anzine_2013_01_vol_25.pdf

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해양 플랜트 특집

ANSYS 고급 유저를 위한 CAE 전문 매거진 Vol.252013 Issue 1

● 해양구조물 풍하중 해석

● 해양구조물 파장하중 해석

● Irregular wave 구현

제너럴 모터스(GM)의

급속 충전 배터리 개발

Workbench에서 HPC

Parametric Pack의 활용

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세미나 일시 2013. 04. 11(목) ~ 12(금)

세미나 장소 대명리조트 변산

참가등록 온라인 사전등록 (http://www.tsne.co.kr)

등록마감 2013. 04. 03(수)

참가비 11만원 (부가세 포함)

[문의처] 마케팅팀 고경화 대리 (02-2117-0033 / [email protected])

제 6회 원자력 분야

ANSYS및 CFX, FLUENT 활용 세미나

ANSYS 활용 기술 발전과 국내 CAE 기술 성장에 많은 노력을 기울이는 ㈜태성에스엔이의 "원자력 분야 ANSYS

및 CFX, FLUENT 활용 세미나"가 올해로 제 6회를 맞이하게 되었습니다. 원자력 산업계의 전문가들을 모시고, 이

분야에서 적용되고 있는 ANSYS, CFX, FLUENT를 이용한 다양한 해석 및 연구 적용 사례에 대해 아이디어를 나누

고 서로 교류할 수 있는 좋은 자리를 준비하려 합니다. 동종 분야에서 연구 중이신 많은 분들에게 소중한 시간이

될 “원자력 분야 ANSYS 및 CFX, FLUENT 활용 세미나”에 고객 여러분들의 많은 참여 부탁드립니다.

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30,000 discrete optimization

60,000 constraints

120,000 manufacturing constraints

S t e e

l v o l u m e

Generation

대형 최적화 문제를 위한 최고의 SOLUTION

ANSYS Workbench와 완전히 통합된 환경

ANSYS Workbench 내의 모든 설계 변수 제어

중요변수를 자동 선별하여 최적의 반응표면 도출

다양한 최적화 알고리즘 제공

TEXT 파일을 통하여, 어떠한 해석 프로그램과도 연동 가능

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Create Analysis System

Attach Geometry

Meshing

Solve

1

2

3

6

Review Result7

All processes of acoustic analysis—from

analysis data management in the

project page to actual analysis

operation in the mechanical page—can

be performed under the standard

interface of ANSYS Workbench.

WAONSolver

Workbench가 제공하는 모든

기능을 이용하여 Model의 생성 및

수정,격자 설정

Analysis System에서 드래그-드랍 하거나 더블클릭

음향해석을 위한 기본 설정을 Detail

View창에서 한번에 처리

Set Analysis4

Toolbar버튼을 이용하여 경계조건 항목을 쉽게 입력할 수 있고,해당

영역을 마우스나 Named Selection을

이용하여 적용

5 Define Load

WB의 Post기능을 이용하여 다양한 항목과

형태로 결과 출력

(contour display, vector display,

intersection display, mouse position

display, path display, graph in

chronological order, animation, etc.)

Kinematic Wave 방정식과 Fast Multiple Boundary Element Method (FMBEM)를 이용하는 음향 해석 프로그램인 WAON이 ANSYS Workbech와 결합되었습니다.

ANSYS Workbench의 진동해석 결과를 바로 사용 할 수 있으며, Workbech Mechanical과 동일한 GUI와 작업순서를

제공하여 ANSYS사용자들이 매우 쉽게 사용할 수 있습니다.

WAON 솔버는 ANSYS Workbench와 완전 통합되어, 타 음향해석 툴의 경우에 필요했던 파일의 변환이나 전송, 명령

어 입력과 같은 복잡한 작업이 필요없습니다.

ANSYS Workbench and WAON Connected at Native Level

전처리부터 후처리까지의 모든 과정이 Workbench의 통합 GUI에서 이루어짐

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CONTENTS

업체탐방

4 플랜트 분야 밸브 글로벌 제조업체를 지향하는 시퍼스파이프라인 / 최정균

특별기고

6 ANSYS FLUENT R14.5를 이용한 Degassing Boundary 해석 / 최봉수


8 ANSYS FLUENT를 이용한 해양 구조물 풍하중 해석 / 서진원

12 ANSYS FLUENT를 이용한 해양 구조물 파랑하중 해석 / 서진원

16 ANSYS FLUENT를 이용한 Irregular wave 구현 / 서진원

구축사례

19 삼성중공업의 ANSYS GPU Computing 시스템 구축 / 현석균

제품소개22 ANSYS HPC Parametric Pack의 개요 / 현석균

24 Workbench에서 HPC Parametric Pack의 활용 / 임성수

프로그램 분석

26 ANSYS Remote Solve Manager 활용 방법 / 박상철

30 ANSYS Icepak v14.5 Review / 송영배

34 ANSYS BladeModeler를 이용한 CAD 형상으로부터의 Blade 역설계 방법 / 이용갑

해석사례

40 ANSYS LS-DYNA를 이용한 Sloshing Damper Concept Design FSI 해석 사례 / 김두찬

43 이중튜브 인발해석 사례 / 장형진

46 UDF를 이용한 온도제어 해석 / 이재박

48 ASME Code에 의한 용접 부 피로 수명 평가 절차 / 신수철

51 System Coupling을 이용한 유체유발 진동해석 / 김태민

성공사례

54 제너럴 모터스(GM)의 급속 충전 배터리 개발 / 김욱현

58 스포츠와 ANSYS - 야구 Ⅱ / 김유석

Tips

64 구조 시뮬레이션용 모델 작성을 위한 SpaceClaim의 5가지 필수 기능 / 고은주

67 Maxwell Tips Series Ⅱ- Mesh 생성에 관한 Tips (2) / 한은실

Tips & Tricks70 Crack Mesh의 생성 방법 및 파괴역학 매개변수 검증 / 박대섭

74 CFD-Post에서 Perl 적용하기 / 김도형

76 ANSYS CFX 14.5 - Platform MPI를 이용한 Distributed Parallel 설정방법 / 김재열

79 ANSYS APDL을 이용한 2D 솔리드 요소의 부재력 출력 방법 / 이현용

Tutorial

85 ACP(ANSYS Composite PrepPost) R14.5를 이용한 Solid 복합재료 구조 해석 실전예제 Ⅰ / 박지혜

90 ANSYS Maxwell-Fluent 1-Way 연성해석 / 남상현

94 System Coupling을 활용한 2-Way 열전달 해석 예제 / 이광희

쉬어가기

38 100%를 위한 50% 단련법!! / 서인영

82 일상의 즐거움 - 바람의 소리 / 한상석

태성소식

101 신설 교육 안내/신간 서적 안내

102 신입 사원 소개

2013 Issue 1

90

19

4

12

94

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4 ANZINE 2013 Issue 1

플랜트 분야 밸브 글로벌 제조업체를 지향하는시퍼스파이프라인

인터뷰에 응해주신 것에 감사 드리며, 귀사의 소개와

주 생산품에 대한 간략한 소개를 부탁 드립니다.

시퍼스파이프라인은 Butterfly Valve를 주력품목으로 발전 플랜트

분야(원자력, 수화력, 복합화력, 등), 조선 해양 분야(해양사업, LNG

Cargo Line 등) 및 담수화 분야 등 각종 플랜트 산업 분야에 소형에

서 대형 밸브까지 다양한 제품을 공급하고 있습니다.

제품에 대한 신뢰도를 높이기 위해 각종 인허가(CE, ISO, KS, EM

등) 및 각종 인증서를 확보하여 고객 만족 및 신뢰도 제고에 최선을

다하고 있습니다.

1999년 기업부설연구소를 개소한 이래로 기술력 확보 및 고급 인

력 확충을 위한 과감한 투자와 부산 거점 대학과의 산학협력을 통해

기술 허브를 구축하여 제품의 국산화, 표준화, 원천기술 및 신기술

개발에 만전을 기하고 있습니다. 중소기업의 한계를 뛰어넘기 위해

꾸준한 기술 개발 투자와 우수 인력 확보를 위해 산학공동연구를 통

한 우수인력 채용 등을 꾸준히 진행하고 있으며, 과감한 투자가 필

요한 신기술 개발은 국책과제를 통한 보조지원을 통해 끊임없이 기

술력을 축적하고 있습니다.

연구원 소개 및 업체에서 맡고 계시는 역할과 목표 및

계획을 소개해 주시겠습니까?

시퍼스파이프라인 기술연구소에서는 사내에서 생산되는 밸브들에

대한 설계 및 개발 제품에 대한 CAE 분석 수행 및 초고압, 초고온

및 초저온 등으로 대표되는 산업용 특수밸브 개발 국책사업을 수행

하고 있습니다. 최근에 CAE를 직접 도입하여, 개발 초기 단계부터

제품생산 및 사후처리 과정에서 발생하는 다양한 기술적 문제를

ANSYS를 통하여 해결하고 있습니다. 특히, 특수밸브 개발에 구조해

석, 진동해석, 열유동해석, 유동-구조 연성해석 등 다양한 해석 기법을

적용하여 제품의 성능을 예측, 개량하는 업무를 수행하고 있습니다.

시퍼스파이프라인 기술연구소는 산업용 밸브 설계 및 개발을 담당하고 있으며, ANSYS Workbench를 활용하여

산업용 Valve 신기술 개발 및 국산화, 표준화를 실현하고 있다.

업체탐방

◀ 작업 모습

■ 이영환 차장 | 시퍼스파이프라인 기술연구소

■ 인터뷰 및 기록 : 최정균 대리 ㅣ 디엔디이, [email protected]

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업체탐방

(주)태성에스엔이 5

회사에서 CAE를 도입하게 된 계기와 ANSYS를 사용

하게 됨으로써 얻게 된 이익 및 장점으로는 어떤 것들

이 있습니까?

산업용 밸브의 대형화 및 고온, 고압, 초저온 등의 극한 상황에 대

한 영향을 실험을 통하여 검증하는 것은 비용, 실험장비의 한계 등

여러 가지 제약사항으로 인해 현재는 CAE를 접목하여 최적설계안을

도출하고 있습니다. 또한, 시퍼스파이프라인 매출액의 80% 이상이

해외 프로젝트에서 발생되고 있는 만큼 CAE를 통해 고객사의 RFQ

에 만족하는 설계안을 제시하고 안전성을 검증하는 등 유용하게 사

용하고 있습니다.

특히, ANSYS는 Workbench라는 유저 친화적이고 직관적인 통합

환경을 통해 Windows 환경에 익숙한 젊은 엔지니어들이 쉽고 빠르

게 익힐 수 있습니다. 이에 인력 수급에 한계가 있는 중소기업에는

전문 CAE 인력이 아닌 기존 설계 인력이 쉽고 빠르게 실무에 적용

할 수 있는 큰 장점이 있습니다. 따라서, 제품 개발 초기 단계부터

생산에 이르기까지 적극 활용하여 개발 기간 단축, 원가 절감, 품질

향상을 통한 대외 신뢰도를 상승효과를 꾀하여 글로벌 밸브 제조업

체로 발돋움하고 있습니다.

회사에서 사용하는 ANSYS를 주로 어떤 방향으로 활

용하고 있는지 말씀해 주시겠습니까?

기존 설계에서는 안전성을 확보하기 위해 다운사이징을 통한 원

가절감 효과가 작았습니다. 현재는 특수재질이 사용되는 산업용 특

수밸브 설계에 있어서 ANSYS를 활용하여 구조적 안전성 입증뿐만

아니라 다운사이징을 통한 원가절감 효과의 두 마리 토끼를 잡는데

주력하고 있습니다. 또한 현장에 납품되어 설치된 제품에 발생한 기

술적 또는 보수문제를 ANSYS를 활용하여 빠르고 적극적으로 대응

함으로써 고객사의 고객 만족을 이끌어 내고 있습니다.

ANSYS Classic 혹은 WB의 활용 정도의 차이와 그 이

유를 설명해 주시겠습니까?앞서 언급한 바와 같이 시퍼스파이프라인은 전문 CAE 팀을 운영

하지 않고, 담당 엔지니어가 직접 ANSYS를 활용하여 설계에 적용하

고 있기에 Workbench의 활용도가 매우 높은 편입니다.

Workbench 환경은 초보자도 쉽고 빠르게 CAE 업무를 수행할 수

있으며, 타 3D CAD와의 호환성이 좋아 기본설계부서와 데이터 호환

이 용이해져 효율적인 업무 수행이 가능해졌습니다.

또한, 연성해석 기능은 통합 환경에서 원하는 해석 옵션을 드래그

앤 드롭 방식으로 쉽고 빠르게 수행할 수 있어 활용도가 점차 높아

지고 있는 추세입니다.

ANSYS를 활용하면서 디엔디이(태성에스엔이)를 통해

지원을 받으면서 느꼈던 부족했던 점이나 바라는 점이

있다면 무엇인가요?

우선 무엇보다 근거리에 접해 있어 빠른 대응과 깊이 있는 기술지

원에 감사드립니다. 타 산업분야도 마찬가지이겠지만, 보다 양질의

기술지원을 위해서는 밸브 분야에 대한 지식이 필요한 만큼 엔지니

어들과의 상호 교류를 통한 지식 교환이 이루어지는 정기적인 방문

지원이 많이 이루어졌으면 합니다. 또한, 태성에스엔이에서 주최하는

각종 세미나를 통해 많은 정보를 얻고 있지만 온라인상에서 좀 더

쉽고 빠르게 세미나 자료, 팁 등의 기술자료 공유가 필요하다고 생

각합니다.

마지막으로 하시고 싶은 이야기가 있으시다면 부탁 드

리겠습니다.

늘 바쁘신 와중에도 항상 도움 주시는 디엔디이 임직원 여러분께

감사의 말씀 전합니다. 비록 인연을 맺은 시간이 길지 않지만, 앞으

로도 좋은 인연으로 계속 남길 바라겠습니다.

▲ 밸브 내의 흐름(유선)

▲ Butterfly Valve 밸브 유동-구조 연성해석

▲ Butterfly Valve 유동해석

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특별기고


본 글에서는 호기조, 용존산소저감조 등의 해석을 위하여 사용되

는 Degassing Boundary에 대하여 논하고자 한다. Degassing

Boundary는 Eulerian Multiphase 해석에서 Secondary Phase로

설정되는 유체를 통과/배출하는 경계조건으로 지금까지는 UDF를 이

용하여 Cell Zone에 대해서만 설정할 수 있는 기능이었다.

Degassing Boundary는 기본적으로 Secondary Phase로 설정

되는 물질만을 배출하는 기능으로 명칭과 같이 Gas상 물질만 제거

가능한 것이 아닌, Secondary Phase로 설정되는 모든 물질에 대하

여 제거가 가능한 기능이다.

형상은 <그림 1>과 같고, 격자는 <그림 2>와 같이 구성하였다.

Setting

Degassing Boundary를 설정하기 위해 <그림 3>과 같이

Multiphase 중 Eulerian을 설정한다. 또한 Degassing 대상 물질의

배출을 위해서 필히 Gravity Acceleration(-9.81m/s2@y-direction)

을 설정한다.(그림 4) 본 Test Case에서 난류 모델은 SST k-omega

모델을 선택하였다.

Multiphase 조건은 <그림 5~7>과 같이 Water(Primary Phase) -

Air(Secondary Phase, Particle Diameter=0.001 m) 조건으로 설정

하였으며, 사각 Tank 중 상부 면을 Degassing Boundary로 설정한

다. Degassing Boundary는 Eulerian Multiphase 조건에서만 설정

이 가능하다.(그림 8)

ANSYS FLUENT R14.5를 이용한

Degassing Boundary 해석

이번 호에서는 ANSYS FLUENT R14.5에 추가된 Degassing Boundary 기능을 이용하여 Eulerian Multiphase에서의

Degassing 해석 방법에 대해 소개하고자 한다.

■ 최봉수 전임연구원 | GS건설㈜, [email protected]

그림 2. Geometry

그림 4. Operating Conditions

그림 1. Test Case

그림 3. Multiphase Model

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특별기고


Boundary Conditions

입구에서 경계조건은 유속 1.0 m/s에 Air

Volume Fraction은 0.03으로 하였다.

