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자동차 휠은 자동차의 전체 중량을 분담하여 지지하고 구름에 의한 구동력 또는

제동시의 제동력, 노면에서의 충격, 선회시의 원심력 및 자동차가 기울 때에 작용

하는 힘을 충분히 지지하며 또 가벼워야 한다. 형 트럭에 장착되는 휠은 디스크

휠로강판을프레스성형한디스크에림을용접하여결합된구조물이다.

이번 호에서는 이 디스크 휠이 자동차 코너링시 받는 하중에 하여 구조해석을

수행하고, 휠의경량화를위해최적화해석을수행한사례를소개한다.

A nalysis

Ansys Workbench를 이용한

선형 구조 해석 성공 사례

- 트럭용 휠의 설계 최적화

Ansys의새로운통합솔루션�

Ansys Workbench 환경에서는 해석 전문가뿐만 아니라 설계자들도 쉽게 유한요소 해석을 구현할 수 있다. 이번 호에서는 Ansys

Workbench 환경에서의 선형구조해석 및 최적화 해석사례를 소개하고자 한다.

ANSYS 제품의 총판을 담당하고 있는 태성에스엔이에서 Ansys

Workbench 기술지원담당및컨설팅엔지니어로근무하고있다.

E-Mail ┃ hyj@tsne.co.kr

허유정

■연재순서■

제1회Ansys Workbench 소개

제2회Ansys Workbench를이용한선형구조해석성공사례

제3회Ansys Workbench를이용한비선형접촉해석성공사례

제4회Ansys Workbench를이용한열-구조연성해석성공사례

제5회Ansys Workbench를이용한피로해석성공사례

제6회Ansys Workbench를이용한전자기장해석성공사례

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Ansys의새로운통합솔루션�

모델 불러오기

Ansys Workbench는 Inventor 10에서 모델링을 하고 플러그인

방식으로 확장자의 변환 없이 직접 모델을 불러들일 수 있다. 3D

CAD 화면에 Ansys 아이콘이 링크가 되어 아이콘을 클릭하면 모델이

바로Ansys 해석환경으로넘어간다.

Multi Body Part로 만들기

Ansys Workbench는 자체 모델러를 내장하고 있어, 3D CAD에서

모델링한 모델을 적합한 유한 요소 해석 모델로 변환할 수도 있고, 필

요한파트를생성또는제거할수도있다.

휠을 모델링 환경에서 볼트와 너트 등을 그룹으로 묶어 Multi

Body Part로만들어작업의효율성을 높인다.

Bolt와Nut들을선택한뒤Form New Part를선택한다.

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 저장되므로 사용자는

물성치에 한고민을줄일수있다.

형 트럭에 장착되는 휠의 경우 Steel 휠이므로 물성치를

Structural Steel로 설정한다. Ansys Workbench에서는 기본적인

물성치로 Structural Steel이 정의되어 있다. 엔지니어링 데이터 항

목에서물성치에 한값들을확인할수있다.

접촉 정의

Ansys Workbench는조립품모델을불러오면자동으로파트와파

트 사이에 접촉을 정의한다. 휠의 경우 볼트와 디스크 사이 접촉 타입

을 Friction으로 정의하고, 마찰 계수를 0.3으로 입력하 다.

Frictional 조건은 마찰력을 고려한 접촉 해석을 할 수 있는 비선형

접촉조건이다. 나머지부분은Bonded 조건을적용한다.

이 휠 모델은 Multi Body Part이기 때문에 파트와 파트 사이만 접

촉이 정의되고 볼트와 너트같이 Multi Body로 정의된 Body들은 서

로절점을공유하므로접촉이정의되지않는다. 따라서불필요한접촉

요소가 생성되지 않아 많은 접촉 요소들 때문에 해석 시간이 오래 걸

리는것을방지할수있다.

메시 사이즈 설정

Ansys Workbench는Sweep된Body의경우자동육면체메시를생

성하며, 사용자가원하는곳의요소크기를설정하여메시할수있다.

전체 휠 모델에서 관심 역인 디스크의 메시 사이즈를 0.25 in로

설정하고, 디스크 홀 면은 Refinement를 이용하여 기존 메시 보다

더 조 한 메시를 생성하 다. 볼트와 너트는 Multi Body Part이므

로절점을공유한다.

