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Simplorer와 Mechanical Rigid Body Dynamics의연동해석및 ROM과의연동해석소개

ANSYS Japan

기술부

윤치문


개 요

• ANSYS Mechanical제품은, 멀티도메인 대응 시스템시뮬레이터 ANSYS Simplorer와 함께함으로서 시스템 레벨의해석이 가능합니다.

• 본 세션에서는 Simplorer와 Mechanical Reduced Order Model(ROM)을 연계한 해석 사례, 강체운동모델과의 연계 해석사례를 소개해 드리겠습니다.

• 발표 내용– 멀티도메인 해석이란?

– ROM해석

– Co-Simulation


멀티도메인 해석이란?• Simplorer에 의한 시스템 해석의 개요


현재의시스템

디지털화컴퓨터화네트웍화


각설계부문의고립화

열유동 구조 전자기 소프트웨어

각전문분야에특정• 툴• 공정• 전문기술


Systems

시스템의 역할: 각 전문 설계 부문의 통합

열유동 구조 전자기 소프트웨어

시스템


ANSYS환경의 장점

모델 베이스 시스템 엔지니어링

모델 구동형내장 소프트 개발 각 콤포넌트의 가상 프로토타입

시스템 전체의 가상 프로토타입고정도 시뮬레이션

SCADE System

SCADE Suite/Display

Simplorer

ANSYS 3D 모델(CAE)

CAE해석 ROMReduced Order Modeling기술


Systems

기능 설계에서 구조 설계까지의 솔루션

제어 (논리)형상 (물리)

Maxwell Circuit Editor

HFSS SI/RF Option

C언어

물리 현상을바르게 이해(3-D 형상에유한요소법을적용)

물리현상을현명하게 이용하기위한 약속

전체적정설계

개별설계차수저감모델링기술

형상과 제어간을 연결하는시스템”전체”의 가상 설계

Simplorer Entry


Simplorer: 멀티 도메인 대응 시스템 시뮬레이터

시스템 가상 설계용 툴복잡한소프트웨어에의해제어되는멀티도메인시스템

을모델링하여해석

3-D해석이 필요한 경우의 대응정확한시스템검증이필요한경우에는, 차수저감모델(ROM)과 3-

D툴과의연계해석에의해물리현상을표현

전자기 분야 기능 강화고성능전자기분야와전기기기를위해설계된풍부한기능과라이브러리

시뮬레이션 베이스의 시험고성능해석툴과강력한결과처리에의한설계공정을통해시스템검증과성능최적화


Simplorer: 다양한모델표현기능


물리적인 실시간 시스템시뮬레이션

시스템 해석 정확도 향상을위한 3-D효과 등의물리현상을 포함

시스템에 내장된단일 콤포넌트의

물리적 정확도 검증

시스템 해석과 3D모델과의 융합

단일 콤포넌트 검증 전체적인 시스템 해석 실시간 내장 제어 해석


Reduced Order

Model Creation

3rd Party

Interoperability

Embedded Software

IntegrationCo-simulation

with 3D Physics

ANSYS 3D Physics

MechEM ThermalFluid

Multi-Domain Model

Libraries

Language-Based

Modeling

VHDL-AMSC/C++SPICESML

Modelica

ANSYS SCADE

SimulinkC Code

3rd Party SystemModeling toolsAnalog

Digital

Multi-Domain

App-Specific

Power Systems

Manufacturers

3D 연성 방법: 2개의 솔루션


Simplorer가 제공하는 ROM과 Co-simulation기능

Reduced Order Models

Electro-Magnetics-Maxwell Eddy-Maxwell ECE-Maxwell Inductance-Maxwell Capacitance

Electronics-Q3D/Q2D-SIwave-HFSS

Thermal Effects-ICEPAK (LTI)-Fluent (LTI)

Mechanical Effects-ANSYS Mechanical

Controls and Embedded-SCADE Suite and Display-Simulink and RTW-MathCAD

Physics Tools-Maxwell-Rigid Dynamics-Fluent

Co-simulation Links


ROM 해석


Reduced Order Model이란?

