ansys
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146∙C 2007/4
ANSYS사는 ANSYS Workbench를 통하여 다양한 해석 소프트
웨어를 하나의 플랫폼에서 구현이 가능하도록 만들었다. 현재
ANSYS Workbench 내에서 통합된 기능은 구조∙기구학∙열∙전
자기장해석(Design Simulation, Autodyn), 유동 해석(CFX), 전
문격자생성(AI*Environment, ICEM CFD, CFX-Mesh), 해석용
모델링(Design Modeler), 최적화(Design Xplorer), 유한요소형식
변경(Fe-Modeler)등이며, 사용자는 ANSYS Workbench 안에서
각 프로그램들에서 나온 결과값(온도, 변위, 압력, 형상치수, 요소
등)을 서로 주고받을 수 있다.
ANSYS에서는각물리계에서구한결과가다른물리계에 향을주는
상호작용을고려하기위하여
직접연성요소나 멀티필드요
소기법을꾸준히발전시켜왔
으며, 현재는ANSYS Classic
뿐만 아니라 Workbench 환
경내에서도해당기법의사용
이가능하다.
<그림 2�4>는 ANSYS의 MFX 기능을 이용한 연성해석 예의 일부
이다. 연성해석에 있어서 물리계의 제약은 없으며, 다음의 <표 1>에서
처럼수많은제품의해석이가능하다.
일반적으로 연성해석은 단방향 연성해석과 양방향 연성해석으로 나
뉜다. 단방향 연성해석은 A라는 물리계의 결과가 B의 물리계에는 큰
향을 주지만 B 물리계의 결과는 A 물리계에 별다른 향을 주지 못
할때주로사용된다. 예를들어어떤구조물이발열현상으로뜨거워지
면 이의 향으로 구조물은 변형이 되지만, 이 구조물의 변형이 발열
및 온도분포의 변화에는 큰 향을 주지 못할 때 사용할 수 있다. 반면
에양방향연성해석이란여러개의물리계가서로중요한인자값을주
자동차에어댐에 한유체-구조연성해석
ANSYS Workbench를이용한해석성공사례
ANSYS Workbench 환경에서는 해석 전문가뿐만 아니라 설계자
들도 쉽게 유체-구조 연성 해석을 구현할 수 있다. 이번 호에서는
ANSYS Workbench 환경에서의 유체-구조 연성 해석 사례 및
방법을 소개한다.
ANSYS 총판을담당하고있는태성에스엔이에서ANSYS Workbench
기술지원담당및컨설팅엔지니어로근무하고있다.
E-Mail │ [email protected]
홈페이지│ http://www.tsne.co.kr
윤진환
Analysis
물리계연성 해석시에 주고 받을 수 있는 항목
주기 받기
유동해석 열속, 압력, 온도 변위, 속도, 온도, 발열량, 힘
열해석 온도, 열속 온도, 열속, 발열량, 변위
구조해석 변위, 속도 힘, 온도
자장해석 힘, 발열량 온도, 변위
전장해석 힘, 발열량 온도, 변위
고주파전자장해석 발열량 온도, 변위
그림 1. 다양한 해석분야의 통합
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고받을때사용된다. 예를들어바람이불때깃발이펄럭이는현상, 전
기장비에 있어서 재료 물성치가 온도 의존적이어서 열 유동 해석과 깊
은관계를가지고있을때등을들수있다.
이번 호에서는 자동차가 시속 100마일의 속도로 달리는 조건에서
트럭 상단의 에어댐(Air Dam)이 받는 압력과 유체의 흐름 등을
ANSYS Workbench 내의 열유동해석 전문툴인 ANSYS CFX를 이
용하여 계산하고, 이 값을 ANSYS Workbench Design Simulation
의 구조하중으로 전달하여 구조물에서 발생하는 응력과 변위를 파악
하는 예를 다루고자 한다. 이 때 유체의 압력으로 발생한 구조물의 변
형이 유체의 경로를 바꿀 만큼 크지 않다고 가정하여 단방향 연성해
석을 수행하 다. 사용자는 CAD 상의 모델 치수를 변수를 변경하여
에어댐의 각도에 따른 유동 및 구조의 결과 값이 자동으로 변하는 것
을 볼 수 있으며, 모든 해석은 ANSYS Workbench 환경 내에서
GUI(Graphic User Interface)를 통하여 손쉽게 진행된다.
