150∙C 2007/2

Analysis

Silent block은 자동차나 철도 차량 등 작동부를 포함하는 구조에

서 어느 한 부품에 발생한 진동이 다른 부품으로 전달되는 것을 차단

하기 위해 설치하는, 고무 재질의 진동 차단용 블록이다. 고무 재질은

재료비선형 해석분야이며, Silent Block의 Rubber 부분과 닿는

Top/Bottom부의 접촉도 비선형 접촉으로 해석을 수행하여야 한다.

ANSYS Workbench는 이러한 고도의 비선형 해석도 쉽게 구현할 수

있다.

이번 호에서는 Silent Block 조립품에 Tool Top부를 강제 변위로

눌러, Rubber의 구 변형 및 응력 수직 방향 힘과 변위 관계 그래프

를그려본다.

모델 불러오기

Ansys Workbench는 부분의 범용 3D CAD와 Plug-in 방식을

지원하고 있다. CAD 설치 후 ANSYS Workbench를 설치하게 되면

CAD의 메뉴바에‘ANSYS 10.0’이 자동으로 메뉴로 구성이 된다. 따

라서 ANSYS Workbench를 띄우지 않고, 바로 CAD에서 작업 중인

모델을해석으로Open시켜해석작업시모델을다시한번확인해야

한다거나 하는 번거로움이 없다. 또한 CAD 툴에서 공통 확장자로 쓰

이는파일들은CAD 없이Open할수있다.

불러 올 파일은‘Silent_block.x_t’의 파라솔리드 파일로, 해석 환

경인Simulation으로불러오도록한다.

모델을 부른 후 가장 먼저 하는 것이 단위 설정이다. 불러온 모델에

하여 앞으로 부여할 하중이나 구속

조건 등의 단위를 설정한다.

Workbench는 자동으로 치수 변환

을 시켜준다. 만약 변위를 20mm로

부여를 했는데, 센티미터로 바꾸게

되면자동으로2cm로변환된다.

Analysis

Silent Block의비선형접촉해석

Ansys Workbench를이용한해석성공사례

Ansys Workbench 환경에서는 해석 전문가뿐만 아니라 설계

자들도 쉽게 유한 요소 해석을 구현할 수 있다. 이번 호에서는

Ansys Workbench 환경에서의 비선형 접촉 해석 및 재료 비

선형 해석 사례를 소개하고자 한다.

Ansys 총판을 담당하고 있는 태성에스엔이에서 Ansys Workbench

기술지원담당및컨설팅엔지니어로근무하고있다.

E-Mail │ jooah@tsne.co.kr

홈페이지│ http://www.tsne.co.kr

조주형

2007/2C∙151

물성치 정의

ANSYS 한국 총판‘태성에스엔이(http://www.tsne.co.kr)’는

5000여 개 의 물 성 치 데 이 터 를 구 비 하 고 있 으 며

http://www.matweb.com 사이트에서 57,000여 가지의 물성 데이

터가 ANSYS 데이터로 자동 저장되므로, 사용자는 물성치에 한 고

민을줄일수있다.

각 단품마다 다른물성치를적용할 수 있으며, middle부는 Rubber

를, Top과 Bottom은 Structure Steel을 입력한다. 물성치 입력창은

Default로 선형해석(구조, 열, 전자기장, 피로 등)에 관해 입력하도록

되어 있으며, Engineering Data 탭에서 세부 물성치 값에 해 추가

및삭제를할수있다.

재료비선형 해석을 수행할 것이므로, Rubber의 비선형 재료 물성

치 값을 입력한다. Engineering Data 탭을 선택하고 Add를 눌러

Yeoh 3rd order 옵션을 선택한다. Material Constant C10 Mpa :

0.49671, Material Constant C20 Mpa : 2.5948, Material

Constant C30 Mpa : -1.6706 값을 입력한다. 값에 따라 자동으로

그래프가 그려짐을 볼 수 있다. Engineering Data 탭에서 재료 비선

형 물성치를 정의하면 ANSYS Workbench는 자동으로 재료 비선형

효과를적용하여해석을수행할수있다.