일반적 정의:

연립상미분방정식(일반적인 FEM등으로부터)의 고차원공간을 해석 시간 단축 및 보다 복잡한 대규모 모델 해석을위해 저차원으로 변환한 모델

ROM

• 계산 시간이 많이 걸리는 대규모 모델의 고속 처리가 가능• 차원을 낮추고 근사치를 사용함으로서 정확도에 한계가 있음• ROM생성시에 CPU, 라이선스를 사용하나, 일단 생성되면 고속처리가가능

• ROM은 모델에 따라, 통상 1개의 설계에 두 개 이상의 ROM을 필요로

함


• 선형(線形)을가정• 다양한물리모델에대응: 구조, 전열, 전자기, 유동• ANSYS 제품의활용

ROM에의한물리모델


Mechanical ROM

f1 f2 fn f1 f2 f3

+ + + ...

k1 k2 k3

M1 M2 Mn

K1 K2 Kn

C1 C2 Cnc1

m1

c2

m2

c3

m3+ + +

3

2

1

3

2

1

33

22

11

3

2

1

33

22

11

3

2

1

33

22

11

00

00

00

00

00

00

00

00

00

f

f

f

x

x

x

k

k

k

x

x

x

c

c

c

x

x

x

m

m

m

3

2

1

3

2

1

333231

232221

131211

3

2

1

333231

232221

131211

3

2

1

333231

232221

131211

F

F

F

X

X

X

KKK

KKK

KKK

X

X

X

CCC

CCC

CCC

X

X

X

MMM

MMM

MMM

모델

주파수 응답

운동방정식

고정확도, 고 계산 코스트 선형을 가정, 효율적

Mechanical ROM은 Modal법에 기초를 둠• 고유치 해석으로 Modal 변수를 유출• 선형성을 가정

Full Method Modal Method


각 제품의 ROM대응: 장점과 제한 사항

툴 적용 장점 제한사항ElectromagneticsMaxwell Machine design, EMI/EMC Conservative, Multiple

links, Lookup table based (so can be modestly non-linear)

More non-linearity

Q3D/Q2D EMI/EMC (Conducted, LF) Robust and fast, Conservative

Linear (does not support non-linear material)

HFSS/SIwave EMI/EMC (Radiated, PCB, Large Structures, Antennas)

Conservative, Push back possible

Linear (does not support non-linear material)

Thermal EffectsIcepak Electronics cooling Conservative, Icepak file

generation is automaticLinear

Fluent Battery cooling Conservative Linear, no automation for input file generation

MechanicalANSYS Mechanical 미소변위(微小変位), 진동

(Modal법)Conservative모델 GUI에서의자동화, 선형

해석


HDD Head의 위치 제어와 진동 해석

• ANSYS Mechanical 고유치 해석으로 구조체의 고유치와 고유 모드를 계산

• 상태 공간 모델을 ROM화하여 텍스트 화일(.spm)로 출력

• Simplorer의 제어 회로에 Mechanical ROM을 연결

Yt

ref erence_position

coil_uy h_sup_uy

GAIN

GAIN3

5

I

INTG1

0.0001

D

DIFF1

4

SUM2SUM3

0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00Time [ms]

-0.000

0.001

0.002

0.000

0.001

0.002

-0.60

0.40

Curve Info

-MechanicalData1.h_inf_uyTR

reference_position.VALTR

SUM2.VALTR

…

ROM

縮退モデル

제어PID제어 회로HDD의 진동 모드 해석 모델

시스템

ROM 해석 사례


ROM 생성: Mechanical 고유치해석

Mechanical의 ROM은 고유치해석에서의 모드 정보를 이용

• ROM으로 변환하고 싶은 모델의 고유치해석을 실시

– ROM으로서 필요한 고유 모드가 계산되었나?

– 구속 조건은 타당한가?

拘束面


ROM 생성 순서

①Force입력점은 Remote Point를 생성하여 사용

• 명명 규칙: Input(Output)_****_DOF（***은 Simplorer에서 PIN명이 됨）

• 관측점에서는 Vertex의 Named Selection을이용가능

②변수 ExportToSimplorer를 1로 설정

③상태 공간 모델(Modal정보) 작성 매크로 이용

②변수 ExportToSimplorer의 설정

①Remote Point 생성

③

①

②



ROM 생성 순서④고유치해석실행• 추가한 Remote Point가고유치, 모드형상에영향을주지않았나확인

모드1: 휨 1차

모드3: 휨 2차

모드5: 휨 3차



ROM 생성 순서⑤상태 공간 모델의 확인• Solver File Directory에 상태 공간 모델(spm화일)이 만들어짐

file.spm용량이 작은 텍스트 화일



ROM해석: Simplorer에 읽어들임

Sub Circuit > Add Mechanical Component• Simplorer에 ROM을 추가• 다른 Mechanical과 결합

고정 상하방향만변형

Mechanical ROM（상태 공간 모델）


Simplorer & ROM - 주파수응답해석 -

캔틸레버의주파수응답해석・Mechanical만으로도해석가능한모델로비교

①부품을배치하여회로를구성• Force Source와가변저항으로구성• Force Source의설정으로서, Magnitude=1N

② AC해석설정• 새로 AC해석조건을추가하여, 1Hz ～ 100kHz의계산을설정

Force Source Properties

Force Source

가변저항

ROM


해석설정개시주파수 Fstart 1Hz

종료주파수 Fend 100kHz

간격 Fstep 100 [개] ③AC해석결과

m1 : DC 1[N]인가시의휨이론치：0.03126[mm]해석결과：0.0307[mm]