Monitor

Initialization 시 전체 영역에서의 Air

Volume Fraction은 0으로 설정하여 해석을

시작하였는데, 이 때 주의할 점은 해석 시

Secondary Flow가 Outlet으로 배출 또는

상부 Degassing 영역으로 배출되지 못할

경우 수렴성을 저하시키는 요인으로 작용할

수 있기 때문이다. Degassing Boundary를

설정하고 해석을 시작하면 <그림 9>와 같이

TUI 창에 Degassing Boundary로 배출되는

Secondary Phase의 Mass Flow Rate의

확인이 가능하다. 참고로 TUI 창의

Degassing Boundary Mass Flow Rate는

Degassing Boundary로 설정한 면의 수가

증가할수록 동일한 내용의 TUI Message가

추가된다.(예 : Degassing Boundary가 3개

설정될 경우, 각 Degassing Boundary별로

배출되는 Secondary Phase의 유량

Message가 3줄 기재됨)

Iteration에 따른 Outlet의 Air Mass Flow

를 확인하기 위해 <그림 10>과 같이 Outlet

측에 Air Mass Flow Rate를 출력하도록 하

였다. 이는 Continuity 등의 Residuals 항목

은 수렴이 되었어도 유체 내에 Secondary

Phase의 Degassing에 따른 Mass

Balance, 밀도차가 있는 경우 성층화 등은

완전히 발달되지 않을 수 있기 때문이다. 이

러한 경향은 특히 Primary Phase와

Secondary Phase의 밀도차가 작을수록,

Chamber 내 유속이 극히 낮을수록 경향은

심화되기 때문이다.

참고로 해석 시 UDF 등을 통한 별도의

Initialization 작업을 가지지 않을 경우, <그

림 10>의 A와 같이 약간의 hunting이 발생

할 수 있으며, 이후 수렴이 진행될수록, B와

같이 유량이 안정화됨을 확인할 수 있다.

Result

<그림 11~12>와 같이 Air Volume

Fraction을 확인할 수 있다. <그림 11>의

Degassing Boundary에 대한 Air Volume

Fraction Contour에서와 같이 상부

Degassing Boundary로 Secondary

Phase인 Air가 배출되기 때문에, 최대 농도

는 2.923e-02 수준으로 유지된다.

Conclusion

지금까지 ANSYS FLUENT R14.5에서 제

공하는 Degassing Boundary를 Test해 보

았다. 지금까지 UDF를 이용하여 Cell Zone

에서만 설정이 가능하던 Degassing에 대하

여, ANSYS FLUENT 내부 설정으로

Boundary 조건에서 손쉽게 설정할 수 있게

되었다.

그러나 Eulerian Multiphase에서만 설정

이 가능하고 Degassing Boundary로 배출

되는 Secondary Phase의 유량이 계산 중

TUI로만 출력되는 점 등은 다소 아쉬운 점으

로 지적된다.

이 기능을 이용하면 하/폐수처리시설에

주로 적용되는 호기조 등의 CFD 해석이 한

층 용이해진다고 하겠다.

그림 5. Materials

그림 6. Primary Phase

그림 7. Secondary Phase

그림 9. TUI Message

그림 10. Convergence History of Mass Flow Rate

그림 8. Degassing Boundary Setting

그림 11. Air Volume Fraction(Degassing Boundary)

그림 12. Air Volume Fraction(XY Plane)

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해양에 설치되는 원유 시추 설비 및 FPSO 등과 같은 해양 구조물

은 바람과 파도의 영향을 받는다. 특히 해양 구조물에 상부에서 작

업하는 근로자 및 설치 설비들은 바람의 영향을 많이 받는다. 이에

해양 구조물에 대해 바람에 의한 풍하중 해석 시 ANSYS FLUENT에

서 적용 방법에 대해 기술하였다.

우선 풍하중 해석 시 고려해야 항목은 다음과 같다.

자연풍의 연직방향 분포

육지 또는 해양의 지형 특성에 따라 자연풍의 연직방향 특성은 다

르다. 이러한 특성은 <그림 1>과 <표 1>에서 정의하고 있다. 본 해석

대상에서는 지형 특성 기준을‘D’로 정의하였고, 대기 경계층의 시

작 높이(zb)를 기상청 기준의 10m, 기준경도풍 높이(zg)를 250m로

정의하였다. 기준경도풍 높이는 연직 방향의 최대 높이[m]이다.

대기 경계층 모델

u, κ, ε profile2)

여기서, 3)

U(z1) : wind speed at z1 [m/s]

κ : von Karman’s Constant(0.4~0.42)

z1 : height of meteorological station[m]

z0 : aerodynamic roughness length[m]

α : Wind Profile Exponent

대기 경계층을 모사하는 방법은 Log law와 Power law가 있다. 본

해석에서 적용한 대기 경계층 모델은 일반적으로 많이 적용되는

Power law를 적용하였다. Power law을 적용함에 있어 중요하게 고

려해야 하는 변수가 지수분포 계수 ‘α’의 결정이다. 여기서는 <표

ANSYS FLUENT를 이용한

해양 구조물 풍하중 해석

이번 호에서는 ANSYS FLUENT를 이용한 해양 구조물의 풍하중 해석 방법에 대해 소개한다.

■ 서진원 과장 | 태성에스엔이, [email protected]

그림 1. 자연풍의 연직 방향 분포 영향

■ 자연풍의 연직방향 분포

■ 대기 경계층 모델

■ Wall Roughness 처리

■ 해석 영역 설정

A대도시 중심부에서 10층 이상의 대규모 고층건축물이 밀집해

있는 지역

B높이 3.5m 정도의 주택과 같은 건축물이 밀집해 있는 지역,

중층건물이 산재해 있는 지역

C높이 1.5m~10m 정도의 장애물이 산재해 있는 지역, 저층 건

축물이 산재해 있는 지역

D장애물이 거의 없고, 주변 장애물 높이가 1.5m 이하인 지역

(해안, 초원, 비행장)

표 1. 자연풍의 연직 방향 분포 기준 1)

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2>를 참고하여 지수분포 계수‘α’를 0.1로 결정하였다. 또한, Power

law를 User Defined Functions를 이용하여 해석 시 적용하였다. 관

련된 내용은 ANSYS FLUENT UDF Manual[page. 105]4)을 참고하

기 바란다.

Wall Roughness 처리

Wall roughness는 난류의 영향성을 고려하기 위해 적용해야 하는

변수이다. 여기서, wall roughness는 <표 3>을 참고하였으며, 해양

상태를 잔잔하다고 가정하여 0.0002m를 적용하였다.

해석 영역 설정

풍하중 해석을 위해서는 전체 해석 영역을 결정해야 한다. 참고

사항으로 Baetke et al.[1990]은 전체 해석 영역의 종횡비를 3% 미

만으로 정의하고 있다. Franke et al.[2004]은 전체 해석 영역에서

구성하고 있는 가장 큰 건축물을 기준으로 해석 영역의 종횡비를

3%보다 작게 결정하도록 정의하고 있다. Blocken et al.[2003]은 건

축물의 길이를 ‘H’로 정의했을 때 upstream은 최소 5H,

downstream은 10H, 폭과 높이를 5H로 정의하고 있다. 본 해양 구조

물 해석에서는 <그림 2>와 같이 upstream을 5H로, downstream과

폭을 10H, 높이를 5H로 정의하였다.

해양 구조물 해석 대상

앞서 설명한 내용을 기준으로 해양 구조물 풍하중 해석 대상을

<그림 3>과 같이 구성하였으며 각 설비의 명칭을 간단하게 명시하였

다. 해석 대상은 태성에스엔이에서 자체적으로 제작하여 구성하였다.

해양 구조물 해석 영역 및 격자 구성

해양 구조물 풍하중 해석에 대한 해석 영역은 앞서 정의한 기준에

따라 <그림 4>와 같이 정의하였다.

그림 2. 해석 영역 설정

그림 3. 해양 구조물 해석 대상

그림 4. 해양 구조물 해석 영역

Terrain Description Power law exponent, α

Smooth, hard ground, lake or ocean 0.10

Short grass on untilled ground 0.14

Level country with foot-high grass,

occasional tree0.16

Tall row crops, hedges, a few trees 0.20

Many trees and occasional buildings 0.22~0.24

Wooded country - small towns and suburbs 0.28~0.30

Urban areas with tall buildings 0.4

Terrain Description Surface Roughness Length, Zo[m]

Very smooth, ice or mud 0.00001

Calm open sea 0.0002

Blown sea 0.0005

Snow surface 0.003

Lawn grass 0.008

Rough pasture 0.01

Fallow field 0.03

Crops 0.05

Few trees 0.1

Many trees, hedges, few buildings 0.25

Forest and woodlands 0.5

Suburbs 1.5

Centers of cities with tall building 3.0

표 2. 지형 특성에 따른 지수[α] 5)

표 3. 지형 특성에 따른 surface roughness 5)

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또한, 효율적인 격자 생성을 위해 해양 구조물 주변의 일정 영역

과 나머지 영역으로 구분하여 정의하였다. 전체 Domain 분할은 <그

림 5>와 같이 나타내었다.

전체 격자 구성 분포는 <그림 6>과 같다. 해양 구조물 주변 일정

영역은 해양 구조물의 복잡성으로 인해 사면체 격자계로 구성하였

고, 나머지 영역은 육면체 격자계로 구성하였다. 해석 Domain의 크

기로 인해 전체 격자 수는 약 670 만개가 적용되었다.

경계조건

경계 조건은 <그림 7>과 같이 설정하였고, 세부적인 경계 조건은

<표 4>와 같이 설정하였다.

UDF로 정의한 대기 경계층의 시작 높이(zb)와 기준경도풍높이

(zg)가 적절히 구현되었는지를 확인하기 위해 연직 방향 유속 분포를

<그림 8>과 같이 나타내어 확인하였다.

또한, 입구영역에서의 연직 방향 유속 분포를 <그림 9>와 같이 나

타내어 확인하였다.

그림 6. 전체 Domain 격자 구성

그림 7. 경계 조건

그림 5. 해양 구조물 Domain 분할

그림 8. 연직 방향 유속 분포

그림 9. 입구영역에서의 연직 방향 유속 분포

Material Property Air (ρ=1.225 kg/㎥)

Viscous Model

Realizable k-e model,

Standard wall functions

Inlet boundary condition

Compiled UDFs.

Turbulence Kinetic Energy [㎡/

s2] : Compiled UDFs

Turbulence Dissipation Rate [㎡

/s3] : Compiled UDFs

Top & side Boundary condition Symmetry condition

Outlet Boundary condition Atmospheric pressure

Ground surface boundary

condition

z0 = 0.0002 [m]

Roughness Height : 0.0004 [m]

Roughness Constant : 0.5

표 4. 해양 구조물 해석 모델 경계 조건

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해석 결과

해양 구조물에 대한 풍하중 변화를 예측하기 위해 해양 구조물 주

위의 풍속 분포 해석을 하였다.

<그림 10>은 풍압을 무차원화한 결과이고, 다음으로 정의된다.

여기서, ρ는 공기 밀도를 나타낸다.

<그림 11>은 해양 구조물 근처에서의 속도 벡터 분포를 나타냈다.

입구영역에서 발달한 유속 분포가 해양 구조물 주변에서 산란되고

해양 구조물 후단에서 강한 소용돌이 영역이 발생되는 것을 확인할

수 있다.

<그림 12>는 해양 구조물 주변에서의 유속 분포를 Pathline 기능을

이용하여 나타내었다. 입구영역에서 유입된 유동이 해양 구조물 사

이로 빠져나가고 해양 구조물 후단에 소용돌이 영역이 발생되고 있

는 것을 확인할 수 있다.

맺음말

해양 구조물의 풍하중 해석 방법에 대해 ANSYS FLUENT를 이

용한 전반적인 해석 방법에 대해 설명하였다. 또한, 풍하중 해석을

위한 이론적인 배경 및 관련 기준, 해석적 접근 방법에 대해 정리하

였다.

향후 ANSYS FLUENT 사용자가 해양 구조물 풍하중 해석 시 해

당 자료를 참고하면 해석적 접근 시 많은 도움이 될 것으로 사료

된다.

그림 10. 풍압 계수 분포

그림 11. 속도 벡터 분포

그림 12. 해양 구조물 주위 Pathline

1. 국토해양부 고시, KBC 2009 건축구조기준 개정안.

2. Blocken B, Stathopoulos T, Carmeliet J. 2007. CFD simulation of

the atmospheric boundary layer :- wall function problems.

Atmospheric Environment 41(2):238-252

3. Counihan, J., “Adiabatic Atmospheric Boundary Layer: A

Review and Analysis of Data from the Period 1880-1972,”Atmos.

Envir., v.9, no. 10, p. 871-905, 1975

4. ANSYS FLUENT R14.5 UDF Manual [page. 105]

5. M.L. Ray, A.L. Rogers, J.G. McGowan.,“Analysis of wind shear

models and trends in dif ferent terra ins .”, Universit y ofMassachusetts, Department of Mechanical & Industrial

Engineering, Renewable Energy Research Laboratory, Amherst,

MA 01003

References

7/21/2019 ANZINE_2013_01_vol_25.pdf




해양에 설치되는 원유 시추 설비 및 FPSO 등과 같은 해양 구조물

은 바람과 파도의 영향을 받는다. 해양 구조물의 설치 형식은 고정

식과 부유식으로 구분할 수 있다. 고정식의 경우 파랑에 의해 하부

구조물에 가해지는 해수의 정역학적 힘에 의해 손상을 받을 수 있

고, 부유식의 경우는 파랑에 의한 하부 구조물 손상 및 자세 제어에

영향을 많이 받는다. 이에 따라 파랑에 의한 영향성 평가가 중요하

다. 이에 해양 구조물의 파랑에 의한 파랑하중 해석 시 ANSYS

FLUENT에서 적용 방법에 대해 기술하였다.

우선 ANSYS FLUENT의 Wave property 적용 방법에 대해 알아

보겠다.

ANSYS FLUENT에서 적용할 수 있는 wave regime

Airy wave theory(First Order Airy)

Stokes wave theories(2nd Order Stokes~5th Order

Stokes)

Cnoidal & Solitary wave theories

ANSYS FLUENT에서 적용할 수 있는 wave 영역은 <그림 1>에 나

타난 모든 영역에 대해 ANSYS FLUENT R14.5에서 적용 가능하다.

여기서, <그림 1>의 H는 Wave Height[m](=Wave Amplitude[m]×2,

[A]), h는 Water liquid depth[m], L은 Wave Length[m]를 의미한다.

Wave property 적용 방법

ANSYS FLUENT에서 wave property는 다음과 같이 설정할 수

있다. Solution Setup → Models → Multiphase Model → Volume

of Fluid에서 <그림 2>와 같이 ‘Option’에서 Open Channel Flow,

Open Channel Wave BC를 각각 선택한다.

이와 같이 설정을 하면 inlet boundary condition의 Multiphase

tap에서 <그림 3>의 창이 활성화되고 Wave Amplitude[m](=Wave

Height[m]/2), Wave Length[m] property를 적용한다.

또한, Wave Theory 결정은 <그림 1>에서 적용한 wave property를

가지고 사용자가 적용하고자 하는 Wave regime을 확인할 수 있다.

사용자가 적용한 wave property는 적절한지를 ANSYS FLUENT

의 TUI를 통해서도 확인 가능하다.

확인하는 방법은 다음과 같다.


해양 구조물 파랑하중 해석

이번 호에서는 ANSYS FLUENT를 이용한 해양 구조물의 파랑하중 해석 방법에 대해 소개한다.


그림 1. 다양한 wave theories의 적용 범위

■ ANSYS FLUENT에서 적용할 수 있는 wave regime

■ wave property 적용 방법

■ Numerical Beach Treatment Option(Cell zone)

■ Best Practices

■ Non Linear

■ Finite Amplitude

■ Intermediate to deep water range(h/L > 0.1)

■ Non Linear

■ Finite Amplitude

■ Shallow water

/define/boundary-conditions/open-channel-wave-settings

■ Linear

■ Small Amplitude■ Shallow to deep liquid depth

7/21/2019 ANZINE_2013_01_vol_25.pdf




ANSYS FLUENT의 TUI를 통해 <그림 4>와 같이 설정한 내용에 대

해 타당성을 확인할 수 있다.

<표 1>은 Wave regime에 따른 적용 기준이다. 해당 기준은 wave

property 적용 시 참고할 수 있다.

Numerical Beach Treatment Option

Numerical Beach Treatment Option은 Fluid zone에 적용하게

되는데, 일반적으로 wave 구현 해석 시 outlet 경계조건을 Pressure

outlet으로 설정한다. 여기서, 구현된 wave가 outlet에서 반사되는 문

제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 outlet 근처 일정 영역에서

wave를 강제로 감쇄시켜 줌으로써 outlet에서 wave가 반사되는 문

제를 해결할 수 있다. 설정하는 방법은 Fluid zone에서 Multiphasetap을 선택하면 Numerical Beach Treatment에 대해 설정할 수 있

다. 자세한 설정 방법은 ANSYS FLUENT R14.5 User’s Guide를 참

고하기 바란다.