접촉 정의

ANSYS Workbench는 조립품 모델을 불러오면 자동으로 파트와

파트 사이에 접촉을 정의한다. 다음 모델도 Assembly 모델이므로 자

동으로 접촉이 생성되었다. 자동으로 생성된 두 개의 접촉 조건을 지

우고, 접촉 탭 아래의‘Detail of Contact’에서 Tolerance Value를

4mm로 설정한다. 접촉 탭을 선택 후 마우스 우클릭해서‘Create

Automatic Contact’를 선택한다. 이는 접촉 간격이 보통 0~0.5mm

안에 들어와 생기는 자동 접촉을 삭제, 접촉이 4mm안에 들어오도록

설정하고, 자동으로Contact들을찾아낸것이다.

RubberStructure Steel

새로이 생성된 Contact들을 Shift 키를 눌러 다중 선택하여, 접촉

타입을 Frictional로 설정한다. Frictional은 Separation도 발생하

고, Sliding도 되는 접촉 타입으로 마찰 계수 값을 가지고 조정하는

옵션이다. ‘Friction Coefficient’를 0.2로 설정한다. Update

Stiffness는‘Each Substep’으로설정한다.

메시 사이즈 설정

ANSYS Workbench는 Sweep된 Body의 경우 자동 육면체 메시

를 생성하며, 사용자가 원하는 곳의 요소 크기를 설정하여 메시할 수

있다.

특히 비선형 접촉 해석의 경우 메시의 형상 및 크기가 수렴에 중요

한 역할을 한다. 접촉면에서의 메시 형상이 균일하지 않으면 해석 시

수렴하지않고발산하는경우가생길수있다.

ANSYS Workbench는Midnode를갖는2차요소를Default로이

용한다. 따라서 각 Element의 중간지점에서 한 번 더 계산을 해 주므

로해석결과의해가정확하다.

ANSYS Workbench는 형상에 해 전체적으로 메시 사이즈를 조

절하거나, 국부적인 부분만(선, 면, 바디) 선택하여 원하는 부분만 메

시 사이즈를 조절할 수 있다. 먼저 전체 형상을 컨트롤하는데 메시 탭

의 아래 Detail of Mesh에서‘Advanced’로 설정하고 Element Size

를 6mm로 준다. Solid Element Order는‘Low’로 설정하여

Midnode가없이메시를하도록한다.

Mesh 탭에서‘Rubber’파트를 선택하고 마우스 우클릭, Insert >

Sizing을 선택한다. element size는 3.4mm를 입력한다. ANSYS

Workbench는선택한파트만요소를다르게나눌수있다.

‘Rubber’파트를 좀더 세 하게 메시하기 위해 바탕 화면 선택 후

마우스 우클릭, ‘Suppress All Other Bodies’를 눌러 나머지 파트들

은보이지않는상태로만들어준다.

아래 녹색으로 보이는 면들을 선택하고 마우스 우클릭, Insert >

‘Sizing’을선택하여1.5mm를입력한다.

아래 화살표로 표시된 선을 선택하여 위에서 부여한 메시 옵션과

같이 Sizing을 주고, Type을‘Number of Divisions’로 선택하여 10

을준다. 선택한선을10등분하여메시하라는명령이다.

마우스우클릭후‘Invert Suppressed Body Set’을선택한다.

아래에 연두색으로 보이는 12개의 Edge를 Sizing으로, Element

Size를2mm로설정한다.

아래 연두색으로 보이는 8개의 Edge에 Sizing 옵션을 주고, Type

을‘Number of Divisions’로 선택하고 값은 2를 주어 2등분한다.

Edge Behavior는‘Hard’로설정한다.

전체 바디들을 선택하고 마우스 우클릭 후‘Unsuppress All

Bodies’를선택하여, 숨겨졌던바디들을전부나타나게한다.

152∙C 2007/2

Analysis

선택

2007/2C∙153

Ansys Workbench를이용한해석성공사례

맨 위쪽 바디의 두 Edge를 선택하고‘Sizing’옵션을 준 후,

Element size를 6mm로 설정한다. Edge Behavior 옵션은‘Hard’

로설정한다.

Rubber 모델을 선택하고 마우스 우클릭, Insert > ‘Commands’

를선택한다.

재질이 고무이므로 일반 요소로 메시 시에 수렴이 안될 수 있기 때

문에, U-P 포뮬레이션을 이용하여 메시를 할 수 있도록 명령어를 입

력한다.

하중 및 경계 조건

Ansys Workbench에서는 다단계 하중 조건을 적용할 수 있다. 이

문제에서도Plug를6단계로나누어서강제변위를적용하 다.