m2～m4 각모드의고유주파수



④고유진동수의결과확인

모드１

모드３

모드５

A

EI

L

kk

2

고유진동수

Mechanical의고유진동수결과 597.0k

494.1k

500.2k

이론치 ANSYSMechanical

Simplorer

모드１ 651.9 658.4 660.7

모드３ 4085.7 4093.4 4073.8

모드５ 11441.3 11345.6 11481.5

Simplorer에서는마커를이용해유출한값이기때문에계산샘플링간격이영향을줄수있다는점에주의할필요가있음



캔틸레버의 Transient Structural・Simplorer에 Force를입력했을때의응답해석

① Force Source의설정을사다리꼴파형입력으로변경

② TR계산조건을설정하여해석실행

AMPL = 1 N RiseTime=20msFallTime = 20msPulseWidth= 40ms

해석설정종료시각 Tend 40 ms

최소간격 Hmin 10 μs

최대간격 Hmax 1 ms

Force Source

Time [ms]

Forc

e [N

]

20 40

1.0

Simplorer & ROM - Transient Structural -


③ TR해석결과

0.0307[mm] 를중심으로진폭 0.9[μm]로진동주기 = 1.605ms로, f= 623Hz의모드1이중첩되어있음을알수있습니다.






s

s

G

c

c

s

1.01

11

][600 Hzc

ー

캔틸레버의 Transient Structural・위치제어(PI)에의확장

• Transient Structural해석에서얻어진 1[N]부하시에0.03[mm]의휨의관계로부터적절한 KP를설정

• 즉응성과오버슛의관계로부터 KI를설정



Simplorer & ROM - 위치제어(PI)에의확장 -

위치제어(PI) 해석결과




• 0.0307[mm] 을중심으로진폭0.9[μm]으로진동• 주기 = 1.605ms에서, f= 623Hz의모드1이중첩됨을알수있음


Simplorer & ROM - 위치제어(PI)에의확장 -

캔틸레버의 Transient Structural해석・위치제어(PI)로목표위치를가변하기위해서는？⇨CONST블록을사용하지않고파형참조하면됨

Tools/TimeFunctions/TRAPEZAMPL = 30e-6RiseTime = 1msFallTime = 1msPulseWidth = 60msDelay = 1ms





Simplorer & ROM - 보충자료 -

Simplorer는기본적인구조해석용콤포넌트를보유하고있어,

Mechanical ROM과결합한구조모델을구축가능

스프링・포인트매스를Mechanical에서설정한모델

스프링・포인트매스를Simplorer에서연결한모델

양쪽모두같은결과가얻어짐을확인할수있음


Simplorer & ROM - 보충자료 -

ROM모델의특성은생성시의고유모드에근거하고있으며, 사용시에고정조건을변경하면안됨

예: 자유진동모드자유진동모드에서계산된 Mechanical모델을 Simplorer에서위치고정 (GND)한

결과는정확하지않다

Input_tt1_uy Input_tt2_uy

モード７

モード８

• Simplorer에서단자위치를고정해도, 캔틸레버보가될수는없음• 해석된모드에의한상태공간모델을이용하기때문에외부회로의구축에는주의!


Co-Simulation


Co-simulation이란?

Co-Simulation(연성 해석)이란, 하나의 문제에 대해, 둘이상의 툴(solver)을 동시에 연결하여 행하는 해석을 말함

특징:

• 둘 이상의 해석 툴에 의한 Co-Simulation에서는, 각각의 툴은문제의 각 영역에 대해서만 해석

• 각 툴간의 경계 조건과 같은 데이터를 교환하여, 시간 스텝의동기(同期)가 이루어짐

• 통상, 하나의 매스터 툴(보통은 Simplorer)과 하나 이상의슬레이브툴이 존재함


Co-Simulation의 장단점

장점– 설정 및 사용법이 간단

• 콤포넌트 레벨의 모델을 시스템모델에 재이용 가능

• Mechanical – Simplorer의 연성 해석에서는, 입출력의 Pin을 설정하면 됨

– 관련된 모든 툴에서 포스트 처리가 가능

• 콤포넌트 레벨의 포스트 처리

단점

– 시스템 레벨에서 각 툴이 해석에 관계하기 때문에, 퍼포먼스 저하, 수렴 곤란등이 발생할 수 있음

• 동기(同期)는 각 시간 스텝에서 이루어지기 때문에, 고주파수에서의저에에 영향을 받기 쉽다(짧은 ⊿t에서의 동기가 필요)