그림 5. Numerical Beach Treatment

그림 2. Open Channel Wave BC 설정

그림 3. Wave property 설정

그림 4. Wave property 확인

Classify Airy wave

(1st order)

Stokes wave

(2nd~5th order)

Wave type Small amplitude Finite amplitude

Wave profile Sinusoidal, linear Narrow crest, flat

trough, non-linear

Applicability based on depth shallow - deep Intermediate - deep

Wave frequency

dependency

Depth and wave

length

Amplitude, depth

and wave length

Max. Wave steepness ratio 0.0625 0.142

Max. (Wave Height/Liquid

Depth) ratio

0.78 0.78

Max. Ursell Number 105 26

표 1. Wave regime에 따른 적용 기준

7/21/2019 ANZINE_2013_01_vol_25.pdf




Best Practices

ANSYS FLUENT를 이용하여 wave propagation 해석을 진행할

경우 몇 가지 고려해야 항목에 대해 다음과 같이 기술하였다.

해석 대상

해석 대상은 <그림 6>과 같이 정의하였다.

해석 영역 및 격자 구성

해양 구조물 파랑하중 해석에 대한 해석 영역은 <그림 7>과 같이

정의하였다.

또한, 효율적인 격자 생성을 위해 wave propagation이 적용되는

영역(해양 구조물 하부)은 육면체 격자계로 구성하고, 나머지 영역

(해양 구조물 상부)은 사면체 격자계로 구성하기 위해 <그림 8>과 같

이 구성하였다.

<그림 8>과 같이 구성한 해석 영역에 <그림 9>와 같이 격자계를

구성하였다. 전체 격자 수는 약 620만개가 적용되었다.

경계조건

경계 조건은 <그림 10>과 같이 설정하였고, 세부적인 경계 조건은

<표 2>와 같이 설정하였다.

그림 6. 해석 대상

그림 7. 해석 영역

그림 8. 격자 적용을 위한 Domain 분할

그림 9. 전체 Domain 격자 구성


■ 시간항에 대해 first order time을 적용할 경우, VOF explicit

formulation은 implicit formulation보다 더 높은 정확도를 갖는다. 다만,

time step size와 Courant number에 제한을 갖는다.

■ 시간항에 대해 second order time을 적용할 경우, VOF implicit

formulation을 항상 추천한다. 이는 time step size에 대해 좀 더 유연하

게 적용할 수 있다.

■ Wave propagation 문제에서 최적의 time step size는

T/80(T=Effective Time Period, Solution Initialization 시 TUI에서 확인

가능)으로 정의하면 된다.

■ Numerical Beach Treatment 영역(Damping zone)의 크기는 wave

length의 2배 정도로 적용한다.■ Numerical Beach Treatment 영역(Damping zone)의 격자 구성은

outlet 영역으로 갈 수록 성글게 적용한다.

7/21/2019 ANZINE_2013_01_vol_25.pdf




앞서 적용한 경계조건 중 초기 wave elevation을 확인하기 위해

<그림 11>과 같이 나타내었다.

<그림 11>과 같이 ① wave height[4m], ② wave amplitude[2m],

③ wave length[20m] 각각의 적용 wave property 및 Damping

zone에서의 wave 감쇄도 확인하였다.

해석 결과

해양 구조물의 파랑에 의한 하부 구조물의 영향을 예측하기 위해

ANSYS FLUENT의 Open Channel Flow, Open Channel Wave BC

경계조건을 이용하여 해석을 하였다. <그림 12~16>은 시간에 따라

wave propagation을 나타낸다.

<그림 12~16>의 시간에 따른 wave propagation 결과에서 시간에

따라 wave 진행하면서 outlet 영역의 Damping zone에서 감쇄가 되

고, 해양 구조물 하부(Column)의 압력 변화가 잘 나타나는 것을 확

인할 수 있다.

맺음말

해양 구조물의 파랑하중 해석 방법에 대해 ANSYS FLUENT를 이

용한 전반적인 해석 방법에 대해 설명하였다. 또한, 파랑하중 해석을

위한 이론적인 배경 및 해석적 접근 방법에 대해 정리하였다.

본 호에서는 ANSYS FLUENT를 이용한 wave propagation 적용

방법에 대해 논하였다. 향후 실험 결과와의 validation을 진행할 예

정이며 해당 결과를 다시 기고하도록 하겠다. 향후 ANSYS FLUENT

사용자가 해양 구조물 파랑하중 해석 시 해당 자료를 참고하면

ANSYS FLUENT를 이용한 wave propagation 해석에 많은 도움이

될 것으로 사료된다.

그림 11. Initial wave elevation

그림 12. 0.05[sec]에서의 wave elevation

그림 13. 3.00[sec]에서의 wave elevation 그림 14. 6.00[sec]에서의 wave elevation

그림 15. 9.00[sec]에서의 wave elevation 그림 16. 10.00[sec]에서의 wave elevation

Material Property Air (ρ=1.225 kg/㎥),

Water (ρ=998.2 kg/㎥)

Viscous Model Realizable k-e model,


Multiphase Model &

Scheme

VOF(Volume of Fluid) Model, Implicit

scheme,

Implicit Body Force,

Open Channel Flows,

Open Channel Wave BC,

Compressive scheme

Inlet

boundary

condition

Velocity : 5 m/s

■ wave propagation conditions

→ wave amplitude : 2 [m]

→ wave length : 20 [m]

Free-surface level : 0 [m], -5 [m]

Top & side Boundary condition Symmetry condition

Outlet

Boundary condition

Atmospheric pressure,


Fluid zone Numerical Beach Treatment

etc Time : Transient state

Gravitation Acceleration(z=-9.81 m/s2)

Operation Density(air, 1.225 kg/㎥)

표 2. 세부적인 경계 조건

1. ANSYS FLUENT R14.5 User’s Guide[page. 1306~page. 1324]2. ANSYS FLUENT R14.5 Theory Guide[page. 505~page. 513]

References

7/21/2019 ANZINE_2013_01_vol_25.pdf




해양 구조물의 파랑하중 해석에서는 적용한 wave의 특성은

regular wave, 즉 규칙파에 대해 설명하였다. ANSYS FLUENT 14.5

버전이 release되면서 천해파 및 irregular wave, 즉 불규칙파에 대

해서도 적용 가능하게 되었다. 이번 호에서는 ANSYS FLUENT

R14.5를 이용한 irregular propagation에 대한 내용 설명 및 설정 방

법에 대해 소개한다.

Irregular wave의 특징

ANSYS FLUENT에서 irregular wave는 파고, 주파수, 위상차, 진

행각이 다른 여러 개의 wave의 중첩으로 표현한다. 중첩의 원리가

적용되기 위해서는 wave가 선형이며 small amplitude라는 가정을적용하게 되는데, 비선형성이 강한 wave를 유한 진폭파로 중첩하는

근사적인 방법이라고 할 수 있다.

Irregular wave property 적용 방법

ANSYS FLUENT에서 wave property는 다음과 같이 설정할 수

있다. Solution Setup → Models → Multiphase Model → Volume

of Fluid에서 <그림 1>과 같이 ‘Option’에서 Open Channel Flow,

Open Channel Wave BC를 각각 선택한다.

이와 같이 설정을 하면 inlet boundary condition의 Multiphase

tap에서 <그림 2>의 창이 활성화된다.

여기서 적용하고자 하는 wave property의 수를 Wave Group

Inputs의 Number of Waves에 지정하여 설정할 수 있다. 정의하고

자 하는 wave의 개수를 정의하면 각각의 wave property 항목이 활

성화된다. <그림 2~3>과 같이 활성화된 각각의 wave에 wave

property를 사용자가 설정하면 된다.


Irregular wave 구현이번 호에서는 ANSYS FLUENT를 이용한 Irregular wave 구현 방법에 대해 소개한다.


그림 1. Open Channel Wave BC 설정 그림 3. Wave-2의 wave property 설정

그림 2. Wave-1의 wave property 설정

7/21/2019 ANZINE_2013_01_vol_25.pdf




또한, ANSYS FLUENT의 TUI를 통해서 각각의 wave property를

검증할 수 있다.

확인하는 방법은 다음과 같다.

<그림 4~5>와 같이 각각의 wave property 검증 결과를 확인할

수 있다.

해석 대상

해석 대상은 <그림 6>과 같고, 2D로 구성하였다.

격자 구성

해석 대상에 대한 격자 구성은 <그림 7>과 같이 적용하였다.

Wave propagation 영역에는 격자를 집중시켰으며, Damping zone

은 상대적으로 성글게 구성하였다. <그림 8>은 inlet 영역에서의 격자

분포를 나타내고 좀 더 자세한 격자 분포를 확인할 수 있다. 전체 격

자 구성은 사각형 모양의 격자계로 구성하였고, 전체 격자 수는 약

13만개 수준으로 적용하였다.

경계 조건

경계 조건은 <그림 9>와 같이 설정하였고, 세부적인 경계 조건은

<표 1>과 같이 설정하였다.

앞서 적용한 경계 조건 중 초기 wave elevation을 확인하기 위해

<그림 10>과 같이 나타내었다.

그림 6. 해석 대상

그림 7. 전체 해석 영역의 격자 분포

그림 8. Inlet 영역의 격자 분포

그림 4. Wave-1의 wave property 검증

그림 5. Wave-2의 wave property 검증


/define/boundary-conditions/open-channel-wave-settings

그림 10. Initial wave elevation

7/21/2019 ANZINE_2013_01_vol_25.pdf




<그림 10>과 같이 각각의 wave property 및 Damping zone에서

의 wave 감쇄도 확인하였다.

해석 결과

<그림 11 16>은 시간에 따라 irregular wave propagation 분포를

나타낸다. 각각 wave property가 다른 wave가 진행되는 것을 확인

할 수 있다.

맺음말

ANSYS FLUENT R14.5를 이용하여 irregular wave, 즉 불규칙파

에 관해 내용 설명 및 설정 방법에 대해 소개하였다.

또한 2D 형상에 대해 적용하여 결과를 확인하였다. 향후 ANSYS

FLUENT 사용자가 규칙파가 아닌 불규칙파에 대한 해석 시 해당 자

료를 참고하면 ANSYS FLUENT를 이용한 irregular wave

propagation 해석에 많은 도움이 될 것으로 사료된다.

그림 11. 0.00 [sec]에서의 wave elevation






1. ANSYS FLUENT R14.5 User’s Guide [page. 1306 ~ page. 1324]

2. ANSYS FLUENT R14.5 Theory Guide [page. 505 ~ page. 513]

References

Material Property Air (ρ=1.225 kg/㎥),

Water (ρ=998.2 kg/㎥)

Viscous Model Realizable k-e model,


Multiphase Model

& Scheme

VOF(Volume of Fluid) Model, Implicit scheme,

Implicit Body Force,

Open Channel Flows,

Open Channel Wave BC, Compressive scheme

Inlet boundary

condition

Velocity : 1 m/s

■ wave propagation conditions

● Wave-1

→ wave height : 0.05 [m]

→ wave length : 3 [m]● Wave-2

→ wave height : 0.1 [m]

→ wave length : 6 [m]


Top & Bottom

Boundary

condition

Symmetry condition & Wall condition

Outlet Boundary

condition

Atmospheric pressure,


Fluid zone Numerical Beach Treatment

etc Time : Transient state

Gravitation Acceleration(y=-9.81 m/s2)

Operation Density(air, 1.225 kg/㎥)

표 1. 세부적인 경계 조건

7/21/2019 ANZINE_2013_01_vol_25.pdf



구축사례

태성에스엔이 현석균 차장(이하 현석균) : 먼저 ANSYS 적용을 위

한 GPU 시스템을 도입하게 된 배경에 대해 설명 부탁 드립니다.

삼성중공업 김선정 과장(이하 김선정) : 저희 풍력사업부의 개발부

서는 신 사업부의 성격상 빠르게 많은 개발 업무를 진행해야 합니

다. 주어진 일정 대비 최대의 효과를 내고자 함에 있어서 항상 장비

의 짧지 않은 구동시간이 많이 아쉬워 개선방법을 모색하던 중, 지

난 해 말 태성에스엔이의 현석균 차장님과 임성수 차장님의 도움과

소개로 GPU 장비를 테스트해 보는 기회를 가지게 되었고, 검증된

결과로 올해 초에 ANSYS GPU 시스템을 도입하였습니다.

현석균 : 이번에 구축한 ANSYS GPU 시스템에 포함된 GPU

Workstation의 구성에 대해 간단히 설명 부탁드립니다.

미루웨어 이정훈 이사 : 저희가 이번 GPU 시스템을 구성하면서

가장 중점을 둔 부분은 GPU 가상화 구현과 시스템의 안정성에 중점

을 두고 구성하였습니다. 우선 GPU 가상화 기술을 사용하여 각

Guest O/S에 GPU를 인식하고, 이 Guest O/S를 Cluster로 구현하

여 하나의 워크스테이션에서 4대의 Cluster 장비를 구현하였습니다.

이러한 구성을 위해서는 하드웨어적으로 4개 이상의 PCI-E 슬롯이

필요하였고, 각 Guest O/S를 Cluster로 구현하기 위해 10G 네트워

크를 사용할 수 있는 장비로 구성을 하였습니다. 또한 Cluster로 구

현하기 위해서는 높은 네트워크 성능이 필요하기에, 가상화 기술 중

삼성중공업의 ANSYS GPU Computing 시스템 구축

■ 김선정 과장 | 삼성중공업 풍력사업부, [email protected]

■ 서완석 이사 | NVIDIA, [email protected]

■ 이정훈 이사 | 미루웨어, [email protected]

■ 임성수 차장 |태성에스엔이, [email protected]

■ 정리 : 현석균 차장 | 태성에스엔이, [email protected]

좀 더 디테일한 CAD 모델, 좀 더 정확한 결과에 대한 갈망과 좀 더 쉽고 자동화된 격자 시스템은 여러분의 CAE 모

델을 점점 대형화시키고 있습니다. 다중 CPU를 사용한 연산은 이에 대한 대안으로 이미 입지가 확고해졌으며, 또

하나의 방법으로 GPU를 이용한 연산이 자리를 잡아가고 있습니다. ANSYS는 Structural 모델에 대해 13.0에서 GPU

를 이용한 연산을 지원하기 시작하여 최신 버전인 14.5에서 다중 GPU를 지원하게 되었습니다. ANSYS 구조해석을

위해 삼성중공업 풍력사업부에 도입된 GPU 시스템의 구축사례를 지면 대담 형식으로 소개합니다.

7/21/2019 ANZINE_2013_01_vol_25.pdf



구축사례

SR-IOV를 사용하여 네트워크 performance를 향상시키는데 중점을

두었습니다. 이 조건에 부합하는 여러 하드웨어를 Test하여 가장 안

정성이 뛰어나다고 판단된 다음의 시스템으로 구성을 하였습니다.

하드웨어 안정화 TEST를 완료 후 그림과 같이 OpenXen을 사용

하여 ANSYS Multi-GPU Cluster 시스템을 구현하였습니다. 그림과

같이 4개의 Guest O/S를 설치 후 각 Guest O/S에 Windows 7을

설치하고, OpenXen의 GPU-Passthrough 기술을 사용하여 각

GUEST O/S에 물리적인 그래픽 카드(Nvidia Tesla GPU)를 인식시

키고, 이렇게 구성된 4개의 Guest O/S를 Cluster로 구성했습니다.

Cluster 구성시 네트워크 performance를 높이기 위해서 OpenXen

의 SR-IOV 기술을 사용하여 구성하였습니다. 이러한 구성을 통하여

보다 효율적이고 안정적인 가상 클러스터 머신을 제공할 수 있었고,

사용자의 만족도가 높아 저희로서는 만족하고 있습니다.

김선정 : 테스트 기간 동안 ANSYS GPU computing system은 기

존 장비 대비 월등한 구동시간 단축의 성능을 보였습니다. 저희가

도입한 장비는 테스트 장비보다 좀 더 나은 사양으로 테스트 장비보

다 더 탁월한 성능을 보이고 있어, 저희가 수행하는 구조해석 업무

에 정말 많은 도움이 되고 있습니다. 앞으로도 현재 보여주는 성능

과 안정성이 유지될 것이라 기대합니다.

현석균 : 2007년을 전후하여 국내 대형 중공업사를 중심으로

Fluid 모델인 Fluent에 적용을 위해 100 core 이상의 당시로서는

대형 Parallel computing system이 도입되기 시작하여 그 저변이

확대되었고, 최근에는 중견 규모의 기업까지 대중화가 되었습니다.