해석모델
<그림 5>에서와 같이 트럭 상단에 부착된 에어댐은 트럭이 달릴 때
발생하는공기의저항을줄여서자동차의연비향상에도움을주는역
할을하는장치이다.
모델불러오기
ANSYS Workbench는 부분의 범용 3D CAD에 플러그인 방식
을 지원하고 있다. CAD를 설치한 다음 ANSYS Workbench를 설치
하게 되면 CAD의 메뉴바에‘ANSYS10.0’의 아이콘이 자동으로 생
성된다. 따라서 ANSYS Workbench를 별도로 실행하지 않고 작업
중인 CAD 모델을 직접 해석 모델로 가져올 수 있다. 또한 CAD 툴에
서공통확장자로쓰이는파일들은CAD 설치없이열수있다.
유동-구조연성해석모델은<그림6>에서와같은모양의에어댐이
며, 여러개의파트로구성된조립품이다.
그림 2. 유체 슬러싱과 구조물의 과도 양방향 연성해석
그림 3. Ultrasonic Transducer의 피에조 구조, 유체, 음향 과도 양방향 연성해석
그림 4. Thermoelectic MEMS Device의 열전, 연소, 구조 과도 양방향 해석
Thermoelectric
Elements
Catalyst
Fluid
표 1. 연성해석 적용 가능 분야
Coupled Physics Applications
Thermal-Structural 구조를 가진 모든 것, 가스 터빈
Pressure-Structural(Inviscid FSI) 음향, 소나, SAW
Piezoelectric 마이크로폰, 센서
Piezoresistive 압력 센서, 변형 게이지, 가속도계
Thermal-electric 온도 센서, 열 관리
Circuit coupled electromagnetics 모터, MEMS
Electrostatic-Structural MEMS
Electro-thermal-structural-magnetic IC, PCB electro-thermal 응력, MEMS actuators
Fluid-thermal 파이핑 네트워크, 메니폴더
Electromagnetic-thermal
Electromagnetic-thermal-structural유도가열, RF 가열
Electrostatic-Structural
Electrostatic-Structural-Fluidic마이크로시스템 테크놀로지(MEMS)
Electrostatic-Charged particle 이온 광학, FED 테크놀로지, 분석용 기기
Magnetic-Structural 솔레노이드, 전자기 기계
항공우주, 자동차 연료, 유압 시스템,
Fluid-Solid MEMS 유체 댐핑, 드러그 딜리버리 펌프,
심장 판막
Electromagnetic-Solid-Fluid 유체 핸들링 시스템, EFI, 유압 시스템
Thermal-CFD 일렉트로닉스 냉각
Multi-field Solver 위의 분야 부분에 적용 가능
Sigfit : Unidirectional, Structural-Optical 자동차 라이트, 천문학, 광학기기
그림 5. 해석 부분
그림 6. 모델 및 ANSYS 메뉴바(솔리드웍스)
ANSYS Workbench를이용한해석성공사례
에어댐 부분
유동해석(유동공간생성)
유동공간의생성을위해서솔리드웍스안에생성된ANSYS10.0 아
이콘의‘Design Modeler’버튼을 누른다. Design Modeler는 3D
CAD 모델을 해석에 접합하도록 수정, 추가 보완 및 재모델링하는 프
로그램으로서 역설정, 축 칭 모델로 변환, 솔리드를 쉘로 변환, 빔
요소 생성, 용접부 정의, 어셈블리 파트를 하나의 파트로 통합하는 등
해석에유용한다양한기능을가지고있다.
Design Modeler에서CAD 모델을부를때가장먼저하는것이단
위 설정이다. 불러온 모델에 하여 앞으로 부여할 하중이나 구속 조
건 등의 단위를 설정한다. Workbench는 자동으로 치수변환을 시켜
준다. 만약 3D CAD에서 길이를 100mm로 부여했는데, 센티미터로
바꾸게되면10cm로자동변환된다.
해석에 들어가기 전에, 해석의 결과에 향을 주지 않는 불필요한
부분을 해석에서 제외하여 격자생성과 해석의 속도를 높이는 작업을
하는것이좋다. 본문제에있어볼트와너트의형상이유동의해석결
과에 향을 주지 않는다고 판단하여 Design Modeler의 Suppress
기능을이용해볼트와너트를비활성화시켰다.
