제 2 장 ANSYS 를 이용한 유한요소해석 절차

제 2 장 ANSYS 를 이용한 유한요소 해석 절차 1

제 2 장

ANSYS 를 이용한 유한요소해석 절차


제 1 절

일반적인 해석절차


유한요소해석 (FEA; Finite Element Analysis) 이란 구조물내의

무한개의 미지수점을 절점 (node) 을 이용하여 유한개의 이산화된

위치로 나타내고 , 이들간에 서로 유기적 관계를 맺어 주는 요소

(element) 라는 블록을 이용하여 전체구조물이나 실제의 물리적

시스템 내의 임의의 점에서의 원하는 값을 수치적인 근사화를 통해

얻어내는 것을 말한다 .

유한요소해석의 정의


ANSYS 를 이용한 해석 절차

1. 유한요소 모델의 생성

– 기하 모델의 생성 또는 입력

– 재료성질의 정의

– 요소망 ( 절점 , 요소 ) 의 생성

2. 하중의 적용 및 해석

3. 결과의 출력 및 검증


해석절차와 주메뉴의 구성

1. Pre-processor >> 모델의 생성

3. Post-processor

>> 결과의 출력 및 검증

2. Solution (Solver) >> 하중의 적용 및 해석

ANSYS 의 주메뉴

앞에서 기술한 전반적인 해석절차와 마찬가지로 ANSYS 의 주메뉴도 크게 세 가지의 항목으로 구성되어 있다 .


제 2 절

각종 파일의 관리


작업명과 생성되는 파일들

ANSYS 는 해석을 수행하는 동안 여러 가지 파일들을 자동으로 생성하거나 기록한다 .

파일명은 “작업명 . 확장자 (jobname.ext)” 의 형태로 이루어지는데 , 작업명은 사용자가 정의하거나 기본적으로 내정되어 있는 이름이며 , 확장자는 그 파일의 형태와 속성을 의미하는 항상 정해진 이름이 사용된다 .

기본 내정된 작업명은 “file” 이다 .


ANSYS 의 파일 생성 규칙

데이터 파일

작업내용 기록파일 *

결과 파일 *

에러 파일 *

작업결과 파일 *

그래픽 파일

작업명 .db ( 작업명 .dbb)

작업명 .log

작업명 .rxx구조해석 - 작업명 .rst열해석 - 작업명 .rth유동해석 - 작업명 .rfl

작업명 .err

작업명 .out

작업명 .grph

임시 파일 *작업명 .tri 작업

명 .emat작업명 .full 작업

명 .esav작업명 .PCG작업

명 .osav

파일명내용 파일형식

Binary

ASCII

Binary

ASCII

ASCII

ASCII (Special)

Binary

* : 자동으로 생성 , 저장되는 파일


데이터 파일 저장하기

저장작업을 통해 메모리 속의 정보를 파일로 복사하게 되며 , 이는 현재의 모든 상태를 저장하게 된다 .

작업명과 다른 이름을 지정하여 저장한다 . 이 기능은 마이크로소프트사의 응용프로그램들의 표준메뉴 중의 하나인 “Save As…” 와 기능이 다름에 주의하여야 한다 . 즉 , 이 과정을 통해 현재의 작업명이 바뀌지 않는다 .

이미 정해져 있는 작업명으로 바로 저장된다 .


데이터 파일 불러오기

현재의 작업명과 다른 이름으로 저장되어 있는 파일로부터 데이터를 읽어들인다 .

불러오기 기능을 이용하여 파일로부터 모델 데이터를 메모리로 불러들이게 되는데 , 이 때 현재 메모리 내의 모든 데이터는 자동으로 삭제되고 , 읽어들이고자 하는 파일의 내용으로 대치된다 .

현재의 작업명으로 이루어진 파일을 즉시 불러온다 .


단축버튼을 이용한 저장과 불러오기

현재의 작업명과 동일한 파일로 저장하거나 불러오기를 할 때에는 단축버튼을 이용하여도 된다 .


파일을 다룰 때 유의할 사항들

이전에 작업한 내용을 우연히 덮어쓰게 되는 문제를 최소화하기 위하여 항상 다음 두가지 사항을 지키는 것이 좋다 .

1) 별도의 디렉토리를 작성하여 작업한다 .

2) ANSYS 를 구동시키기 전에 ‘ product launcher” 대화상자에서 작업명을 변경한다.

