추가하여준 후‘Solve’버튼을 클릭한다. 해

석이끝나게되면‘Timeline’탭을클릭하여결과를애니메이션으로

확인할수있다.

유연체 동역학 해석의 경우에는 모델을 불러온 후 파트들에 속성

을 부여할 때 관심 있는 파트의‘Stiffness Behavior’를‘Flexible’

로설정하고그파트에한해서만메시작업을해주면나머지해석절

차는강체동역학해석과동일하다.

차이점이있다면Flexible로설정된파트가메시작업을통해유한

요소 모델이 된다는 점과 기존의 구조해석과 동일하게 경계조건 및

접촉조건을적용할수있다는점이다.

맺음말

지금까지 다물체 동역학에 한 간단한 소개 및 ANSYS

Workbench에서 다물체 동역학 해석 과정과 해석을 하는데 필요한

조건들에 해살펴보았다.

여러 개의 물체로 이루어진 공간상의 다물체계에 한 운동을 다

루는 다물체 동역학은 기존의 모든 파트를 유한요소법 기반으로 해

석하는 방법이 아닌 각 파트들이 조인트로 연결되어 상 적인 움직

임을 보이는 강체로 해석하거나, 유연 다물체 동역학의 경우처럼 일

부만탄성체가포함된시스템의동역학을다루는해석이다.

따라서 조인트로 연결된 물체의 위치, 속도, 가속도 등의 정보뿐

만 아니라 원하는 파트에서 발생하는 응력이나 변형 정도를 파악할

수있어기존의방법에비해유용하고효율적이다. 강체동역학해석

뿐만 아니라 유연 다물체 동역학 해석이 가능한 ANSYS

Workbench를 이용한다면 상황에 따라 효율적인 운동학적 설계가

가능할것이다.