또한 볼트를 끼우는 홀은 Design Modeler의 Face Delete 기능을
이용하여 메웠으며 Form New Part 기능을 이용하여 어셈블리들을
단품으로 전환시켰다. 해당과정은 몇 번의 마우스 클릭으로 손쉽게
이루어지며, 트리 구조로 남아있어 언제든지 편집이 가능하다.
유동 해석을 위해서는 유체가 흐르는 공간을 생성하는 작업이 필요하
다. Design Modeler에서는Enclosure라는기능을제공한다. 유동공간을
정의할 형상을 큰 덩어리나 특정 형상으로 지정하면 솔리드 부분과 유체
역을자동으로분할하여준다. 솔리드이외의외부공간이필요한전자
기장해석이나유동해석, 음향해석등에사용할수있는편리한기능이다.
유동해석(유동격자생성)
유동격자는 ANSYS CFX에 디폴트로 포함된 CFX-MESH를 이용
하 다. 앞선 Design Modeler에서의 편집 작업이 끝난 후
Workbench의 Project 탭으로 들어가면‘Generate CFX Mesh’라는
버튼이있으며, 이를클릭하면CFX Mesh로모델이이동하게된다.
CFX Mesh는 Workbench 상의 여러 소프트웨어와 마찬가지로 간
단한 트리 형식으로 이루어졌다. 사용자는 CFX Mesh를 이용하여 손
쉽게 유동 도메인의 설정, 이름 설정, 요소 품질 향상, 주기조건 격자,
Virtual Topology 등을수행할수있다.
특히유동해석에있어서솔리드와유체가만나는부분에는해석의정
도를위하여조 하고정형화된격자를넣는것이좋다. CFX Mesh에
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Analysis
그림 7. 단위설정 및 솔리드웍스 모델을 불러 온 모습
그림 8. 볼트, 너트의 Suppress, 구멍의 메움, 단품으로의 변환
그림 9. Enclosure 기능을 이용한 유동 공간 생성
그림 10. CFX Mesh로의 이동
그림 11. 경계조건을 위한 역의 이름 설정
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ANSYS Workbench를이용한해석성공사례
서는 특정 역을 클릭하고 Inflation 버튼을 누르면 해당 부분에 레이
어격자를사용자가지정한두께와층으로손쉽게만들어준다.
유동해석(유동조건설정)
ANSYS CFX는 하이엔드
급 유체해석 프로그램으로서,
기존 CFD해석 프로그램의
Segregated 솔버가 가진 해
석 시간과 수렴 안정성 등에
한 문제를 극복한 Coupled
Multigrid Solver를 사용하
므로해석성능이뛰어나다.
또한임의의모든형상에
한 아음속, 초음속, 천이 역
해석, 열유동 해석(강제 류,
자연 류 등), 내 외부 형상의
변형에 의한 유동, 화학반응,
다축프레임해석등의넓은해
석범위를가지고있다.
특히ANSYS와함께사용하면완벽한양방향FSI가지원되어, 현재까
지출시된상용툴중에서가장안정적이고쉬운FSI환경을제공하고있다.
CFX Mesh에서 격자 생성이 끝난 후 Project 탭으로 가서‘Create
CFD Simulation with Mesh’버튼을누른다.
유동조건에서 유동공간은 Air로 설정하고 난류모델은 K-e 모델을
선정하 으며 입구에서 초속 100마일의 바람이 불도록 설정하 다.
에어댐과 닿는 부분 이외의 면에서는 오프닝 조건을 주어, 유체가 상
황에따라왔다갔다할수있도록하 다.
유동해석(유동솔버실행)
해석에 한 세팅이 끝나고 솔버를 실행시키면 <그림 15>와 같은
그래프와함께해석중에일어나는다양한과정을보여주는창이활성
화된다. 사용자는임의의부분의특정값(속도, 유량, 온도, 압력등)뿐
만 아니라 함수를 지정하여 그 함수의 값이 어떻게 수렴되고 변해 가
는지에 해서도바로확인이가능하다.