고성능 연산 시스템은 계산 시간을 절약하여 업무 효율 향상 및 공

정 단축의 효과뿐 아니라 불가능의 영역을 가능의 영역으로 끌어오

게 하였습니다.

예를 들어 계산시간이 1달 이상이 소요되어 CAE 적용이 불가능했

던 문제가 병렬컴퓨팅을 통해 3일 정도 혹은 그 이하로 줄일 수 있

다면 도전해 볼 만한 가치가 부여됩니다. 그런 의미에서 GPU는

CAE 분야에 새로운 패러다임을 가지고 올 것으로 기대가 됩니다.

CUDA를 개발하여 CPU와 GPU의 공동 프로세싱(Co-processing)

형식을 제안하고 있는 NVIDIA에서 CAE 분야에 거는 기대가 크고

활동이 많으신 것으로 알고 있습니다.

NVIDIA 서완석 이사 : CAE 분야에서 해석 시간을 단축하기 위한

GPU 도입은 중공업/자동차 산업을 중심으로 해외에서는 적용 사례

가 많습니다. 작년 말 Supercomputing conference 12에서 발표된

Top500 supercomputer 순위에 NVIDIA Tesla GPU를 18,688장 사

용한 미국 국립 오크리지 연구소 Titan이 1위로 등재되었습니다. 재

료공학이나 핵융합 등 다양한 과학분야에서 이미 GPU가 해석업무에

도입이 되고 있고 향후 가격 대비 성능을 최대로 끌어올리기 위해서

GPU가 많이 활용될 거라 예상되고 있습니다.

NVIDIA 본사 차원에서 ANSYS와 협력은 2010년 12월 발표된

ANSYS Mechanical 13 버전을 필두로 최근에 발표된 14.5 버전에서

DMP Solver와 Multi-GPU을 지원하므로 보다 효율적이고 성능지향

적인 시스템을 구축할 수 있게 되었습니다. 그리고 금년 초 Service

Pack 및 4분기에 발표될 15 버전에서는 최신 NVIDIA Tesla K20

GPU에 최적화된 기능과 유동해석 Fluent에도 GPU 가속이 적용될

예정입니다.

태성에스엔이와의 협업은 NVIDIA의 중요한 파트너로 한국 시장에

서 초기 제품에 대한 검증 및 성능 테스트를 공동으로 협력하고 이

후 고객들에게 가장 적합한 Solution을 제공해 드릴 수 있는 협력

Tesla GPU 가상화 SYSTEM Configuration

1. Intel Xeon E5-2600 series Dual Processor

2. EccReg DDR3 Memory

3. SSD HDD

4. S-ATA HDD O/S설치 및 백업

5. NVIDIA Tesla GPU

6. 8ch RAID Controller

7. 10G Ethernet Controller

7/21/2019 ANZINE_2013_01_vol_25.pdf


구축사례


모델을 구축하고 있습니다. 특히 협업에 있어 Bench-mark Test에

적극적으로 참여해 주시고 아이디어를 제공해 주시는 임성수 차장

님께 감사를 드립니다.

태성에스엔이 임성수 차장 : GPU 연산을 추가하여 계산 성능을

획기적으로 상승시킬 수 있었습니다. 태성에스엔이에서 수행한 벤치

마크 테스트는 2011년에 ANSYS V13.0에서부터 계획되어 수행되었

습니다. 당시 워크스테이션 레벨에서는 멀티 GPU를 지원하지 않아

NVIDIA Korea, 미루웨어의 도움으로 여러 시행착오를 거치며 각 가

상 머신별로 CPU Core와 GPU 할당을 통해 4개의 GPU를 모두 인

식시키는 데 성공을 하였습니다.

벤치마크 테스트 결과 Sparse Direct Solver를 사용하는 대부분

의 경우 성능이 좋게 나타났습니다. 특히 계산량이 많은 큰 문제의

경우 가속 성능이 더 뛰어났습니다. 삼성중공업 풍력사업부의 경우

계산 문제가 컸으며, ANSYS에서 제공하는 벤치마크 테스트 자료

중 SP-5에 해당하였습니다. SP-5에 대해 GPU 머신으로 계산시

CPU 코어 2개 사용했을 때 대비 16Cores+4GPUs 사용시 최대 10배

이상의 놀라운 성능 향상을 확인할 수 있었습니다. 벤치 마크 테스

트 결과를 바탕으로 삼성중공업 풍력사업부에 ANSYS GPU

Computing System을 제안하게 되었습니다. 지면 관계상 모든 테스

트 결과를 실을 수는 없지만 좀 더 다양한 정보가 필요하신 분은 따

로 연락을 주시면 됩니다.

향후 ANSYS가 CUDA5에 맞게 GPU 가속 기술이 업그레이드되고

최신의 GPU를 사용한다면, 이번 성능 평가보다 더욱 비약적인 속도

향상이 될 것으로 판단됩니다.

현석균 : 끝으로 ANSYS GPU Computing 시스템을 도입해 주신데

감사드리며 삼성중공업의 풍력발전설비사업에 대해 소개 부탁드립니다.

김선정 : 삼성중공업의 풍력발전설비사업은 신규 사업으로서, 수

십 년간 선박건조 및 해양 플랜트사업을 통해 축적된 노하우와 기술

력을 풍력발전기의 다양한 시스템에 응용하는 한편, 대규모 토목-플

랜트 공사를 수행해 온 건설사업부의 기술력을 활용하여 풍력발전

설비 설치작업에서도 시너지 효과를 발휘하고 있습니다.

2009년 국내 풍력발전 설비업계 최초로 해외 수출에 성공한데 이

어 2010년에는 풍력발전기 설치선을 수주하였습니다. 삼성중공업의

풍력발전기는 육상용 2.5MW 표준형과 한냉형, 그리고 해상용 7MW

등으로 구성되어 있으며, 타 발전기보다 발전 효율은 10% 이상 높

고, 내구성은 5년 이상 높다는 장점 때문에 현재 전 세계 발전사업

자들로부터 주목받고 있습니다. 삼성중공업은 국내 영흥과 미국, 캐

나다 등에 2.5MW 육상용 풍력발전기를 설치해 97% 이상의 높은 상

업 가동율로서 이미 그 성능을 인정받고 있으며, 특히 지역 특성에

맞는 저풍속, 한냉형 등 맞춤형 풍력발전기 개발로 고객의 니즈에

더욱 다가가고 있습니다.

최근에는 스코틀랜드 해상풍력단지 개발 참여를 시작으로, 해상풍

력발전 단지 개발로부터 생산, 설치, 운영 전 분야를 아우르는 해상

풍력 토탈 솔루션 회사로 거듭 성장하였습니다. 또한, 업계 최초로

이미 풍력발전설비 전용운반선을 건조하여 해상풍력의 새로운 패러

다임을 개척하고 있습니다.

한편 삼성중공업은 미국, 유럽 등 세계 각지에 영업지점과 엔지니

어링 설계센터, 생산공장, 물류 및 A/S 센터를 운영 중에 있습니다.

영업, 생산 설치, A/S가 세계 어느 곳에서든 원활하게 이루어질 수

있도록 거점을 더욱 확대할 계획입니다.

현석균 : 삼성중공업의 좋은 성과를 기대하며 구축사례 대담을 마

치겠습니다.

▲ 벤치 마크 테스트 SP-5 결과 비교

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제품소개


출시 배경

하드웨어의 눈부신 발전과 더불어 시뮬레이션의 수행시간이 혁신

적으로 단축되어짐에 따라 시뮬레이션 기반의 설계가 정착되어 가고

있다. 이런 흐름은 좀 더 많은 설계인자에 대한 해석을 요구하고 있

고 나아가 시뮬레이션을 통한 최적 설계의 수요 역시 늘어가고 있

다. ANSYS Workbench는 R12.0에서 다중 설계점(design point)에

대한 분석을 돕기 위해 형상변수, 재료물성 및 경계조건 등에 간단

한 설정으로 Parameter Set을 구성하여 해석을 순차적으로 자동 수

행할 수 있게 함으로써 사용자 편의성을 구축하였다. 그 이후 R14.0

부터 원격지 서버에서 해석을 수행할 수 있는 기술과 동시에 해석을

수행할 수 있는 기능을 확보함으로써 그 효용성을 높여 왔다.

R14.5에서는 새로운 형태의 라이선스 체계를 도입함으로써 좀 더

사용자에게 시간적으로 비용적으로 현실성을 부여하게 되었다. 나아

가 새로 출시된 ANSYS HPC Parametric Pack은 시간 등의 이유로

현업에 도입하기에 다소 부담이 된 시뮬레이션을 통한 최적화를 좀

더 현실적으로 앞당기는데 기여할 것으로 기대된다.

라이선스

ANSYS HPC Parametric Pack은 4개의 design point를 동시에

계산할 수 있게 해주는 라이선스이다. <그림 1>에 도시된 예는 2개의

inlet과 1개의 outlet을 가진 Mixing Vessel로 압력강하를 최소화하기

위하여 8가지의 입구조건에 대해 분석을 요구하는 Fluent 해석사례

이다. 순차적으로 8번의 해석을 수행해야 하는 기존 방식과는 달리

HPC Parametric Pack 라이선스가 있으면 동시에 4가지의 조건씩

계산을 수행할 수 있다.

라이선스 비용적 측면에서 1개의 ANSYS Fluent 라이선스를 가지

고 4개의 design point를 순차적으로 분석하던 사용자가 시간을 약

1/4로 줄이려면 4개의 라이선스를 보유해야 함으로써 라이선스 비용

이 4배로 증가하게 된다. 만약 1개의 Fluent 라이선스에 ANSYS

HPC Parametric Pack을 보유하게 되면 동시에 4가지 조건에 대해

동시에 해석을 수행함으로써 적절한 비용 추가로 해석 시간을 이상

적으로 약 1/4로 줄일 수 있게 된다.(그림 2)

ANSYS HPC

Parametric

Pack의 개요

이번 호에서는 ANSYS 14.5가 출시되면서 올해

새롭게 선보이게 된 ANSYS HPC Parametric

Pack의 개념에 대해 알아본다.

■ 현석균 차장 | 태성에스엔이, [email protected]

그림 1. Mixing Vessel의 유동해석 예

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비용 절약 및 시간 절약 효과는 HPC나 HPC Pack 등을 함께 보

유했을 때 더욱 빛을 발한다. 예를 들어 4개의 design point에 대한

유동해석을 각각 8코어 병렬 컴퓨팅으로 동시에 수행하고자 한다면,

4개의 ANSYS Fluent와 4개의 ANSYS HPC Pack 라이선스를 보유

하여야 한다. 만일 1개의 ANSYS HPC Parametric Pack 라이선스를

보유하게 되면, 1개의 ANSYS Fluent와 1개의 HPC Pack 라이선스만

보유해도 4개의 design point에 대해 각각 8코어(총 32core를 동시

사용) 병렬 컴퓨팅 해석이 동시에 가능해진다.

HPC Parametric Pack이 동시에 계산을 수행할 수 있는 design

point의 수는 HPC Parametric Pack 라이선스가 1개 추가될 때마다

<그림 3>과 같이 2배씩 늘어난다. HPC Parametric Pack이 적용될

수 있는 ANSYS의 제품군은 Multiphysics, Mechancial/Emag,

Mechanical/CFD-Flo, Mechanical, CFD, Fluent, CFX, Polyflow,

HPC, HPC PACK 등이 있다.

활용 예

<그림 4>에 도시된 내용은 반잠수식 구조물의 총 질량과 응력을

최소화하기 위하여 폰툰(Pontoon)과 칼럼(Base column)의 두께에

대한 16개의 design point에 대해 Static Analysis를 수행한

Benchmark 사례이다. 약 23만개의 절점을 사용하였으며 2.9GHz

CPU, 256G RAM이 장착된 워크스테이션이 사용되었다. 활용된 라

이선스는 1개의 ANSYS Mechanical 라이선스에 2개의 HPC

Parametric Pack 라이선스가 적용되었다. 테스트 결과 HPC

Parametric Pack이 없이 순차적으로 계산된 경우에 비해 약 6배의

시간이 절약되었다.

또 다른 예로 32코어를 사용해 수렴해를 구하는 데 필요한 시간이

30분 내외가 소요되는 ANSYS Fluent 해석 케이스가 있다고 가정하

자. 32코어를 활용할 수 있는 HPC Pack 라이선스 2개와 HPC

Parametric Pack 라이선스 1개를 동시에 보유할 경우 하루 동안 약

24시간×(2case/시간)×4배=192case의 계산을 수행할 수 있다는 산

술적인 계산이 나온다. ANSYS Workbench의 최적화 모듈인

DesignXplorer나 Workbench에 연계되는 3rd party software인

OptisLang 등을 이용할 경우 유동해석 최적화 수행이 현실적인 시

간 내에 수행할 수 있는 토대가 구축될 수 있다.

맺음말

ANSYS는 HPC(High Performance Computing) 성능 향상을 위

하여 다양한 노력을 경주하고 있다. 그 성과로써 Fluent의 경우

3,000 core 이상까지 scalability를 확보하였고 Mechanical의 경우

14.5부터 Multi-GPU를 지원함으로써 가용성을 증대시켰다. HPC

Parametric Pack의 출시로 ANSYS 제품들이 CAE 업계에서 HPC

리더십을 더욱 가속화시킬 것으로 기대된다.

그림 2. HPC Parametric Pack의 시간 및 비용 절감 효과

그림 3. 라이선스 증가에 따라 동시 수행이 가능한 design point 수

그림 4. 반잠수식 구조물의 정적 구조 해석에 활용한 사례

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Workbench 플랫폼 파라메트릭 스터디와 디자인 포인트

<그림 1>에서처럼 변수값은 각 애플리케이션에서 정의되며,

Workbench Project 레벨에서 관리된다. 독립적인 구성은 ‘Design

Points’에서 관리된다. 변수는 형상 치수, 재질 속성, 격자 크기, 하

중 및 경계 조건, 결과 등이 될 수 있다. 이런 변수들은 Workbench

Project 창(Design Point 테이블)에서 제어될 수 있다. Project의 모

든 단계는 스크립트 없이 각각의 변수 세팅만으로 자동으로 업데이

트될 수 있다. 변수들은 수동으로 Design Point Table에 정의하거나

DOE를 위한 DesignXplorer에 의해 자동으로 정의하고 최적화를 수

행할 수 있다.

RSM을 통한 원격 실행

R14.0까지는 Workbench에서 단지

Solution 셀만 원격으로 수행될 수 있었

다. 이것은 일반적으로 해석이 가장 긴

시간을 차지하기 때문이며, 그것만 HPC

를 사용할 수 있다. ANSYS Remote

Solve Manager(RSM)는 Workbench 안

에서 데이터 전송과 제품 해석을 위한 원

격 실행을 관리한다. RSM은 클라이언트 컴퓨터와 서버 컴퓨터 사이

에서 입력 및 출력 파일을 이동시키기 위해 파일 전송을 이용한다.

동시에 디자인 포인트 업데이트 및 라이선스 사용

ANSYS R14.0까지는 <그림 3>처럼 디자인 포인트가 dp0부터 dpn

까지 순차적으로 해석되어야만 했다. 오래 계산되는 수백 개의 디자

인 포인트가 있다면 터무니없이 시간이 많이 소요된다. ANSYS

R14.5부터는 <그림 4>처럼 RSM을 통해 동시에 디자인 포인트를 업

데이트하는 것을 지원한다.

ANSYS 제품은 각 소프트웨어 컴포넌트가 실행되면 라이선스를

붙잡는다. N개의 디자인 포인트를 동시에 업데이트하기 위해서는 n

배의 라이선스가 필요하다. 만약 동시에 디자인 포인트를 계산시 터

무니없는 가격이 요구된다. 또한 업데이트하는 동안 이용할 수 있는

충분한 라이선스가 없다면 계산에 실패한 디자인 포인트가 생성될

수 있다. HPC Parametric Pack은 기본적인 라이선스를 증폭해서

동시에 n개의 디자인 포인트를 계산할 수 있도록 한다. <그림 4>에

설명한 것처럼 HPC Parametric Pack에서 동시에 계산할 수 있는

디자인 포인트 개수는 기본 4개부터 라이선스 개수에 따라 2의 배수

로 늘어난다. <그림 5>는 HPC Parametric Pack 사용시 계산 시간을

나타낸다.

만약 사용자가 HPC Pack 라이선스를 가지고 있다면, HPC Pack

License도 증폭되기 때문에 각 디자인 포인트에 대해 계산 시간을

줄일 수 있다.