해석이 종료된 후 다음 파일들은 반드시 보존해 둔다 .

작업 도중 모델의 불리언 연산 , 요소망 생성 , 해석수행 등 복잡한 기능을 수행하기 전에 반드시 모델 데이터를 저장하여 둔다 . 만약 작업취소 (Undo) 기능을 원한다면 작업이 완료된 구간까지는 데이터를 저장한 뒤 나머지 다른 작업을 수행하고 다시 “Resume_db…” 기능을 이용하여 데이터 불러오기를 하면 작업취소 기능을 대신할 수 있다 .

1) 작업과정 기록파일 - 작업명 .log

2) 데이터 파일 - 작업명 .db

3) 결과 파일 - 작업명 .rst 또는 작업명 .rth


실습 1

단순 외팔보의 처짐 해석


이 문제에서는 ANSYS 를 이용한 유한요소해석 절차를 익히기 위하여 단순 외팔지지보를 해석해 보도록 한다 . 여기에서 얻고자 하는 것은 오른쪽 끝단 A점에서의 처짐을 구하는 것이다 . 해석을 수행한 후 수치계산에 의한 결과와 비교해 보자 .

P = 10 kNL = 6 mI = 40.993*10-6 m4

E = 210 GPaCross sectional area (A) = 0.0058 m2

H = 0.2 m

P

Point A

L

H

문제의 정의실습 1-1


1. ANSYS 의 구동프로그램 그룹에서 “product launcher” 를 선택하고 대화상자에서 작업명 (Jobname) 을 “beam” 으로 변경한 뒤 ANSYS 를 구동한다 .

2. 기하모델의 정의 *

1) 아래의 메뉴를 이용하여 두 점을 생성한다 .

Main Menu : Preprocessor

> -Modeling- Create > Keypoints

> In Active CS

*) 보를 모델링할 때 두 점을 연결하는 선으로 모델링하고 , 단면적과 높이 등은 요소 물성치 (Real Constants) 로 입력하게 된다.

작업 내용 개념 및 작업결과

해석과정실습 1-2


2) 점 번호 1 을 입력한다 .*

3) x,y,z 좌표값으로 0,0,0 을 입력한다 .

4) “Apply” 를 선택하여 왼쪽 끝점을 생성한다 .**

5) 점 번호 2 를 입력한다 .6) x,y,z 좌표값으로 6,0,0 을

입력한다 .7) “OK” 를 선택하여 작업을 종료한다 .8) 아래의 메뉴를 이용하여 두 점을

연결하는 하나의 선을 생성한다 .Main Menu : Preprocessor

> -Modeling- Create > -Lines- Lines > Straight Line

*) 번호를 입력하지 않아도 현재 사용하지 않는 번호 중 가장 낮은 번호가 자동적으로 부여된다 .

**) 1 장에서 기술한 바와 같이 “Apply” 버튼을 누르면 해당작업이 수행되고 대화상자는 그대로 화면에 남아 있게 된다 . 따라서 , 반복수행을 하고자 하는 경우 매우 유용하다 .

1 2


실습 1-3


9) 두 점을 선택한다 .10) “OK” 버튼을 선택하여 선을

생성한다 .

3. 모델데이터의 저장 *

Utility Menu : File > Save as Jobname.db

1 2

*) 작업명을 최초에 “beam” 으로 설정하였기 때문에 이 작업을 통하여 “beam.db” 파일이 생성되고 현재 메모리 내에 있는 내용이 저장된다 . 이 과정은 매우 중요한 과정으로 예기치 않은 실수로 인해 작업이 잘못 수행되었을 때 가장 최근에 저장된 내용을 다시 불러 들여 전단계를 복원할 수 있도록 해준다 .


실습 1-4



4. 우선권의 설정 *

Main Menu : Preferences ...1) 위 메뉴를 선택하여 대화상자를 연 다 .2) “Structural” 을 선택한다 .3) “OK” 버튼을 선택한다 .

*) “Preferences” 대화상자를 이용하여 해석하고자 하는 분야를 선택하여 그 분야에 해당하는 메뉴만을 화면에 나타내어 보다 편리하게 작업을 할 수 있다 . 예를 들어 “Structural” 을 선택한 경우 열해석 , 유동해석 , 전자기장해석 등 구조해석과 관련이 없는 메뉴는 흐리게 나타나 선택할 수 없도록 변경된다 .