<그림 15>에는 반복 해석에 따른 모멘텀의 수렴 곡선과 양력(Lift
Force)과항력(Drag Force)의수렴곡선을보여준다. 유동해석은22번
의반복해석(Iteration)만에끝났으며해석에소요된시간은약5분이다.
ANSYS CFX 사용자가 정확한 결과값을 얻을 수 있도록 몇 가지
중요한 방법을 도입하 는데, 가장 표적인 것으로는 일반 CFD 프
로그램과는다르게유한요소법의특징을반 한적분점도입이있다.
일반 CFD 프로그램이 사면체 격자에서 4면상의 적분점들을 이용
하는 반면에, CFX는 평균 60개의 표면 적분점을 이용한다. 이 때 노
드당높은정확도가단위노드당긴계산시간을뜻하지는않는다. 한
예로 CFX가 사용하는 Element Based 방법은 동일한 Volume
Filled 기법에 비해 같은 수의 격자에서 1/5에 해당하는 선형 방정식
만을계산한다.
한편 유동 해석은 서로 관련된 비선형 방정식을 풀게 되는데 이를
위해서 선형방정식을 도입하게 된다. 이러한 방식의 풀이법을 위해
많은 접근 방법이 있지만, ANSYS CFX는 Coupled Multigrid라는
기법을 이용한다. 이 기법은 CFX-TASCflow에서 시작한 것으로, 약
20년간의 발전 과정을 거쳐 CFX에서만 지원하는 표적인 선형방정
식 해법이다.
유동해석(결과보기)
해석에 한 계산이 끝나면 사용자가 원하는 결과값을 다양한 형식
(그림, 표, 수치, 동 상등)으로볼수있다.
그림 12. 손쉬운 레이어 격자 생성
그림 13. 유동 격자를 CFX로 가져갈 수 있다.
그림 14. 경계조건과 기타 유체 옵션의 설정
그림 15. 모멘텀 수렴곡선과 에어댐이 받는 Lift, Drag Force의 수렴곡선
<그림 17>의 왼쪽 창에서, 특정 부분(에어댐의 표면)에서의 동압
(Dynamic Pressure), 항력(Drag Force), 다운포스(Down Force),
항력계수, 다운포스계수 등이 계산된 테이블을 볼 수 있다. 항력은
80.031(N), 항력 계수는 0.555, 다운포스는 215.88(N), 다운포스계수
는 1.497임을 알 수 있다. 오른쪽 창에서는 에어댐의 Chord 경로에
따른압력계수를그래프로출력한것이다.
구조해석(모델불러오기)
유동해석이 완료되고 다시 Project 탭으로 가서 New Simulation 버
튼을누르면Design Simulation이실행된다.
구조 해석 모델은 각 파트가 독립적인 물성치를 지녀야 하고 볼트와
너트의토크체결력을고려하여야하므로, 모델을수정하지않고그 로
이용하 다.
물성치정의
ANSYS 한국총판 태성에스엔이(http://www.tsne.co.kr)에서는
ANSYS Workbench 포맷으로 된 5,000여 개의 물성치 데이터와 많
은 물성치 서적을 구비하고 있다. 또한 http://www.matweb.com
사이트에서 5만 7,000여 가지의 물성 데이터를 ANSYS 데이터로
자동 저장할 수 있으므로 사용자는 물성치에 한 고민을 줄일 수
있다.
본 구조에서 볼트와 너트는 스테인레스이며, 다른 부위는 모두
AL2024이다.
구조해석(접촉설정)
Design Simulation은 조립품 모델을 불러오면 파트와 파트 사이
에자동으로접촉조건을정의한다. 너트와볼트는Bonded 조건을설
정하 으며, 볼트 면과 너트 면이 다른 판재와 닿는 부위는
Frictional 접촉 조건을 부여하여 미끄러짐이 발생할 수 있도록 하
다. 이때, 마찰계수의값은0.25로설정하 다.
구조해석(격자생성)
Design Simulation에서는 스윕 가능한 바디의 경우 자동 육면체 격
자를 생성하며 사용자가 원하는 곳의 요소 크기를 설정하여 격자를 생
성할 수 있다. 해당 해석은 구조 해석이므로 요소타입의 Mechanical,
Electromagnetic, CFX, Explicit 중에서 Mechanical 타입을 격자 생
성방식으로선택하 다. Mechanical 옵션은디폴트로중간절점을지
닌2차요소를이용하므로, 2차의형상함수를이용하여격자의수가적
더라도좀더높은해석품질을구현할수있다.