Workbench에서

HPC Parametric Pack의 활용

■ 임성수 차장 | 태성에스엔이, [email protected]

제품소개

‘ANSYS HPC Parametric Pack의 개요‘에서 설명된 ANSYS HPC Parametric Pack을 실제 Workbench에서 어떻게

구동되는지를 알아본다.

그림 1. Workbench 플랫폼 파라메트릭 스터디

그림 2. RSM을 통한 원격 실행

그림 3. 디자인 포인트의

순차적인 업데이트

그림 4. 디자인 포인트를 동시에

업데이트

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형상 업데이트

원격으로 형상을 업데이트 하기 위해서는 2가지 난제가 있다.

첫째, CAD는 종종 Linux 클러스터링 서버처럼 계산 노드에서 접

근이 안 될 수 있다.

둘째, HPC Parametric Packs을 사용하여 여러 개의 형상 개정이

나 CAD Connection을 이용 시 로열티 문제를 가진다.

ANSYS R14.5에서는 RSM에 디자인 포인트를 넘기기 전에 클라이

언트에서 형상 업데이트가 국부적으로 요구되며, 나머지는 모두 원

격 컴퓨터 리소스를 이용한다.

라이선스 예약(Reserved Licensing)

ANSYS R14.5부터 HPCParametric Pack을 위해

Reserved Licensing이 개

발되었다. HPC Parametric

Pack은 실제로 개별적인

라이선스 키가 아닌 Reser

ved License를 사용한다.

예약된 라이선스 셋이 적

절한지 사용자는 확실히

해야 한다. 라이선스 예약의 이점은 디자인 포인트에 대해 계산시 이

용 가능한 라이선스 부족으로 인한 실패를 하지 않는 것이다.

라이선스 예약을 사용하려면 사용자가 무슨 라이선스를 필요로

하는지 알아야 한다. 이런 이유로 사용자 지원을 위해 Workbench

는 <그림 7>처럼 이전 업데이트 동안 어떤 라이선스가 사용되었는지

추적한다. 라이선스 이용 정보는 애플리케이션이 닫히고 업데이트될

때 나타낸다. Cell Property View의‘Last Update Used Licenses’

항목에 기록된다. Mechanical이나 Fluent처럼 하나의 애플리케이션

이 여러 개의 셀을 제어하는 경우에는 셀 중 하나에만 기록되며, 나

머지 셀에는 ‘Not Applicable’이라고 나타난다. 또한 Engineering

data처럼 라이선스를 요구하지 않는 셀은 공란으로 나타난다. 정확한

Used License 확인을 위해서는 Reserved Licensing을 사용하기 전

에 테스트로 하나의 디자인 포인트에 대한 계산 수행을 추천한다.

라이선스 트래킹 정보는 Reserved Licensing 창에 사용될 수 있

다. <그림 7>처럼 Parameter Set 속성에서 License Checkout 항목

을 Reserved로 변경한다. 변경 후 바로 아래‘Select Licenses’를

선택하면 라이선스를 선택할 수 있는 창이 나타난다. 만약 라이선스

사용 정보가 이용 가능하다면 Used Licenses 탭을 선택한다.

‘Select All’버튼은 쉽게 사용된 모든 라이선스를 선택할 수 있도록

한다. 만약 라이선스 사용 정보가 이용할 수 없다면 Available

Licenses 탭에서 필요한 라이선스를 선택하면 된다. HPC

Parametric Pack 라이선스를 사용하기 위해서는 HPC Parametric

Pack 키를 선택 후 추가하여야 한다.

HPC Parametric Pack 구동 방법

HPC Parametric Pack은 사용자에 의해 필요한 라이선스를 예약하는 것이 필요하다. 이 라이선스 조합은 라이선스 연결에 의한 식

별자가 주어진다. 디자인 포인트는 각 디자인 포인트를 위한 개별

라이선스를 체크하는 대신에 요구되는 라이선스를 만족하기 위한 식

별자를 사용할 수 있다. 라이선스 연결은 동시에 n개의 디자인 포인

트를 계산할 수 있도록 허락한다. 여기서 n은 HPC Parametric

Pack 라이선스 개수에 의존한다. RSM 사용은 ANSYS가 시작부터

끝까지 전 과장을 패키징할 수 있도록 한다.

맺음말

HPC Parametric Pack을 사용할 경우 적은 라이선스 수로 최대한

빨리 최적의 설계값을 도출할 수 있을 것으로 판단된다.

그림 5. HPC Parametric Pack 이용시 계산 시간 비교

그림 6. Reserved License Set

그림 7. License Tracking

그림 8. HPC Parametric Pack과

Reserved License Set

그림 9. HPC Parametric Pack과 RSM

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프로그램 분석

Remote Solve Manager(이하 RSM)는 ANSYS v10부터 지원을

시작하여, 현재 v14.5까지 기능이 계속해서 개발되고 있다. 하지만

RSM을 처음 접하거나 들어보았지만 아직 그 기능이나 사용법을 자

세히 알지 못하여 활용하지 못하고 있는 사용자를 위해 이번 기사를

준비하였다.

RSM의 기능

RSM의 주 기능은 해석 작업(Job)을 고성능 시스템에 전달하고 계

산 결과를 다시 가지고 오는 ‘중계자 역할(Middle Tier)’및 ‘작업

관리자 역할(Job Manager)’을 해 주는 것이다.

예를 들어, 개인용 로컬 PC의 사양은 떨어지나 해석용 고사양 시

스템을 공용으로 사용하는 경우 로컬 컴퓨터에서 전처리 작업한 파일을 해석용 시스템에 옮긴 후 해석을 수행하고 생성된 결과 파일을

다시 가져와야 하는데, RSM을 사용하지 않는 경우에는 이러한 일련

의 작업들을 전부 사용자가 수동으로 수행하여야 한다. 또한 다른

사용자가 먼저 해석을 수행 중이라면 끝날 때까지 대기하고 있어야

하는 번거로움이 있다. 하지만 RSM을 사용하면 파일을 옮기는 과정

과 해석을 수행하는 부분을 자동으로 해 주며 서로 다른 사용자가

요구하는 해석도 효과적으로 관리할 수 있다. RSM을 활용한 과정을

살펴보면 <그림 1>과 같다.

<그림 1>과 같이 여러 사용자가 여러 개의 Job을 동시에 해석하고

자 할 때, RSM은 Job을 Submit한 순서대로 작업을 수행한다. 즉,

Job 1이 계산되는 동안에 Job 2, 3번은 대기하고 있고 Job 1이 완료

되면 순차적으로 Job 2, 3번이 실행된다.(기본값) 또는 옵션으로 여

러 개의 Job을 동시에 해석하도록 설정하는 것도 가능하지만, 이 경

우에는 여러 Copy의 License를 필요로 한다.

RSM 설치 방법

RSM은 계산 서버(Compute server)와 클라이언트(Client)의 크게

두 가지 형태로 설치가 된다. 서버는 해석이 실행될 시스템에 설치

하고, 원격으로 작업할 로컬 컴퓨터에 클라이언트로 설치한다. 기본

적으로 ANSYS를 설치하면 RSM도 함께 설치가 되며, 별도의 설정만 해 주면 된다. 참고로, ANSYS는 14.5 버전부터 RSM Setup

Wizard라는 설정을 도와주는 유틸리티를 지원하고 있지만, 이번에는

기존 방법대로 설치하도록 하겠다.(~14.5까지 동일한 방법)

ANSYS Remote Solve Manager 활용 방법

이번 호에서는 ANSYS에서 제공하는 Remote Solve Manager의 사용 방법 및 활용 방안에 대해 알아보도록 한다.

■ 박상철 대리 | 태성에스엔이, [email protected]

그림 1. RSM을 이용한 해석 과정 그림 2. Service를 실행하기 위한 배치파일들

※ 설치전 주의사항

■ 서버 설치시 관리자 권한(Administrator)을 가진 계정으로 설치해야 한다.

■ RSM 관련 서비스들을 실행시키기 위해 RSM이 설치된 경로(예 :

C:\Program Files\ANSYS Inc\v145\RSM\Config\tools\win)에

있는 배치파일(3개)을 실행한다. 단, 파일명 앞에 Unreg-가 붙은 파일들

은 실행하지 않는다.(그림 2)

참고

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프로그램 분석

서버 설치

RSM 실행

시작 메뉴 → ANSYS 14.5 → Remote Solve Manager → RSM

14.5를 클릭하여, RSM을 실행시킨다.

패스워드 설정

[Set Password...]라고 적힌 부분에 마우스 우 클릭하여 관리자

권한을 가진 계정의 Password를 입력한다.

Compute Server 추가

RSM의 트리 창에서 Compute Server를 우클릭 후 Add를 선택

하여 계산용 서버를 추가한다. Display Name을 입력하고 Machine

name에 해당 컴퓨터의 Host name 또는 IP 주소를 입력한다.

Queue 추가

Queue에 우 클릭하여 Add를 실행한다. Queue Name을 설정하

고, Assigned Server에 앞에서 정의한 Compute server를 체크 후

OK 버튼을 클릭한다.

서버 테스트

생성된 Compute Server에 우 클릭한 후 Test Server를 실행하면서버 테스트를 위한 Test Job이 실행되며, RSM 창 우측 영역에서

상태를 확인할 수 있다. Finished라는 상태가 나타나면 정상적으로

서버 설정이 완료된 것이다.

그림 6. Queue 추가

그림 3. RSM 실행 초기 화면

그림 4. Password 설정

그림 5. Compute Server 추가 그림 7. Test Server

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프로그램 분석

클라이언트 설치

RSM 실행

서버와 마찬가지로 시작 메뉴를 통해 클라이언트에서도 RSM을

실행시킨다.

서버 추가

앞에서 설정한 RSM 서버를 추가하기 위해 RSM의 메뉴 Tools →

Option을 실행한다. Name 창에 서버의 host name 또는 IP 주소를

입력한 후 Add를 클릭한다.(Localhost는 uncheck해도 된다.)

패스워드 설정

서버와 마찬가지로 Set password를 클릭하여, Compute Server

의 계정명과 패스워드를 입력한다. 이때 반드시 계정은 ‘host

name\계정 이름’의 형태로 입력한다.

계정 설정

다시 한번 우 클릭한 다음 이번에는 Account를 선택한다. <그림

10>과 같이 현재 접속한 계정과 실제 권한을 가지는 대체 계정을 설

정하고 사용할 서버를 선택해 준다.

테스트 서버

서버와 마찬가지로 서버를 테스트한다. 문제가 생기는 경우는 대

부분 계정의 권한 문제이므로 관리자 계정인지 앞의 3, 4번 과정을

다시 한번 확인한다. 정상적으로 Job이 완료되면(Finished) 클라이

언트의 설정도 완료된 것이다.

Mechanical에서 Remote Solver 설정

RSM에 대한 설정은 완료되었다. 이제 Mechanical 환경에서 원격

솔버를 이용해서 계산을 하는 방법을 알아보도록 하겠다.

Solve Process setting 실행

Mechanical을 구동한 후 메뉴 → Tools → Solve process

setting을 실행한다.

Remote 솔버 추가

Add Remote를 클릭하여 Remote Solver를 추가한다. 이름을 설

정하고 Computer setting 부분에 다음과 같이 설정한다.

그림 8. 서버(Compute server)를 RSM에 추가

그림 9. 계정과 패스워드 설정

그림 10. 현재 접속한 계정과 실제 권한을 가지는 대체 계정을 연결

그림 11. Solve Process setting 실행

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프로그램 분석

Remote Solver 실행

Mechanical 창 상단에 있는 Solve 버튼의 우측에 있는 화살표를

클릭하면 <그림 13>과 같이 솔버를 선택할 수 있는 창이 나타난다.이 때 Remote solver를 선택하면 해당 솔버로 계산이 수행된다. 계

산 과정 및 상태는 RSM에서 확인이 가능하다.

결과 가져오기

Remote Solver로 계산을 완료한 후 결과를 확인하려면 한 가지

과정이 더 필요하다. 바로 결과를 서버에서 계산된 결과를 가지고

오는 작업이다. <그림 15>와 같이 마우스 우 클릭으로 간단하게 결과

를 가져올 수 있다.

결론

지금까지 RSM의 기능과 설정 방법을 알아보았다. MS Windows

환경 내에서 일반 PC에 설정하는 방법을 알아보았지만 다른 OS 및

Cluster 환경에도 RSM을 적용할 수 있으며(Windows server 2008

R2 HPC, Linux 등) RSM은 별도의 라이선스가 필요하지 않기 때문

에 제한된 라이선스와 제한된 시스템에서 보다 효과적으로 솔루션

을 운영할 수 있는 유용한 모듈이라고 할 수 있겠다.

그림 12. Remote 솔버 추가 및 세팅

그림 13. Remote Solver로 계산

그림 14. RSM에서 작업 상태

그림 15. 결과 가져오기(Get Results)

■ Solve Manager : Compute server의 Host Name 또는 IP주소 입력

■ Queue : 앞에서 만든 Remote Queue 선택

■ License : 계산에 사용할 라이선스 선택

■ 참고로, Advanced 옵션에 들어가면 사용할 Processor 개수 및 GPU

가속 여부를 선택할 수 있다.(단, 별도의 라이선스 필요)

■ Set as Default를 클릭하면 Remote solver를 기본 솔버로 설정하며,

Solve 버튼을 누를 때 자동으로 Remote Solver로 실행한다.

참고

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프로그램 분석

DesignModeler-Icepak Persistent Workflow

DesignModeler를 통한 Icepak의 해석용 모델링 작업에서 새로

운 기능이 추가가 되었다. 기존에는 Icepak에서 모델링 및 경계조건

입력, 격자생성 작업 중에 모델 수정이 필요하여 DesignModeler에

서 해석 모델을 수정, 추가 혹은 삭제를 하게 되면 Icepak으로 모델

을 업데이트할 때 해석 모델은 무조건 대체(replacement)가 되었다.

그렇기 때문에 단 한 개의 Object가 변경되더라도 그 전에 작업했던

설정이 전부 초기화가 되기 때문에 처음부터 다시 설정해 주어야 하

는 번거로움이 있었다.

하지만 새로운 버전의 DesignModeler-Icepak의 작업에서는Refresh Input Data에 새로운 기능인‘Update model’기능이 생겨

형상 중 수정된 부분만 업데이트가 되기 때문에, 이전에 설정했던

내용들이 초기화되지 않고 작업을 이어서 해 줄 수가 있게 되었다.

One-way Coupling with HFSS & Maxwell

기존의 ANSYS Icepak은 ANSYS Mechanical과 1 way, ANSYS

SIwave와는 2 way 연성해석을 지원하고 있었다. 새로운 버전의

Icepak은 HFSS 및 Maxwell과의 1 way 연성해석을 추가로 지원을

한다.

Icepak은 Maxwell로부터 resistive loss를 Volumetric 형태로

Workbench project schematic을 통해 불러온다. Magnetostatic과

eddy current로 손실되는 power도 Maxwell에서 계산하여 Icepak

으로 가져올 수 있다. HFSS로부터는 dielectric 및 resistive loss를Volumetric 및 Surface 형태로 Workbench project schematic을

통해 불러올 수 있다.

앞의 HFSS와 Maxwell에서 계산된 Power는 Icepak에서 EM

Mapping을 통해 불러올 수 있다. <그림 3>은 Icepak과 Maxwell간

의 1 way 해석의 개략적인 process를 보여주고 있다.

ANSYS Icepak v14.5 Review

이번 호에서는 전기전자분야 열 유동 해석 전문 tool인 ANSYS Icepak 14.5 버전의 업데이트 내용에 대해 알아보자.

■ 송영배 대리 | 태성에스엔이, [email protected]

그림 1. Refresh Input Data

그림 2. One-way Coupling with HFSS & Maxwell

그림 3. Maxwell-Icepak One-way Coupling process

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프로그램 분석

ANSYS Icepak-Apache Sentinel TI Coupling

Icepak 14.5 버전에서부터 Apache Sentinel TI와의 two-way

coupling 해석이 지원된다. Apache Sentinel TI는 반도체 Chip/

Package level 열 해석 tool로 Icepak에서 사용할 수 있는 Chip/

Package의 power map을 생성한다. Icepak에서는 Sentinel TI에서

생성된 Chip/Package의 power map을 바탕으로 시스템 레벨 열

유동 해석을 진행하며, Sentinel TI에서는 Icepak 해석 결과

(Package의 heat transfer coefficient)를 불러와 Package 주위의

경계조건이 고려된 power map을 생성한다.

