제 2 장 ANSYS 를 이용한 유한요소해석 절차

1. 제 2 장ANSYS를 이용한 유한요소해석 절차

2. 제 1 절 일반적인 해석절차

3. 유한요소해석의 정의 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.

4. ANSYS를 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

5. 해석절차와 주메뉴의 구성 앞에서 기술한 전반적인 해석절차와 마찬가지로 ANSYS의 주메뉴도 크게 세 가지의 항목으로 구성되어 있다. ANSYS의 주메뉴 1. Pre-processor >> 모델의 생성 2. Solution (Solver) >> 하중의 적용 및 해석 3. Post-processor >> 결과의 출력 및 검증

6. 제 2 절각종 파일의 관리

7. 작업명과 생성되는 파일들 • ANSYS는 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.

8. 내용 파일명 파일형식 데이터 파일 작업명.db (작업명.dbb) Binary 작업내용 기록파일* 작업명.log ASCII 작업명.rxx 구조해석 - 작업명.rst 열해석 - 작업명.rth 유동해석 - 작업명.rfl 결과 파일* Binary 에러 파일* 작업명.err ASCII 작업결과 파일* 작업명.out ASCII 그래픽 파일 작업명.grph ASCII (Special) 작업명.tri 작업명.emat 작업명.full 작업명.esav 작업명.PCG 작업명.osav 임시 파일* Binary ANSYS의 파일 생성 규칙 * : 자동으로 생성, 저장되는 파일

9. 데이터 파일 저장하기 저장작업을 통해 메모리 속의 정보를 파일로 복사하게 되며, 이는 현재의 모든 상태를 저장하게 된다. 이미 정해져 있는 작업명으로 바로 저장된다. 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.

10. 데이터 파일 불러오기 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. 현재의 작업명과 다른 이름으로 저장되어 있는 파일로부터 데이터를 읽어들인다.

11. 단축버튼을 이용한 저장과 불러오기 현재의 작업명과 동일한 파일로 저장하거나 불러오기를 할 때에는 단축버튼을 이용하여도 된다.

12. 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) ANSYS를 구동시키기 전에 ‘product launcher”대화상자에서 작업명을 변경한다. • 해석이 종료된 후 다음 파일들은 반드시 보존해 둔다. 1) 작업과정 기록파일 - 작업명.log 2) 데이터 파일 - 작업명.db 3) 결과 파일 - 작업명.rst 또는 작업명.rth • 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.

13. 실습 1단순 외팔보의 처짐 해석

14. P Point A H L 실습 1-1 문제의 정의 이 문제에서는 ANSYS를 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 kN L = 6 m I = 40.993*10-6 m4 E = 210 GPa Cross sectional area (A) = 0.0058 m2 H = 0.2 m

15. 실습 1-2 해석과정 작업 내용 개념 및 작업결과 1. ANSYS의 구동 프로그램 그룹에서 “product launcher”를 선택하고 대화상자에서 작업명(Jobname)을 “beam”으로 변경한 뒤 ANSYS를 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.

16. 작업 내용 개념 및 작업결과 2 1 실습 1-3 *) 번호를 입력하지 않아도 현재 사용하지 않는 번호 중 가장 낮은 번호가 자동적으로 부여된다. **) 1장에서 기술한 바와 같이 “Apply”버튼을 누르면 해당작업이 수행되고 대화상자는 그대로 화면에 남아 있게 된다. 따라서, 반복수행을 하고자 하는 경우 매우 유용하다. 2) 점 번호 1을 입력한다.* 3) x,y,z좌표값으로 0,0,0을 입력한다. 4) “Apply”를 선택하여 왼쪽 끝점을 생성한다.** 5) 점 번호 2를 입력한다. 6) x,y,z좌표값으로 6,0,0을 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

17. 작업 내용 개념 및 작업결과 2 1 실습 1-4 9) 두 점을 선택한다. 10) “OK”버튼을 선택하여 선을 생성한다. 3. 모델데이터의 저장* Utility Menu : File > Save as Jobname.db *) 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.

18. 작업 내용 개념 및 작업결과 실습 1-5 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.