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Analysis
그림 16. 에어댐에 작용하는 압력과 유선에 한 동 상 출력
그림 17. 테이블과 그래프를 이용한 결과의 출력
그림 20. 접촉 역의 자동 정의와 체결부위의 마찰 조건 설정
그림 21. 기본 격자와 세부 컨트롤 메뉴바
그림 18. Design Simulation으로의 이동 그림19. 볼트, 너트및각파트를그 로해석에이용
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ANSYS Workbench를이용한해석성공사례
Design Simulation에서는 형상에 해 전체적으로 격자 크기를 조절
하거나, 국부적인부분만(선, 면, 바디, 접촉 역등) 선택하여원하는부
분만 격자 사이즈를 조절할 수 있다. 본 구조 해석에서는 아무런 세부 컨
트롤없이디폴트조건으로격자를나누었으며, 사용자가해의오차를줄
이고자 한다면 솔루션에서의 컨버전스 기능을 이용하여 오차가 큰 부위
의격자를Design Simulation이자동으로잘게나누면서해석을수행하
도록할수있다.
하중및경계조건
1/2 칭 모델로 가정하여 1/2 모델만 모사하 으므로 칭면에는
Frictionless Support 조건을부여하 으며에어댐이차량의루프와장착되
는아랫부분은완전고정이라가정하여Fixed Support 조건으로설정하 다.
한편 총 다섯 군데의 볼트 체결 부위가 있는데, 이 부분에는 특정한
토크가 가해지므로 장착 토크를 압축 축 하중으로 환산하여
Pretension Bolt Load를 적용하 다. 본 해석의 Bolt Load는 각 체
결부위당45000(N)이다.
Design Simulation에서 유동해석으로부터 계산된 압력을 구조 하중
으로 전달하는 방법은 매우 간단하다. Environment 항목에서
Pressure 항목을 추가하고 옵션을 CFX Results로 선택하면 유동결과
파일을 선택하라는 창이 뜨고, 앞서 유동 해석한 결과의 파일을 선택하
면 하중을 입힐 면을 선택하라는 창이 뜬다. 이 곳에서 원하는 부분을 체
크해 주면 압력하중의 부가는 완료된다. 만약 유동해석에서 계산된 솔리
드의 온도 분포를 구조물에 가지고 와서 열응력 해석을 할 경우에도
Temperature의 세부 항목을 CFX Results로 지정하면 손쉽게 온도분
포를구조물에입힐수있다.
Design Simulation에서는 유동에서 구한 압력 하중이 구조물에 제
로부여되었는지판단할수있도록ANSYS CFX에서의압력분포와
구조물에 전달된 후의 압력 분포를 그림 및 수치적인 %로 보여 준다.
본 해석에서는 압력이 99%의 정확도로 그 양이 보존되면서 전달된 것
을볼수있다.
해석결과검토
해석 실행 후 응력 분포와 변위에 한 값을 확인한다. 최 응력은
에어댐의 조인트 부분에서 약 45.1MPa이 발생하 으며, 최 변위는
에어댐의센터부분에서약6mm임을알수있다.
결론
ANSYS Workbench 내에서 유동-구조의 한 방향 연성해석을 이
용하여자동차에어댐의성능특성과구조응답결과를구하 다. 연성
해석은 상호 격자가 다르더라도 ANSYS의 하중전달 기법에 의하여
전체량과 응답값을 보존하면서 효율적으로 이루어지며, 해당 과정은
2�3번의마우스클릭으로완료된다.
경우에 따라서 양방향 연성해석이 반드시 필요한 경우에도 사용자
는 Workbench 내에서 Design Simulation과 ANSYS CFX를 이용
하여 쉽게 구현할 수 있다. 양방향 연성 해석에 한 접근 방법 및 해
당사례들은추후의연재에서다루기로한다.
그림 22. 각 면의 경계 조건과 볼트에서의 체결력 부여
그림 23. 유동해석에의 압력을 구조 하중으로 전달
그림 24. 압력 전달에 한 그림 및 수치적 데이터 정보 제공
그림 25. 풍압에 의한 구조 응력 및 변위 결과
그림 26. 손쉬운 유체-구조 연성해석