Icepak-Sentinel TI 2-way 연성해석을 이용하면 반도체 패키지

의 junction 온도를 보다 정확하게 해석할 수 있다.

Altitude Adjustments

보통 항공장비들에 대한 전자장비 냉각해석 시 고도를 고려하여

물성치들을 고도에 맞게 변경하여 입력을 해주어야 했다. 그 이유는

공기의 밀도는 고도가 올라갈수록 급격히 감소하기 때문에 Fan 등

을 이용한 냉각장치 해석에 있어서 지표면일 때와 많은 차이가 있기

때문이다.

새로운 버전에서는 이러한 항목들을 전부 수계산하여 입력해 주

는 것이 아닌 Altitude effects 메뉴에서 항목만 체크를 하게 되면

자동적으로 고도에 따른 공기의 특성이 자동으로 업데이트가 되며,

또한 모델 내에 들어있는 Fan에 대해서도 입력된 P-Q 곡선이 지표

면 기준으로 입력된 고도만큼 자동으로 보정이 되어 조정된다.

Package Enhancements

Flip-chip package의 TSV 구조를 회로(trace)를 불러온 다음

Apache Sentinel TI 또는 Cadence Encounter로부터 불러올 수 있

다. 또한 TSV의 표시기능이 강화되어 Trace display시 via, micro

bump, interposer 등의 TSV의 구성요소들이 보여진다.

그림 6. 고도에 따른 P-Q curve의 변화

그림 7. Altitude effect의 설정

그림 4. Icepak-Apache Sentinel TI Coupling

그림 5. Import Apache power map data

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프로그램 분석

LED package에 대한 해석을 할 경우 block 및 source object에

LED source라는 새로운 항목이 추가가 되어 temperature

dependent LED source를 입력할 수 있게 되었다. 온도에 따른source의 power를 LED의 forward current(IF)와 forward

voltage(VF)의 입력을 통해 해석을 할 수 있다.

이 밖에도 Package object에도 Die power에 temperature

dependent die power에 대한 기능이 추가가 되었다. Temperature

dependent power는 package object의 total power 항목에서

linear 또는 piecewise linear의 형태로 입력할 수 있다.

PCB Enhancements

PCB object에서 PCB 형태가 기존에는 prism 형상만 지원했지만

14.5 버전부터는 polygonal 형상도 지원하게 되었다. 또한 PCB의

wedgelocks, stiffener와 bolt의 형상 및 열 전도도를 고려한 해석이

될 수 있도록 Macro에 새로운 모델이 추가가 되었다. IDF를 이용하

여 PCB 모델을 불러 올 때 PCB나 Component의 형상이 변화가 있

다면, 업데이트 기능을 사용하여 두 번 작업하는 번거로움을 없앨

수 있게 되었다.

Meshing Enhancements

복잡한 모델을 해석할 때 Icepak에서 Fluent로 해석 데이터를 넘

기면 Fluent에서 종종 Left-handed mesh라던지 missing face

mesh error가 발생해 해석이 진행되지 않는 경우가 있었다. 이제까

지는 이러한 에러는 Icepak에서 확인을 할 수 없었지만 새로운 버전

의 Icepak에서는 이러한 에러들에 대한 진단도구가 추가가 되어

Fluent에서 해석 시 에러발생 여부를 미리 알려주게 되었다.

또한 Multi-level meshing으로 격자 생성시 per-object mesh

parameter 기능을 사용하지 못했지만 Icepak 14.5 버전부터는 이

기능을 사용하여 격자를 생성하는데 이용할 수 있다.

그림 8. TSV data import

그림 9. LED temperature dependent power 입력

그림 10. PCB upgrade

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프로그램 분석

Graphics Enhancements

PCB trace를 불러왔을 때 이제까지는 패턴들이 2D로 표현이 되

어 층 구분하기가 힘들었다. 하지만 새로운 버전부터는 이 패턴들을

3D 형태로 확인할 수 있게 되어 보다 쉽게 회로들을 확인해 볼 수

가 있게 되었다.

또한 격자 확인시 Solid fill 항목이 구분되어 있지 않아 object 개

별적으로 볼 때, 혹은 plane으로 단면만 확인할 때 전부 한 가지 설

정으로만 볼 수가 있었는데 Icepak 14.5 버전부터는 이러한 설정이

분리되어 있어 보다 편하게 격자확인 작업을 할 수 있게 되었다.

그밖에 Point rotate 기능이 추가가 되어 화면상에서 클릭한 부분

을 중심으로 rotation을 해 줄 수가 있으며, Scale to fit object 기능

이 새로 추가되어 어떠한 한 object를 중심으로 화면상에서 확대해

볼 수 있게 되었다.

맺음말

지금까지 Icepak v14.5에서 추가되거나 향상된 기능들에 대하여

살펴보았다. 업그레이드된 내용을 보면 가장 중점적인 사항은 유저

의 편의성과 그래픽 기능의 향상이었다. 또한 계속적인 발전을 이루

는 전자산업에 뒤쳐지지 않게 TSV 등의 최신 기술이 업데이트되었

고, 여러 가지 전자해석 툴들과의 연성해석이 보다 쉽게 이뤄질 수

있도록 업그레이드가 되었다. 이러한 기능의 업데이트로 인하여 보

다 쉽고 편리한 Icepak 해석이 가능할 것이라는 생각이 든다.

그림 11. per-object mesh parameter for multi level

그림 12. Trace import

그림 13. Mesh display panel

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DesignModeler를 이용한 Point Extraction

DesingModeler에 추가된 기능 중에 TurboGrid에서 격자를 생성

할 수 있도록 data point를 추출하여 Turbogrid curve 파일을 만들

어 주는 기능이 있다. 이 기능을 이용하면 기존 3차원 CAD 형상으

로부터 TurboGrid curve 파일을 만들 수 있고 격자 생성 후 CFX를

이용하여 유동해석을 수행할 수 있다. 다음 자료는 예제로부터 필요

한 부분을 발췌하여 설명한 것이다.

Meridional Plane 설정

DesignModeler에서 3차원 형상으로부터 데이터를 추출하기 위

해서는 자오면(Meridioanl Plane)이 정의되어야 한다. 이 때 주의할

사항은 작업하는 자오면이 반드시 ZX plane이어야 한다는 것이다.

BladeGen에서 작업하는 경우 default로 회전축이 Z축으로 출력되기

때문에 회전축은 Z축이어야 하며, 일반적으로 ZX plane에서 작업하

는 편이 에러가 생기지 않는다.

자오면 curve 생성

생성된 자오면에 유로 passage를 정의할 수 있는 sketch를 추가

하여야 한다. Sketch는 4개가 필요하며 각각 inlet, outlet, hub,

shroud의 curve를 나타내어야 한다. 각각의 sketch에 직선 및 곡선

의 형태로 유로를 정의하여야 하며, 반드시 4개를 합할 경우 Close

되도록 선을 그려야 한다. 선과 선이 틈이 벌어져서 Open된 경우

Meridional 면을 정의하는 Flow Path에서 에러가 발생한다.

Sketch에 Draw 기능을 이용하여 직접 선을 그릴 수도 있으며, 기

존에 CAD로부터 선을 추출하여 사용할 수도 있다. <그림 2>에 기존

CAD에서 선을 추출하는 방법을 설명하고 있다. 예제로 나타낸 CAD

의 경우 상부 shroud는 비교적 넓은 범위로 작성되어 있어 ZX면으

ANSYS BladeModeler 를 이용한

CAD 형상으로부터의 Blade 역설계 방법BladeModeler를 이용하여 날개의 형상을 생성한 경우 TurboGrid를 이용한 격자생성 및 Blade의 수정이 용이하다. 그러나

Blade의 설계자료가 없거나, 역설계하기 위한 3차원 CAD 형상만이 존재하는 경우 BladeGen을 이용한 형상수정 등이 여

의치 않다. 이번 호에서는 3차원 CAD 형상이 존재하는 경우 TurboGrid로 격자생성을 하는 방법을 써서 BladeGen의 형상

으로 복원하는 방법에 대해 설명한다. 이 방법은 기존의 ICEM을 이용한 것보다 편리하게 형상을 복원할 수 있으며, 관심

있는 유체기계의 날개 깃각분포 등을 파악하여 기존에 설계된 날개의 설계정보를 파악하는데 유동하게 적용할 수 있다.

■ 이용갑 부장 | 앤플럭스, [email protected]

프로그램 분석

그림 1. 회전축 및 자오면 설정

그림 2. Hub, Shroud line 추출 방법의 예

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프로그램 분석

로 자를 경우 전체 라인을 다 따낼 수 있다. 그러므로, Slice 등의

기능을 이용하여 단면을 잘라내는 방법으로 쉽게 line을 추출할 수

있다. 그러나, 하부의 hub의 경우는 CAD의 형상이 부족하여 일부분

만 ZX면에 걸쳐있고 이 경우에는 추가로 CAD 형상을 작성한 후

Slice 기능으로 완성된 단면을 따내야 한다.

Hub, shroud line이 정의되었다면, Draw 기능을 이용하여 inlet과

outlet line을 그려준다. 이 때 기존 hub, shroud 선의 point로부터

연결된 선을 그리기 위해 Point constraint(Mouse가 P가 되는)가 되

도록 주의한다.

Flow Path로 자오면 정의

Inlet, Outlet, Hub, Shroud를 정의하는 4개의 sketch가 정의되었

으면 Flow Path를 정의할 수 있다. <그림 4>에서와 같이 자오면을

정의하는 Flow Path를 Click한 후 미리 만들어 둔 4개의 sketch를

각각의 항목에서 선택한다. 문제없이 정의되었다면 <그림 4>와 같이

Flow Path가 완성된다.

Insert LayerDesignModeler에서 TurboGrid curve point를 추출할 때 기존

ICEM을 이용하는 경우에 비해 편리한 점은 추가로 Layer를 설정하

기 쉽다는 것이다. 위에서 Flow Path가 완성되었다면, hub에서

shroud 사이에 원하는 만큼 추가로 데이터를 추출할 수 있는 layer

를 삽입할 수 있다. 날개의 형상이 간단하다면 hub와 shroud 2개의

layer만으로도 충분하지만 날개의 형상이 복잡한 경우는 layer를 추

가하여 형상을 잘 따라갈 수 있게 데이터를 추출할 필요가 있다.

<그림 5>와 같이 Flow Path에 Layer를 필요한 만큼 추가한다.

TurboGrid Curve 파일 생성

Flow path가 완성된 후에 DesignModeler의 Exports Point 기능

을 이용하여 TurboGrid Curve 파일을 생성한다. Default는

Workbench 안에서 TurboGrid를 사용하게 되어 있으므로,

Workbench 디렉토리 밑에 curve 파일들이 생성된다. 이 파일들을

얻는 것이 1차 목표이다.

이 작업을 진행할 때 흔히 에러가 발생하는 원인은 생성한 hub,

shroud 선으로 Blade surface를 intersection하는 작업이 제대로

수행되지 않는 경우 발생한다. 그러므로, Blade surface는 1개의

blade에 대해서 완벽하게 면이 형성되도록 빠짐없이 선택해 주어야

하며 hub, shroud 라인을 작성할 때 blade의 hub, shroud와 가능

한 비슷하게 sketch하여야 한다. Sketch된 hub, shroud line이

blade surface와 약간의 offset에 의하여 point extraction이 에러가

나는 경우는 <그림 7>의 hub/shroud offset %를 조절하여 해결할

수 있다.

TurboGrid에서 형상 확인

CAD로부터 BladeGen으로 역설계하는 과정에서 TurboGrid를 꼭

수행할 필요는 없다. 그러나, point extraction이 정상적으로 수행된

그림 3. Inlet, Outlet line 작성

그림 4. Flow Path를 이용한 자오면 정의

그림 5. Blade profile을 추출하는 layer 추가

그림 6. Point extraction

그림 7. Hub/Shroud Offset % 조정

그림 8. TurboGrid에서 형상 확인

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프로그램 분석

것처럼 보이는 경우에도 intersection 문제 등으로 blade의 형상이

다르게 나타나는 경우가 있으므로, TurboGrid에서 재현된 형상이

CAD 형상과 차이가 없는지를 확인하는 것이 바람직하다.

BladeGen에서 Data Import 기능을 이용한 역설계

DesignModeler를 이용하여 TurboGrid curve 파일을 생성하였다

면, 이를 BladeGen에서 읽어들여 3차원 형상을 역설계한다.

BladeGen의 data import wizard를 이용하면 iges 등 CAD로부터

직접 형상을 복원할 수 있지만, 현실적으로 TurboGrid curve 파일

을 이용하는 방법이 가장 확실하고 편리하다. 그러므로 앞의 절차를

거쳐 TurboGrid curve 파일을 생성한 것이다.

Data Import Wizard 실행

Workbench에서 BladeGen을 실행한 후 File/New/Data Import

Wizard 기능을 이용하여 TurboGrid Curve 파일을 읽어들인다.

Data Import Wizard를 실행한 후 계속 next 를 누르다가 <그림 10>

과 같이 BladeGen 생성파일을 check해 준다.

TurboGrid Curve 파일 선택

다시 계속 Next를 누르다가 <그림 11>과 같이 Gather Data File에

서 Add file 항목이 나오면 Add file 버튼을 누른 후 TurboGrid

curve 파일 3개를 선택해 준다. Curve 파일에 문제가 없다면 <그림

12>와 같이 hub, shroud, profile layer 라인이 나타난다. 이후 계속

Next 버튼을 눌러주어 다음 단계로 진행한다.

자오면 형상 확인

Next 버튼을 누르다 보면 <그림 13>과 같이 자오면 형상을 나타내

준다. Curve 파일에 문제가 없다면 이 단계까지 문제없이 진행되어

그림과 같이 자오면 형상과 유동방향, span 방향을 나타내 주는 화

살표가 제대로 나타난다.

Blade Geometry 확인

다시 Next를 눌러 진행하면 <그림 14>와 같이 자오면 라인과

blade profile 라인

을 다시 한 번 확

인하게 된다. 보통

TurboGrid 파일을

읽어 들인 경우 이

단계까지 아무 문

제없이 진행된다.

그림 9. BladeGen의 data import

wizard 실행

그림 10. BladeGen 생성 파일 설정

그림 11. Curve file 선택

그림 12. import 완료된 curve 파일

그림 13. Meridioanl Definition 확인

그림 14. Blade 형상 확인

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프로그램 분석

Blade 형상 복원 과정

Blade data import 기능은 읽어 들인 curve 파일을 그대로 만들

어 주는 것이 아니라, 읽어 들인 형상을 바탕으로 사용자가 profile

을 재구성해 주는 단계가 필요하다. Step 5 Select Tangency 단계

에서 사용자는 Blade profile의 leading edge, trailing edge 부분의

접선을 설정해 주어야 한다. <그림 15>와 같이 접선 선택 단계 메뉴

가 나타나면 Next를 누르고, 다음 단계에서 <그림 16>과 같이

leading edge와 trailing edge의 타원의 종횡비를 넣어준다. 1은 원

을 나타내고 숫자가 커질 수록 뾰족한 형상이 된다.

다음 단계에서 <그림 17>과 같이 leading edge와 trailing edge의

접선이 형성되는 점을 선택해 준다. 여기서 접선의 의미는 leading

edge 혹은 trailing edge의 원형곡선과 blade pressure 면과

suction 면을 나타내는 profile이 서로 만나는 점을 의미한다.

Leading edge와 trailing edge에서 pressure 면과 suction 면에 하

나씩 두 번 클릭하면, 보라색 선과 같이 복원된 blade profile이 나

타난다.

이와 같은 작업을 모든 layer에 대해 완료하여 <그림 18>과 같이

초록색 check 표시가 나타나게 한다. 문제가 있는 경우는 해당

layer에서 picking 및 point 설정을 수정하여 완료한다. 이 단계에서

TurboGrid curve의 데이터 포인트가 많으면 유리한데, <그림 6>의

point extraction 단계에서 Point tolerance를 작게 하면 data point

가 많아진다.

Next로 진행한 후 bgd 파일 생성단계에서 Blade 개수를 넣어주

면 <그림 19>와 같이 Blade 형상을 얻을 수 있다. 이와 같이 만들어

진 BladeGen 형상으로부터 beta 분포 등 Blade의 정보를 알아낼

수 있으며, BladeGen에서는 형상 수정이 간단하게 이루어지고 CFX

와의 연계해석이 유리하므로 성능이 개선된 날개를 얻기 위한 해석

작업 등이 용이하게 진행된다.