– 원일 해결이 곤란할 경우도 있음


Simplorer에서의 Co-simulation

툴 적용분야 장점 제한3D툴

Fluent Cooling applications Non-linear, reuses parameters, multicore and remote machines supported

Loose coupling only, no Linux, non-conservative

Rigid Body Dynamics 구조해석3D효과강체와탄성체

고속편리한포스트처리

Non-conservative모델

Maxwell Machine electromagnetics

Conservative, accurate Accuracy-performance tradeoff, no iterations

제어툴

SCADE Suite and Display Hardware-Software co-design

Uses FMU technology, easy setup, debug

Simulink Hardware-Software co-design

설정이간단 Matlab setup can be tricky

인터페이스: 장점과 제한사항• 구조 해석에서는 Rigid Body Dynamics(RBD)가 Co-Simulation에 대응


어셈블리모델을 구성하는 부품간에 기구(메커니즘)나 동력을정의하여, 그 자유도의 제한에 의거하여 모델을 움직이게하거나부품간에 작용하는 반력등의 역학 계산을 하는 해석

• 각 부품은 기본적으로는 강체(질점)로 다루어짐

• 일부 부품은 강성 매트릭스를 중첩된 탄성체로 모델화가능(R17.0신기능인 CMS기술)

Rigid Body Dynamics란?

Bonded Contact

Revolute Joint

Prismatic Joint

ShoulderJoint

WristJoint

Condensed Part

Interface/Master

B1 B2B3

B4

B7B6

B7

B11

B12

B13

B10

B5

B9

Bi Deformable Body


질점으로 표현되는 각 부품은 Joint로 결합

• Body-Body, Body-Ground의 결합 타입


구면 조인트

병진 조인트고정DOF: UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ

원통 조인트고정DOF: UX, UY, ROTX, ROTY

회전 조인트고정DOF: UX, UY, UZ, ROTX,

ROTY

유니버설 조인트고정DOF: UX, UY, UZ, ROTY

슬롯 조인트고정DOF: UY, UZ

평면 조인트부싱 조인트

주로 사용되는 Joint


Joint에서 각종 특성을 정의 가능

• 강성, 감쇄

• 마찰력

• STOP매커니즘

• 기타


STOP매커니즘（SLOT 조인트）

비선형강성・감쇄정의히스테리시스특성을갖는마찰력


RBD에 탄성체를 포함시키는 방법

CMS (Component Mode Synthesis)법• Generation Pass: 파트별로 매트릭스를 축약• Use Pass: 축약된 매트릭스를 이용하여 어셈블리 해석• Expansion Pass: 계산 후에 축약 파트의 변형, 응력 등의 결과를 생성

Use Pass

새로운 CMS법의특징• 각 Pass의 조작을 사용하기 쉬운 GUI로 자동화• 종래의 APDL에서의 CMS보다 최대 10-100배의 속도• 마스터 – 질점, 마스터 - DOF의 번잡한 설정이 불필요• 대회전 효과를 서포트

Generation Pass Expansion Pass


RBD 에 탄성체를 포함시키는 방법

Generation Pass• Condensed Part를지정• Detect Condensed Part Interface

• Generate Condensed Parts– ROM생성 해석실행

Use Pass• 특별한설정은불필요• 강체보디의경우와동일

Expansion Pass• Condensed Part마다결과생성을지정


RBD & Simplorer Co-Simulation연성 설정

ANSYS화면Simplorer화면



설정이 끝난 Joint에 대해 Simplorer와의 Pin을 작성• 입・출력 지정• 하중 타입: 회전각, 각속도, 각가속도, 모멘트등



Simplorer에 RBD Component를 추가• Pin에 입・출력을 설정• 아래 그림은 크랭크 축의 동작 확인 해석의 설정예


RBD & Simplorer Co-Simulation연성

검출각도 축각속도

RBD와의 입출력 지정

RBD출력⇨Simplorer입력: 피스톤의 힘, 토르크Simplorer출력⇨RBD입력: 회전, 회전각


• Simplorer와 Rigid Body Dynamics를 연성한 착륙장치의 제어

RBD & Simplorer Co-Simulation의 예

유압 회로 - 기구의 연성

착륙장치의 기구 해석 모델

유압 제어 회로 모델

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