실습 1-5



5. 해석에 사용될 요소의 선택Main Menu : Preprocessor

> Element Type > Add/Edit/Delete1) 위 메뉴를 선택하여 대화상자를 연 다 .2) “Add...” 버튼을 선택한다 .3) 왼쪽 요소 라이브러리에서

“Structural beam” 요소를 선택한다 .4) 오른쪽 요소목록에서 2D elastic

(beam) 을 선택한다 .5) “OK”, “Close” 버튼을 차례로 선택하여 요소종류의 선택을 종료한다 .

*) 어떤 해석을 하든지 요소 라이브러리로부터 해석에 사용될 요소를 선택하여 , 적절한 요소의 종류를 정의하여야 한다 . 요소의 종류를 결정함에 따라 해석하고자 하는 변위, 회전 , 온도 등의 자유도와 구조물이 2차원 또는 3 차원 공간상에 놓여 있는지가 결정된다 . 또한 , 많은 요소들이 요소의 거동양식 , 가정 , 결과의 출력 등의 추가적인 옵션을 설정할 수 있도록 해 주지만 여기에서는 요소의 종류는 2 차원 beam3 요소를 사용하고 기본옵션을 사용하도록 한다 .

실습 1-6



6. 요소물성치 (Real Constants) 의 정의 *

Main Menu : Preprocessor > Real Constants

1) 위 메뉴를 선택하여 대화상자를 연 다 .2) “Add...” 버튼을 선택한다 .3) 해석에 사용될 요소 목차에서

BEAM3 를 선택하고 “OK”버튼을 선택한다 .4) 면적 (Area) 에 0.0058 을 입력한다 .5) 관성모멘트 (Moment of Inertia)에 40.993E-6 을 입력한다 .6) 높이 (Height) 에 0.2 를 입력한다 .7) “OK”, “Close” 를 차례로 선택하여

요소물성치의 정의를 마친다 .

*) 절점의 위치만을 가지고 구조물을 완전히 표현할 수 없기 때문에 요소물성치를 정의하여 해석하는데 필요한 추가적인 구조물의 정보를 정의하여야 한다 . 일반적인 요소물성치들은 shell 요소의 두께 , beam 요소의 단면 속성 등이며 , 두가지 이상의 요소종류를 사용하는 경우 각각의 요소에 대한 요소물성치들이 정의되어야 한다 .

실습 1-7



7. 재료물성치 (Material Properties) 의 정의 *

Main Menu : Preprocessor > Material Props > material models

1) 위 메뉴를 선택하여 대화상자를 연다 .

2) 첫번째 재료의 물성치를 정의하기 위 하여 “ OK” 버튼을 선택한다 .3) 탄성계수 (EX) 에 210E9 를 입력한다 .

4) 푸아송비 (PRXY) 를 0.3 입력한다 .5) “OK”, “Close” 를 차례로 선택하여 재료물성치의 정의를 마친다 .

*) 재료의 물성치는 탄성계수 (Young’s modulus) , 밀도 등 기하학적 형상과는 무관한 구성성질을 나타낸다 . 재료의 물성치는 요소 행렬을 계산할 때 사용되며 , 요소의 종류와 짝지어질 필요는 없다 . 문제에서 요구하는 내용에 따라 재료물성치는 선형 , 비선형 또는 이방성의 성질 등을 가질 수 있으며 , 요소물성치와 마찬가지로 한 해석에서 여러 개의 재료 물성치를 정의하여 사용할 수 있다 .

이 문제에서는 한가지 재료만으로 이루어진 것으로 가정하고 재료 물성치를 입력하면 된다 .

8. 모델 데이터의 저장 - beamgeom.db**

Utility Menu : File > Save as …1) 파일명을 beamgeom.db 로 하여 또 하나의 모델 데이터 파일을 저장한다 .

**) 생성된 모델에 요소망을 생성하기 전에 요소망 생성 전의 완성된 기하 모델이라는 의미의 이름을 붙여 저장해 두면 이전 단계로 복귀한다든지 , 요소망을 다른 방법으로 생성한다든지 할 때 매우 편리하다 .

실습 1-8



9. 요소망의 생성Main Menu : Preprocessor

> Meshing>mesh tool1) 위 메뉴를 선택하여 요소망 생성 대화상자를 연다 .2) “Mesh” 버튼을 선택한다 .3) 그래픽 출력창에서 생성된 선을 선택한다 .4) “Close” 버튼을 선택하여 요소망 생성 대화상자를 닫는다 . *) 앞에서와 마찬가지로 요소망 생성이

완료되면 요소와 절점이 완성됐다는 의미의 파일명을 붙여 저장하여 둔다 .