Blade Modeler를 이용하기 위한 License Preference

수정

앞의 작업은 BladeModeler(BladeGen+Design Modeler의

Blade Editor)를 사용할 수 있는 license가 있어야 가능하다. 또한

license가 있어도 <그림 20>과 같이 license preference에서

BladeModeler의 우선순위를 DesignModeler보다 상위에 두어야

DesignModeler의 BladeEditor가 활성화되어 작업을 수행할 수 있다.

그림 15. Blade 접선 설정 단계 진입

그림 16. leading edge와 trailing edge의 타원 정도 입력(수시로 조정 가능)

(a) 접선 picking 전 (b) 접선 picking 완료

그림 17. leading edge와 trailing edge의 접선 point 선택

그림 18. 모든 layer에 대해 접선 선택 완료 후 자오면 형상 확인

그림 19. 복원된 Blade 형상

그림 20

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쉬어가기

한 해를 보내고, 새 해를 맞이하는 이맘때면 누구나 새로운 각오로, 새

로운 출발을 계획한다.

'작심삼일'이란 말이 가장 익숙한 이 때, 설령 '작심삼일'의 쓴맛(?)을

봤을지라도 또 다시 시작하면 된다.

아무도 뭐라 할 사람 없다. 단지 다시 시작한다는게 중요!!

작년 4월, 국민건강보험공단에서 제공하는 건강검진의 그 대상자임을

통보받고, 검진기한(~12.31)까지는 여유 있음에 여유를 부리다가 결국엔

12월 31일 많은 인파 속에서 검진을 받게 됐다.

‘이왕이면 건강관리, 예방차원에서라도 미리 받아둘 걸…’하는 아쉬움

과 한편으론 지금이라도 받을 수 있어서 참 다행이다 싶어 마음이 한결

홀가분해졌다. 결과까지 좋으니. V

검진 대기 중에 몇몇 남성들은 '이 나온 배는 어찌할 꺼야. 운동을 하

자, 술을 끊자(주 7일정도 음주하시는 울 팀장님 생각이 불현듯….ㅜㅜ),

어떤 운동이 좋을까, 언제부터 할까….'

그 대화를 들으니 살짝 웃음이 났지만 자신의 건강을 돌아 볼 수 있

는 계기가 된 그 시간이 고맙기도 했다.

그들이 나눈 대화처럼 지금쯤 무언가 실천하고 있길 바란다.

지난 호에는 동종업계에 종사하고 있는 100명을 대상으로 드린 질문

중 첫 번째 질문인‘본인의 건강을 위해 현재 하고 있는 것이 있는지’에

대해 아무것도 하지 않고 있는 50명을 위해 무언가 시작할 수 있는 출발

점이 되시라고, 운동의 가장 기본이 되는 스트레칭을 실었다.

두 번째 질문인 하고 있지 않다면 해야겠다고 생각하는 것은 무엇인

지에 대한 답변들로는 요가, 런닝, 술을 줄이려는 노력, 다이어트, 줄넘

기, 금연과 꾸준한 운동, 수영, 식단조절과 유산소, 웨이트… 이처럼 건강

을 위해서 음식과 운동은 뗄래야 뗄 수 없는 필연임이 분명하다.

이번 호에는 지난 호에 약속했던 두 번째 장! 몸의 전체적인 균형을

위한 전신운동을 통해서 머리끝에서 발끝까지 몸을 정렬하여 체형의 기

본틀을 아름답게 빚는 시간을 가져보자.

아름다움은 곧, 균형이고, 균형은 곧 건강을 의미한다.

몸을 정렬하는 것은 자신의 몸을 좀 더 세심하게 관찰하고, 변화를 살

피어 내 몸이 무엇을 요구하는지를 하나씩 하나씩 알아가는 것이다.

당신의 몸을 알고,

당신의 몸을 길들이면,

당신의 몸은 창조된다는 글 귀처럼 내 몸을 아는 것부터가 시작이다.

자~ 시작이 반이라고 하니 얼른 시작 해 보자. Let's Go ~~

이번 시간에는 스쿼트(Squat)와 로우(Row) 동작을 소개하려 한다.

생활체육을 실천하고 있는 친구들의 모임

나비야나비야 Painted Lady이야기는

전 휘트니스 국가대표 이정임 팬카페

(caf´e.daum.net/silver2005)에서

만날 수 있습니다.

※ 휘트니스 군단의 새로운 이름 Painted Lady는

'작은멋쟁이'라는 나비의 이름입니다.̂ ^

100%를 위한 50% 단련법 !!100명의 대상자 중 현재 건강관리를 하지 않고 있는 50명을 위해,

100%의 운동에너지 중 단 50%의 운동에너지만으로 오랫동안 해 나가는 것이

진정한 건강관리를 위한 그 해답이다.

오래달리기를 주저하지 않는 러너(runner)가 되자!

■ 글 : 서인영 차장 | 태성에스엔이, [email protected]

■ 모델 : 허지혜 | tvN 화성인X파일 황금보디 사계절 패딩녀 출연, 나비야나비야 Painted Lady 멤버

1. 본인의 건강을 위해 현재 하고 있는 것

2. 하고 있지 않다면 해야겠다고 생각한 것

3. 운동을 통해 신체 중 단련하고 싶은 부위

4. 그 이유

■ 스쿼트(Squat) : '앉다', '웅크리다'의 뜻으로 양발을 가볍게 벌리고 서서

발바닥을 바닥에 밀착시킨 채 등을 펴고 무릎을 구부렸다 폈다 하는 운동

■ 로우(Row) : 노젓기란 뜻으로 마치 노를 젓는 모양으로 팔을 펴고 당

기면서 등을 수축, 이완하는 운동

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쉬어가기

■ 동작 : 머리끝에서 발끝까지 전신을 가지런히 정렬한 후, 두 발은 모은 상태에

서 배꼽을 중심으로 복부를 아래위로 당기고, 가슴은 위로 UP한 자세에서 고관

절을 이용하여 힙을 뒤로 빼면서 무릎을 함께 구부리며 의자에 앉는 자세를 취

한다.

이 때, 손 끝은 모아주고, 양팔은 함께 앞으로 뻗으며 앉는다. 앉을 때 코로 숨을

들이 마시고, 일어날 때 입으로 숨을 내 뱉는다.

앉았다 일어났다를 10회 반복한다.

■ 주의 : 상체가 앞으로 숙여지지 않도록 가슴을 위로 UP하고, 어깨도 앞으로

딸려가지 않도록 한다.

양쪽 허벅지와 무릎은 서로 떨어지지 않도록 주의하고, 일어날 때 발바닥을 미는

느낌으로 일어나면 효과적이다.

■ 효과 : 하체 운동으로 분류되어 있는 동작이지만 머리끝에서 발끝까지 긴장감

을 갖고 실시하는 동작이므로 전신운동이라 할 수 있으며, 전체적인 밸런스(체형

교정)와 탄력 있는 하체, 그리고 힙업까지!!

● Tip : 모든 운동이 그러하지만 준비자세는 물론 그 트레이닝 과정이 중요하므

로 동작(모양새)에만 치중하지 말고, 몸의 반응에 귀를 기울이자.

■ 동작 : 내로우 스쿼트와 같은 자세와 동작으로 실시하되, 모았던 두 발의 간격

을 자신의 어깨너비 정도로 벌려서 실시하는 것이 다른 점이다.

■ 주의 : 앉았다 일어났다 할 때, 두 무릎의 방향은 발 끝의 방향과 일치하도록

한다.

■ 효과 : 하체의 균형있는 발달!!

■ 동작 : 머리끝에서 발끝까지 전신을 가지런히 정렬한 후, 두 발의 간격은 어깨

너비의 두 배 정도로 벌리고 발의 방향은 45도 각도로 한 다음, 손 끝은 모아주

고 양팔은 몸과 나란히 일자가 되도록 양 옆으로 벌린다. 고관절을 이용하여 힙

을 뒤로 빼면서 무릎을 함께 구부리며 앉았다가, 고관절을 펴면서 처음 자세로

돌아온다.

앉았다 일어났다를 10회 반복한다.

■ 주의 : 상체가 앞으로 숙여지지 않도록 가슴을 위로 UP하고, 두 무릎의 방향

은 발 끝의 방향과 일치하도록 한다. 동작시 무릎을 폈다 구부리는 것이 아니라

고관절을 이용하는 것임에 주의하자.

■ 효과 : 탄력 있는 하체, 특히 허벅지 안쪽에 효과적이다.

■ 동작 : 머리끝에서 발끝까지 전신을 가지런히 정렬한 후, 두 발의 간격은 어깨

너비보다 조금 좁게 벌리고, 손 끝은 모아주고, 양팔은 몸 앞으로 올려서 귀 옆까

지 가져온다.

이 때 어깨가 올라와 있다면 팔은 그대로 두고 어깨만 내린 다음 고관절을 접으며 상체를 앞으로 뻗는다. 뻗은 팔과 등이 일직선이 되는 지점까지만 내린 후(개

인의 유연성에 따라 각도가 달라질 수 있다.) 안정된 착지를 위해 무릎은 살짝

구부려 주고, 뻗은 팔은 <그림 1>과 같은 경로로 당겨주고, 그 경로 그대로 다시

뻗어준다. 당길 때 입으로 숨을 내 뱉고, 뻗을 때 코로 숨을 들이 마신다. 이를

10회 반복한다.

팔을 당기는 듯 보이지만 등을 이용하여 등을 수축, 이완하는 동작이다.

■ 주의 : 일어날 때는 상체를 아래로 떨어뜨려 등을 둥글게 말아서 올라오고 머

리는 제일 마지막에 든다. 그래야 부상을 방지할 수 있다.

■ 효과 : 매끈하고 섹시한 등 라인!!

오래 달리기

그 두번째 장, 전신운동!

전신거울에 비춰진 자신의 모습을 꼼꼼히, 구석구석 살펴 본 적이 언제였는지!

금방 보고도 또 보고 싶어지는 연인처럼, 자신의 몸 또한 그리도 사랑스럽게 느껴지는지!!

전신운동을 통해서 건강하고 아름다운 몸, 자꾸 보고 싶어지는 사랑스러운 몸을 가꿔보자.

이번 호에 소개하는 스쿼트(Squat)와 로우(Row) 는 전신운동으로 가장 기본이 되면서도, 기본이기에 더욱 중요한

동작으로 자신의 몸을 이해하는데 좋은 친구가 되어 줄 것이다.

욕심은 버리고, 단 50%의 운동에너지만으로 꾸준히 내 몸과의 대화를 습관화하자.

내로우 스쿼트(Narrow Squat)

스탠다드 스쿼트(Standard Squat)

narrow

standard

와이드 스쿼트(Wide Squat)

바디 로우(Body Row)

<그림 1>

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현재의 CAE 시장에서는 구조해석 기법인 FEM과 유동해석 기법

인 CFD를 연결한 FSI(Fluid-Solid Interaction) 해석이 많은 주목을

받고 있다. 실제로 외부 하중에 대한 구조의 거동은 유동 변화에 밀

접한 관계가 있고 반대로 구조의 거동에 따라 유동장이 바뀔 수 있

기 때문에, 유동과 구조는 상호 작용을 한다고 볼 수 있다. 과거에는

이러한 복잡한 조건을 단순화 또는 수식화하여 이상적인 하중을 적

용한 해석이 주를 이루었다면, 현재는 하드웨어 성능이 좋아짐에 따

라 FSI 해석의 활용도가 높아지고 좀더 현실적인 하중 조건 하에 해

석이 가능해졌다.

이번 호에서는 유체가 담긴 탱크 내부의 슬로싱을 줄일 수 있는

댐퍼 시스템에 대한 재미있는 Concept Design을 소개하고자 한다.해석에서는 다양한 FSI 해석 방법 중 하나인 ANSYS LS-DYNA의

ALE 기능을 다룬다. 내용을 통해 ANSYS LS-DYNA에서 활용 가능

한 FSI 기능을 알아보고 향후 활용가능성을 알아보도록 하자.

Overview

탱크에 담긴 유체는 그 유체를 담고 있는 구조체의 운동에 의해

출렁이다가 결국에는 구조물에 심한 충격을 주어 구조손상을 초래

한다. <그림 1>과 같이 탱크 내부에 자유수면을 가지게 되는 유체는

마치 파도와 같이 출렁이는데 이를 슬로싱(Sloshing) 현상이라 한

다. 이와 같은 현상은 유체화물 운반용 차량뿐만 아니라 선박용 탱

크, 심지어 흔하게 사용하는 컵 또는 물병에서도 발생하게 된다. 슬

로싱 하중에 의한 구조 손상을 줄이기 위해 다양한 연구가 이루어지

고 있고, 실제로 혁신적인 기술들이 접목된 구조설계가 개발되고 있다.

Test Case

해석 모델은 <그림 2>와 같이 단순하게 구성하였다. 물이 저장된

탱크 내부는 균일한 진폭으로 좌우병진 운동을 하고 이 움직임에 의

해 내부의 물이 좌우로 흔들리며 점차적으로 슬로싱 현상이 발생한

다. 이 때 Jumper라 지칭한 평판이 물에 의한 파(Wave)를 안정화시

켜 주고 평판이 받은 하중은 Spring Damper에 의해 감쇠된다.

Simulation time은 10초 정도이고 약 5초간 병진 운동 후 정지하

여 슬로싱 현상의 감소 여부를 평가할 것이다. 주요 평가 내용은

<표 1>에 정리하였다.

해석의 결과는 Damper의 높이를 측정하여 시간에 따라 그 높이

가 어떻게 변하는지를 비교하고, 초기 위치로 돌아오는데까지 걸리

는 시간을 파악하여 슬로싱 하중이 0이 되는 시간을 비교할 것이다.

Analysis information

본 해석은 Explicit code인 LS-DYNA를 이용한 FSI 해석이고 탱

크 주위는 물이 빠져나가지 못하도록 Wall 조건을 적용하였다.

Spring Damper 및 Jumper는 상하 병진 운동만을 하도록 조건을

주고 Spring Damper는 탱크의 상부에 고정하였다.

ANSYS LS-DYNA를 이용한 Sloshing

Damper Concept Design FSI 해석 사례이번 호에서는 유체가 담긴 탱크 내부의 슬로싱을 줄일 수 있는 댐퍼 시스템에 대한 재미있는 Concept Design을 소개하고자

한다.

■ 김두찬 | 태성에스엔이, [email protected]

해석사례

그림 1. 슬로싱 현상

그림 2. Sloshing Damper Concept Model

ScenariosNo

damper

Damper

(k=0.5)

Damper

(k=1)

Damper

(k=2)

비교 값 최대 파고tf0

(슬로싱 하중이 0이 되는

데까지 걸리는 시간)

표 1. 해석 평가 항목

7/21/2019 ANZINE_2013_01_vol_25.pdf



해석사례

유동 파트인 물과 구조 파트인 Jumper는 별도의 Interface면을

가지지 않고 LS-DYNA의 Keyword 중 하나인 *CONSTRAINED_

LAGRANGE로 상호 연결을 시켜 줌으로서 FSI 해석을 위한 조건이

충족된다.

구속된 파트가 많아질 수록 많은 해석시간이 소요되므로 물 파트

와 Jumper 파트만을 구속시켜 준다.

Jumper는 물에 비해 비중이 작은 강체로 모델링하여 자체적인

부력을 가지도록 설정해 주었다.

해석 시 물과 Jumper는 각각 Euler 형식과 Lagrangian 형식의

Element formulation을 통해 계산된다.

Result

비교 시나리오는 No damper, Damper(k=0.5), Damper(k=1),

Damper(k=2) 해석을 각각 진행하여 총 네 개의 Damper의 시간에

따른 변위를 측정하여 최대값을 비교해 본다.

<표 2>를 살펴 보자. <표 2>는 각 시나리오 별 최대 파고 값을 비

교한 것이다. Damper를 설치했을 경우 Damper가 없을 경우에 비

해 약 절반의 진폭으로 줄어들었음을 확인할 수 있다.

또한 Damper의 강성이 커짐에 따라 최대 파고가 작아짐을 알 수

있다. Damper가 슬로싱에 의한 운동에너지 증가를 막아주고

Jumper를 통해 그 에너지를 소모해 줌으로서 슬로싱을 억제하는데

큰 효과를 가져 왔음을 알 수 있다.

<표 3>을 통해 슬로싱 에너지가 완전히 제거되는데 걸린 시간을

측정해 보자. 병진 운동의 종료 시점이 5초이므로 tf0는 다음과 같이

계산된다.

<표 3>의 결과에 의하면 Damper의 강성이 커짐에 따라 슬로싱이

억제된 시간이 짧아졌다. 이는 Damper의 스프링 강성이 클수록 그

효과가 좋아짐을 의미한다.