하중 및 구속 조건

Ansys Workbench는 Pretention Bolt Load를 적용할 수 있다.

또한다단계하중을적용하여해석할수있다.

Load Step을 2단계로 나누어 첫 번째 Load Step에서는 볼트의 체

결력을 적용하고 두 번째 Load Step에서는 자동차의 코너링 시 걸리

는하중을적용한다.

구속 조건은 휠의 Rim 끝 단을 고정한다. Environment에 탭을 클

릭하고, Steps란에2를입력한다.

10개의 Bolt의 실린더 면에 Pre Bolt Load 5000 lbf 적용한다. 두

번째 Load는 Lock으로 설정하면 첫 번째 Load Step에만 하중이 적

용되고Prestress 상태에서다음하중이적용된다.

Adapter 안쪽 면

을선택하고, Remote

Force를적용한다.

축의 센터 위치에

서 3055 lbf를 두 번

째 Load Step에 적

용한다.

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Rim 끝단을선택하고Fixed Support를삽입한다.

해석 실행

해석준비가완료되면Solve 아이콘을클릭한다.

결과 검토

전체 휠에 걸리는 등가응력은 볼트 부분에 최 응력이 걸리며, 실

제 이 값은 의미가 없기 때문에 무시하고, 관심 역인 디스크에서의

응력을확인한다.

최적 설계 시 관심 상은 디스크이므로 디스크 면에서의 응력은

201 Mpa이다.

디스크 면의 홀 주변 탄성 변형률은 0.968 e-3이다. 이 값은 최적

설계의응답파라미터로설정할것이다.

최 변위는0.4 mm이다.

변수 설정

최적화 해석을 수행하기 위해 변수를 설정한다. 체크 박스를 클릭

하면P가생기고이값들은파라미터로정의된다.

설계 파라미터는 디스크의 두께, 높이, 넓이이고, 응답 파라미터는

디스크의무게와디스크홀주변탄성변형률이다.

DesignXploer

DesignXploer는최적화해석모듈로Simulation에서설정한파라

미터를가지고최적의설계치수를찾을 수있다.

Project로 탭을 이동한 뒤 New DesignXploer Design of

Experiments 탭을 클릭하면 실험계획법을 이용한 최적화 해석을 수

행할수있다.

설계 변수 범위 설정

각각의설계변수의허용변화율은10%로설정되어있다.

해석 실행

실험계획법으로찾은각각의설계포인트들에서해석을수행한다.

Response Curve

해석이끝나면응답곡선을볼수있다.

디스크의 무게와 각각의 설계 치수와의 관계 및 변형율과의 관계를

3차원그래프로확인할수있다.

민감도 결과

설계 파라미터 응답 파라미터들의 민감도 결과를 도표로 확인할

수있다.

디스크 질량에 가장 민감한 변수는 디스크 두께인 것을 알 수 있고,

또디스크두께가증가하면디스크무게도증가하고반 로홀의높이

및넓이가증가하면무게가감소하는것도도표를통해알수있다.

탄성변형률에가장민감한변수도디스크두께이다.

최적 설계 결과

Ansys Workbench는원하는목적을입력하면그에알맞은치수를

찾아준다.

이휠의최적설계목적은무게를최소화하면서탄성변형률은1e-3

을넘지않는최적의치수를찾는것이다.

가장 적합한 3가지 설계안을 보여주고 있으며, B의 경우 무게는 최

소이지만, 변형률이허용값을넘기때문에A 안을선택한다.

맺음말

Ansys Workbench는 일반 구조 해석뿐만 아니라, 최적화 해석도

쉽게구현할수있는강력한유한요소해석통합솔루션이다.

이번호에서는Ansys Workbench를이용하여 형트럭에장착되

는 디스크 휠의 경량화를 위해 최적화 해석을 수행하 으며, 최적 설

계의목적은무게를최소화시키면서강성을유지할수있는최적의휠

설계안을찾는것이다.

다음 표와 같이 초기 설계에서 보다 디스크 무게를 1.4 lbf 감소시

킬수있었다.

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초기설계 최적설계

디스크 두께 0.45 in 0.43 in

홀 넓이 2.5 in 2.3 in

홀 높이 2 in 1.8

디스크 무게 36.7 lbf 35.3 lbf