19. 작업 내용 개념 및 작업결과 실습 1-6 5. 해석에 사용될 요소의 선택 Main Menu : Preprocessor > Element Type > Add/Edit/Delete 1) 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 3차원 공간상에 놓여 있는지가 결정된다. 또한, 많은 요소들이 요소의 거동양식, 가정, 결과의 출력 등의 추가적인 옵션을 설정할 수 있도록 해 주지만 여기에서는 요소의 종류는 2차원 beam3 요소를 사용하고 기본옵션을 사용하도록 한다.

20. 작업 내용 개념 및 작업결과 실습 1-7 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 BEAM3를 선택하고 “OK”버튼을 선택한다. 4) 면적(Area)에 0.0058을 입력한다. 5) 관성모멘트(Moment of Inertia)에 40.993E-6을 입력한다. 6) 높이(Height)에 0.2를 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 shell요소의 두께, beam요소의 단면 속성 등이며, 두가지 이상의 요소종류를 사용하는 경우 각각의 요소에 대한 요소물성치들이 정의되어야 한다.

21. 실습 1-8 작업 내용 개념 및 작업결과 7. 재료물성치(Material Properties)의 정의* Main Menu : Preprocessor > Material Props > material models 1) 위 메뉴를 선택하여 대화상자를 연 다. 2) 첫번째 재료의 물성치를 정의하기 위 하여 “OK”버튼을 선택한다. 3) 탄성계수(EX)에 210E9를 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.db로 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.

22. 작업 내용 개념 및 작업결과 실습 1-9 9. 요소망의 생성 Main Menu : Preprocessor > Meshing>mesh tool 1) 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.db 2) beamgeom.db 3) beammesh.db 10. 모델 데이터의 저장 - beammesh.db* Utility Menu : File > Save as … 1) 파일명을 beammesh.db로 하여 또 하나의 모델 데이터 파일을 저장한다.

23. 2 1 실습 1-10 작업 내용 개념 및 작업결과 11. 구속조건의 적용 Main 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. 12. 하중의 적용 Main Menu : Solution > -Loads-Apply > -Structural-Force/Moment > On Nodes

24. 작업 내용 개념 및 작업결과 2 1 실습 1-11 1) 가장 오른쪽의 절점을 선택한다. 2) 선택 대화상자에서 “OK”버튼을 누르고 선택을 마친다. 3) 적용할 하중 항목에서 FY를 선택한다. 4) 하중값은 -10,000을 입력한다. (-)부호는 -y방향으로 하중이 작용함을 의미한다. *) 앞에서와 마찬가지로 하중의 적용까지 완료됐다는 의미의 파일명을 붙여 저장하여 둔다. 현재까지 저장된 데이터 파일 1) beam.db 2) beamgeom.db 3) beammesh.db 4) beamload.db 13. 모델 데이터의 저장 - beamload.db* Utility Menu : File > Save as … 1) 파일명을 beamload.db로 하여 또 하나의 모델 데이터 파일을 저장한다.

25. 작업 내용 개념 및 작업결과 실습 1-12 14. 해석 Main Menu : Solution > -Solve-Current LS 1) 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.

26. 작업 내용 개념 및 작업결과 실습 1-13 15. 결과의 출력 Main Menu : General Postproc > Plot Results > Deformed Shape 1) 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

27. P 5 m 10 m 연습문제 - 1 아래 그림과 같이 놓여 있는 W360*122 I형 보의 최대 처짐을 ANSYS를 이용하여 계산해 보자. 단면 속성값들과 재료의 물성치는 아래와 같다. P = 100 kN I = 40.993*10-6 m4 A = 15.5*10-3 m2 H = 0.363 m E = 200 GPa

28. 계산결과 연습문제 - 1 DMX = 0.254 0.254 m

29. 연습문제 - 2 아래 그림과 같이 놓여 있는 W360*122 I형 보의 최대 처짐을 ANSYS를 이용하여 계산해 보자. 단면 속성값들과 재료의 물성치는 아래와 같다. P P = 100 kN I = 40.993*10-6 m4 A = 15.5*10-3 m2 H = 0.363 m E = 200 GPa 0.2 m 5 m 10 m

30. 계산결과 연습문제 - 2 DMX = 1.389