ANSYS Workbench에서는 칭 모델의 경우 전체 모델의 1/2,

1/4만 가지고도 실제 해석 결과와 같은 결과를 얻어낼 수 있으며, 이

는 해석 시간을 줄이는 데에 매우 효과적이라 할 수 있다. 아래 Silent

Block도 1/2 모델로 전체 바디를 해석하는 것과 같은 효과를 주기 위

해 칭되는 3면을 선택하고, ‘Frictionless support’조건을 부여한

다. 이는 선택한 면에 수직 방향의 자유도를 자동으로 구속시켜 주는

조건으로 3D Structural Solid Element의 경우 UX, UY, UZ 에

한병진자유도를가진다. 따라서 칭경계조건은면에수직방향자

유도만고정시켜주면된다.

하판인Tool Bot 모델의바닥면에는‘Fixed Support’조건을부여

한다.

상판인Tool Top 모델에하중조건을부여하는데, Load Step을나

누어 변위를 준다. ‘Displacement’라는 강제 변위 조건을 Tool Top

모델의 윗면을 선택하여 주고 Context Toolbar의 Load Step 부분에

3을 입력하여 3번 X,Y,Z 변위를 입력할 수 있는 환경을 만든다. 작업

창의 하단에 각 스텝별 변위를 입력하는 창이 나타나면 1Step :

(0,0,0), 2Step : (0,-1,0), 3Step : (3,-1,0)의값을입력한다.

KEYOPT,matid,6,1

(U-P) formulation

- 변위 적용 시 -

<1st Step>

<2st Step>

<3st Step>

Environment 항목을 선택하고 마우스 우클릭, Insert >

Commands를 선택한다. 현재 변위 적용시 각 Load Step의 하중마

다 4번으로 나누어 부여를 하고 수렴을 시키고, 수렴이 안 된다면 6번

으로, 수렴이잘된다면2번으로나누어하중을부여하여수렴을시키

도록 명령을 부여한다. 이는 재질의 특성상 수렴이 안 되고 발산하는

것을방지하고자설정하는명령이다.

솔루션 옵션 설정

Solution의 상세 정보 창에서는 여러 가지 옵션을 설정할 수 있다.

Large Deflection을 ON하게 되면 기하 비선형 해석을 수행한다. 또

한 Substep을 Manual하게 입력할 수 있다. 최 Substep은 600으

로 정의하고, 초기 Substep은 25로 정의하 다. Ansys에서는 비선

형 해석에서 해를 수렴시키기 위해 Newton-Raphson 법을 이용한

반복 해석을 수행하는데, 각 구간마다 수렴이 되면 자동으로 다음 구

간으로 넘어간다. 또 하나의 Load Step에서 최 600 개까지

Substep을 나눌 수 있다. 비선형 해석 시 이 Substep의 수를 늘려 수

렴성을향상시킬수있다.

Solver Type을 설정할 수 있는데, Direct로 하게 되면 정확한 해의

결과를얻을수있다.

해석 실행

해석준비가완료되면Solve 아이콘을클릭한다.

해석 진행 과정

Ansys Workbench에서는 해석 진행 과정을 Text창으로 확인할

수 있다. Solution Information이라는 항목을 추가하면, 해석 진행

과정에 한정보와, 수렴그래프를볼수있다.

만약, 해석 진행 과정에 에러가 발생한다면, Solution Information

항목에서에러내용에관한상세한정보를확인할수있다.

Solution Output 항목을 Solver Output 항목으로 설정하면, 해석

진행 과정을 Text로 확인할 수 있는데, 다음 그림에서는 각 Load

Step의 몇 번째 Substep에서 몇 번의 Iteration을 수행하여 수렴되

었다는정보를보여주고있다.

이 내용을 그래프로 보려면, Solution Output 항목을 Force

Convergence로설정하면, 수렴되어가는과정이그래프로보여진다.

154∙C 2007/2

Analysis

2007/2C∙155

Ansys Workbench를이용한해석성공사례

해석 결과 확인

각 결과 항목을 선택하여 Load Step 별 Equivalent Stress,

Deformation (Total, Directional), Contact를 확인할 수 있으며,

0~430N까지 하중을 주었을 때까지는 변위가 발생하지 않다가, 그

후부터발생하는것을확인할수있다.

Post Process 확장

Ansys Workbench에서 지원되지 않는 기능은 Ansys Classic 명

령어를이용하여사용할수있다. Displacement와Force의그래프를

보기위하여간단한Command를이용하여결과를확인하 다.

Equivalent Stress

Y축 Deformation

Contact Status

Contact Pressure

X축 Deformation 1