현재까지 저장된 데이터 파일 1) beam.db2) beamgeom.db3) beammesh.db

10. 모델 데이터의 저장 - beammesh.db*

Utility Menu : File > Save as …1) 파일명을 beammesh.db 로 하여 또 하나의 모델 데이터 파일을 저장한다 .

실습 1-9



11. 구속조건의 적용Main Menu : Solution

> -Define Loads-Apply > -Structural-

Displacement > On Nodes

1) 가장 왼쪽의 절점을 선택한다 .2) 선택 대화상자에서 “OK” 버튼을 누르고 선택을 마친다 .3) 구속할 자유도 항목에서 All DOFs를 선택한다 . 4) 값은 입력하지 않고 기본값으로 둔

다 .

1 2

12. 하중의 적용Main Menu : Solution

> -Loads-Apply >

-Structural-Force/Moment > On Nodes

실습 1-10


1 2

1) 가장 오른쪽의 절점을 선택한다 .2) 선택 대화상자에서 “OK” 버튼을 누르고 선택을 마친다 .3) 적용할 하중 항목에서 FY 를 선택한다 . 4) 하중값은 -10,000 을 입력한다 .

(-) 부호는 -y 방향으로 하중이 작용함을 의미한다 .


13. 모델 데이터의 저장 - beamload.db*

Utility Menu : File > Save as …1) 파일명을 beamload.db 로 하여 또 하나의 모델 데이터 파일을 저장한다 .

*) 앞에서와 마찬가지로 하중의 적용까지 완료됐다는 의미의 파일명을 붙여 저장하여 둔다 .

현재까지 저장된 데이터 파일 1) beam.db2) beamgeom.db3) beammesh.db4) beamload.db

실습 1-11



14. 해석Main Menu : Solution

> -Solve-Current LS1) 현재까지 설정된 내용들을 확인하는 대화상자가 나타나면 “Close” 버튼을 누르고 해석을 시작한다 .2) 해석이 종료되어 “Solution is

done!” 이라는 메세지창이 나타나면 “OK” 버튼을 눌러 해석을 종료한다 .

이제 왼쪽 끝이 구속되어 있고 오른쪽 끝에 아래쪽으로 하중이 작용하는 보 모델의 해석이 완료되었다 . 이 문제의 경우 모델의 크기가 매우 작기 때문에 어떠한 해석기 (Solver) 를 사용하더라도 기본으로 지정되어 있는 Frontal해석기를 이용하여 해석한 결과와 같은 결과를 얻을 수 있다 .

실습 1-12



15. 결과의 출력Main Menu : General Postproc

> Plot Results > Deformed Shape1) 하중 작용 후 변형된 형상을 출력한다 .2) 출력옵션 중 “deformed and

undeformed” 를 선택하여 변형 전의 형상과 변형 후의 형상을 동시에 출력하도록 한다 .

그래픽 출력 창의 오른쪽에 표시되는 범례 중 “DMX” 가 최대 변위량을 나타내는데 해석에 의해 계산된 변위량과 보의 탄성이론식을 이용하여 계산된 값을 비교해 보자 . 외팔보의 처짐은 다음 식으로 구할 수 있다 . ya = (PL3)/(3EI) = 0.0836379 m

실습 1-13


아래 그림과 같이 놓여 있는 W360*122 I형 보의 최대 처짐을 ANSYS를 이용하여 계산해 보자 . 단면 속성값들과 재료의 물성치는 아래와 같다 .

P = 100 kNI = 40.993*10-6 m4

A = 15.5*10-3 m2

H = 0.363 mE = 200 GPa

연습문제 - 1

P

10 m

5 m


계산결과연습문제 - 1

DMX = 0.254

EI

PLy

48

3

max 0.254 m


아래 그림과 같이 놓여 있는 W360*122 I형 보의 최대 처짐을 ANSYS를 이용하여 계산해 보자 . 단면 속성값들과 재료의 물성치는 아래와 같다 .

P = 100 kNI = 40.993*10-6 m4

A = 15.5*10-3 m2

H = 0.363 mE = 200 GPa

연습문제 - 2

P

10 m

5 m0.2 m


계산결과연습문제 - 2

DMX = 1.389

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제 2 장 ANSYS 를 이용한 유한요소해석 절차