그림 3. 시간에 따른 슬로싱 파고 결과 : No Damper 그림 4. 시간에 따른 슬로싱 파고 결과 : Damper(k=0.5)

Scenarios No

damper

Damper

(k=0.5)

Damper

(k=1)

Damper

(k=2)

최대 파고(m) 0.105 0.048 0.038 0.021

표 2. 최대 파고 비교

tf0 = 예상 슬로싱 끝남 시점 - 5

Scenarios No

damper

Damper

(k=0.5)

Damper

(k=1)

Damper

(k=2)

tf0 5초 이상 약 4초 약 3초 약 2초

표 3. 최대 파고 비교

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해석사례

마무리

본 글에서는 ANSYS LS-DYNA에서 활용 가능한 FSI 해석 기법과

슬로싱 하중을 감소시킬 수 있는 재미있는 Concept Design 해석을

다루어 보았다.

현재 공식 배포된 ANSYS Workbench 14.5에서는 LS-DYNA

Export를 통해 일반적인 충돌 해석 및 Lagrangian 기법을 이용한

FSI 해석을 위한 Pre-Processor만을 제공했다. 뿐만 아니라

LS-DYNA Export를 통해서 단지 k 파일을 생성하고 해석은 APDL

Launcher에서 이루어졌기 때문에 사용자에게 다소 번거로움이 있

었으나, ANSYS 본사 관계자에 따르면 빠른 시일 내에 출시될

ANSYS 15.0에서는 LS-DYNA의 거의 모든 기능이 ANSYS

Workbench에서 활용 가능하도록 개발될 예정이라고 하니 ANSYS

LS-DYNA 사용자들에게 굉장히 반가운 소식이다. 다음 호에는

ANSYS Workbench를 통한 LS-DYNA FSI 해석을 소개할 수 있길

기대해 본다.

그림 5. 시간에 따른 슬로싱 파고 결과 : Damper(k=1)

그림 6. 시간에 따른 슬로싱 파고 결과 : Damper(k=2)

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해석사례

Introduction

인발공정은 봉재나 관재를 테이퍼 형상의 구멍을 가진 다이(die)

에 통과시켜 다이의 최소 단면치수로 제조하는 방법이다. <그림 1>은

이번 호에서 소개하고자 하는 이중튜브의 인발과정을 나타낸 것으

로, 내경과 외경이 서로 다른 두 개의 튜브가 다이와 플러그 사이를

통과하면서 설계자가 원하는 치수의 단면을 결정할 수 있다.

이러한 이중튜브는 단일튜브와 비교하여 기밀성, 신뢰성, 파열 저

항성 등의 측면에서 아주 우수하여 석유화학, 발전설비, 기계부품,

원자력 등에 폭넓게 사용되고 있다.

이중튜브의 인발을 위해서는 인발공정 시 공정변수들이 미치는영향평가 및 이를 통한 공정변수 선정이 매우 중요시되고 있는 실정

이다. 국내외 인발공정에 관련된 논문이나 사례를 찾아보면 소재의

종류, 다이의 입구각도, 접촉부분의 마찰력이 주요 변수로 작용하는

것을 알 수 있으며, 유한요소해석을 통해 변수들의 값을 예측하고

있다. 하지만 이중튜브 인발에 관련된 자료는 거의 찾아볼 수 없었

으며, 이에 이번 호에서는 ANSYS Mechanical APDL을 이용하여

이중튜브의 인발해석을 수행하고 주요변수들의 영향 정도를 살펴

보았다.

Geometry

이중튜브의 인발해석을 수행하기 위하여 3D 전문 CAD 프로그램

인 SpaceClaim을 사용하여 모델링을 수행하였다. 이때 해석의 효율

성 향상 및 계산시간의 단축을 위해 2차원 축대칭 모델링을 수행하

였으며, 주요 변수로 작용하는 다이의 각도를 25°에서 5°까지 변경

해가며 모델링을 수행하였다. <그림 2>는 이중튜브의 인발해석을 위

한 2차원 모델을 나타낸다.

Finite element model

유한요소 모델링은 ANSYS Mechanical APDL을 이용하여 <그림

3>과 같이 나타내었다. 이때, 2차원 축대칭을 모사할 수 있는 요소의

이중튜브 인발해석 사례

인발공정은 봉재나 관재를 테이퍼 형상의 구멍을 가진 다이(die)에 통과시켜 다이의 최소 단면치수로 제조하는 방법이다. 이번 호에

서는 ANSYS Mechanical APDL을 이용하여 이중튜브의 인발해석을 수행하고 주요변수들의 영향 정도를 살펴 보도록 한다.

■ 장형진 사원 | 태성에스엔이, [email protected]

그림 1. 이중튜브의 인발공정

그림 2. 이중튜브의 2차원 축대칭 모델

그림 3. 이중튜브의 유한요소 모델링

해석사례

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해석사례

타입으로는 Plane182(2-D 4-Node Structural Solid)와

Plane183(2-D 8-Node Structural solid)이 있으며 KEYOPT(3)을

Axisymmetric으로 변경하여 사용한다. 인발해석과 같은 대변형이

요구되는 해석에서는 고차 요소인 Plane183을 사용하는 것이 비교

적 수렴성이 높게 나타나는 것을 확인하였다.

Material properties

인발에 사용되는 소재는 매우 다양하며, 연질 소재는 다이의 각도

를 크게 하여 단면감소율을 높이고 경질 소재는 다이의 각도를 작게

하는 특징이 있다. 재료의 물성은 탄성부터 소성구간까지 고려하여

해석을 수행하며, ANSYS에서는 Multilinear Isotropic Hardening을

통해 재료의 소성구간을 적용하였다. <그림 4>는 인발해석에 사용된

재료의 Stress-Strain 곡선을 나타낸다.

Contact conditions

인발과정에서 접촉이 발생하는 다이와 튜브, 튜브와 튜브, 튜브와

플러그에 대해서는 Surface-to-Surface 접촉과 Standard 거동으

로 적용하였다. 또한, Contact 면과 Target 면이 불확실하여 <그림

5>와 같이 Create symmetric pair 조건을 부여하였다.

이때 다이와 플러그에는 마찰에 의한 마모를 감소시키기 위해 윤

활제가 적용되었으며, 마찰계수는 0.05를 적용하였다. 튜브 사이의

접촉면에는 마찰계수를 0.05, 0.2, 0.5로 각각 적용하여 마찰계수에

따른 해석결과를 살펴보았다.

Loading conditions

인발해석의 하중조건은 두 단계로 구분하여 해석을 진행하였다.

첫 번째 단계에서는 <그림 6>과 같이 다이를 축 중심 방향(-x)으로

이동시켜 설계자가 원하는 단면치수를 결정하고 튜브가 다이에 유

연하게 출입할 수 있도록 형상을 도출하여 해석의 수렴성을 향상시

켰다.

두 번째 단계에서는 실제 인발과정으로 <그림 7>과 같이 다이의

출구 방향(y)으로 튜브를 이동시켰다.

Analysis options

인발해석을 위한 해석옵션으로는 <그림 8>과 같이 Large

Displacement Static과 Substep은 100개로 나누어 적용하였다. 이

그림 4. 재료의 Stress-Strain curve

그림 5. Create symmetric pair 옵션 창

그림 6. 인발해석을 위한 첫 번째 하중조건

그림 7. 인발해석을 위한 두 번째 하중조건

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해석사례

때, Substep의 값을 너무 적게 하거나 무조건 크게 준다고 하여 수

렴이 잘 이루어지지 않았으며 여러 번의 해석을 통해 적절한 값을

찾을 수 있었다.

Results of drawing analysis

다이의 각도변화에 따른 인발해석 결과 <그림 9>와 같이 다이각이

클수록 바깥쪽 튜브(Outer tube)의 변형에만 영향을 미쳤으며, 다이

각이 작을수록 <그림 10>과 같이 두 개의 튜브의 변형이 동일하게

발생함을 알 수 있었다.

튜브와 튜브 사이의 마찰계수 변화에 따른 튜브 두께 방향의 잔

류응력 결과를 비교하였을 때, <그림 11>과 같이 마찰계수가 작을수

록 접촉면에서의 응력 분포가 비연속적으로 나타남을 알 수 있다.

이는 접촉면에서 마찰에 의한 영향보다 외경변화에 따른 외압과 내

압의 영향이 더 크게 작용하였기 때문이다. 반면 마찰계수가 높을수

록 접촉면에서의 응력선도는 연속성 있게 나타났으며, 비교적 견고

한 접촉력이 발생함을 알 수 있다.

맺음말

이중튜브의 인발해석을 수행하기 앞서 문헌조사를 수행한 결과

일반적으로 인발해석은 변형 및 접촉성이 크기 때문에 성형전문 해

석 툴이나 Explicit code를 이용한 해석이 주로 수행되어 왔다. 하지

만 이번 호에서는 ANSYS Implicit code를 사용하여 인발해석을 수

행하였으며 인발공정의 주요 변수들에 대한 해석결과를 도출하였다.

그림 9. 다이 각도가 20˚일 때의 변형 결과

그림 10. 다이 각도가 8̊ 일 때의 변형 결과

그림 11. 마찰계수에 따른 잔류응력 분포 결과

그림 8. 인발해석을 위한 해석 옵션 창

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이번 호에서는 UDF를 사용하여 특정 위치 온도를 측정하여 유동

장 내부의 온도 분포를 일정하게 유지하는 온도제어 해석을 소개하

고자 한다. 본 해석에서 사용할 모델은 신생아용 인큐베이터로, 신생

아의 체온을 일정하게 유지하기 위하여 항상 인큐베이터 내부의 온

도를 일정하게 유지한다. 특히 미숙아의 경우 체온을 조절하는 기능

이 일반적인 신생아보다 제한되어 인큐베이터 내부의 온도제어가

필수적이다. UDF를 사용한 CFD 해석으로 측정 온도 위치에 따른

인큐베이터 내부 온도 분포를 확인하고자 한다.

수치해석 방법

앞에서 설명하였듯이 본 해석에서는 온도제어를 위하여 UDF를

사용하였다. 사용한 UDF는 아래 같다.

이 UDF를 확인하여 보면 prob x,y,z 즉 온도를 측정할 포인트를

명시하였다. 이 포인트의 위치를 증가하여 평균값으로 유동장 내부

의 온도를 제어할 수 있다.

포인트 위치를 잡았으면 FLUENT에서 그 위치의 온도를 측정해야

한다. 하지만 명시한 포인트의 위치가 cell의 center 값이 아니므로

명시한 포인트에서 가장 가까운 cell center 값을 호출하여야 한

다.(FLUENT는 cell center에 모든 data를 저장한다.) 명시한 포인트

와 가장 가까운 cell center를 찾는 명령어가 new_dist라고 명시된

함수이다. 이 명령을 사용하여 가장 가까운 cell center의 온도값을

호출하고, 그 값을 제어하기 위한 온도와 비교하여 높으면 입구의

유속을 0으로 세팅하고, 낮으면 일정 유속으로 입구의 유속을 세팅

하여 해석을 진행한다.

<그림 1>은 해석 형상 및 생성된 mesh를 나타내고 있다. 인큐베

이터 내부 온도 제어 해석에서 신생아의 형상은 단순화하였으며,

cutcell로 생성한 mesh 개수는 약 75 만개로 생성하였다.

온도를 측정하기 위한 포인트의 위치는 <그림 2>와 같이 총 4개의

UDF를 이용한 온도제어 해석

이번 호에서는 특정 위치의 온도를 측정하여 유동장 내부의 온도를 제어하는 해석에 대해 소개하고자 한다.

■ 이재박 | 태성에스엔이, [email protected]

해석사례

해석 형상 Cut cell mesh

그림 1. 해석 형상 및 mesh 생성

그림 2. 온도 측정 위치

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해석사례

case로 변경하였다. 가장 기준이 되는 case 1의 경우 신생아로부터

150mm 떨어진 위치를 잡았으며, case 2는 온도 측정 포인트를 2개

로 증가하였다.

Case 3의 경우 2번째 포인트의 위치를 입구에서 유입되는 따뜻

한 공기로 인하여 온도 상승이 큰 상단 쪽에서 측정하였으며, case

4는 수평한 위치에서 온도를 측정하였다. 온도 측정 포인트가 2개인

경우 2 포인트에서 온도 평균값을 이용하여 유동장 내부의 온도를

제어하였다.

해석 결과

<그림 3>은 <그림 2>에서 설정한 온도 측정 위치에 따른 입구 유

속의 변화를 나타내고 있다.

대표적으로 case 2와 case 4를 비교하였다. <그림 3>과 같이 측

정 위치에 따라서 입구에서 유속이 on, off되는 시간이 다른 것을 확

인할 수 있다. 이 차이로 인하여 유동장 내부 온도 분포가 변화하게

된다.

<그림 4>는 <그림 3>과 같이 입구 유속이 변화됨에 따라 변화되

는 내부 온도 분포를 나타내고 있다. 각 case 우측 상단에 나와 있

는 숫자는 30~32℃ 사이의 온도 분포를 나타내고 있다. 유동장 전

체 체적에 대하여 30~32℃의 체적이 각각 61%, 64%, 35%, 46%를

나타내고 있다. Case 3의 경우 2개의 포인트 중 1개의 포인트가 상

단에 위치하여 2개의 포인트를 평균 내어도 설정한 온도에 빠르게

도달하여 내부 온도 분포가 가장 낮은 것을 확인할 수 있다.

<그림 5>는 입구 유속이 0m/s가 되는 시간을 나타내고 있다. 유

동장의 초기온도가 상온(25℃)이므로 해석이 진행되면 입구에서 각

각 setting된 유속이 발생하게 된다. 그 후 각 온도 포인트에서 측정

된 온도가 또는 온도 평균값이 설정값에 도달하게 되면 입구에서 유

속이 0m/s가 되는 시간을 나타내고 있다. 각 case별 모든 조건은

동일하고 온도가 측정되는 포인트의 위치에 따라서 유속이 0m/s가

되는 시간 및 그 시간에서의 내부 평균온도값이 다른 것을 확인할

수 있다.

그림을 보면 case 3의 경우 온도 측정 위치의 평균값이 빠르게

도달하여 내부 온도 평균이 가장 낮은 것을 확인할 수 있으며, 신생

아 주위의 평균 온도도 가장 낮은 것을 확인할 수 있다. 또한 case

4의 경우 수평방향으로 2개의 포인트를 위치하여 온도를 제어한 결

과 가장 입구에서 유속이 가장 오랫동안 유입이 되었으며, 그로 인

하여 내부 온도 및 신생아 주위의 온도도 가장 높은 것을 확인할 수

있다.

이 해석은 신생아 주위의 온도 분포를 확인하기 위하여 포인트의

위치가 신생아 주위에 집중되었다. 하지만 실제 인큐베이터의 경우

온도를 측정하는 센서의 위치가 case 3의 2번째 포인트와 비슷한

위치에 설치된다. 이 해석을 통하여 센서가 설치될 위치의 온도를

파악하여 센서의 감도를 설정하는데 이용하게 되면 더욱 정확한 온

도제어가 될 것으로 판단된다.

그림 3. 포인트 위치에 따른 입구 유속

그림 4. 내부 온도 분포(30~32℃)

그림 5. 입구 유속 조절 시간

▲ Case 1 ▲ Case 2

▲ Case 3 ▲ Case 4

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해석사례

FEM(Finite Element Method)을 이용하여 용접부를 포함한 불연

속부(예 : 응력 집중부, 용접부 등)의 Peak Stress를 포함한 Total

Stress를 구하는 것은 한계가 있다. 그러나 ASME Code 2007

Edition부터 Structural Stress Method를 이용한 용접부에 대한 피

로 수명 평가 절차가 추가되어 Total Stress를 구할 필요 없이 용접

부의 피로 평가가 용이하게 되었다. ASME에서 언급하는 Structural

Stress(Membrane plus Bending Stress)는 ANSYS에서 제공하는

Path Operation 기능을 활용하여 응력 선형화(Stress Linearization)

를 통해 용이하게 구할 수 있다. 이번 호에서는 ASME에서 언급하는

Structural Stress Method를 이용한 용접부 피로 수명을 평가하는

절차를 소개하고자 한다.

개요ASME Code에 따른 용접부 피로 평가는 ASME SECT. VIII,

Div.2, Part 5, Para. 5.5.5에 언급되어 있으며, 선형응력해석(Linear

Elastic Stress Analysis)를 통해 얻어진 해석 결과를 가지고

Equivalent Structural Stress Range Parameter를 산출해 피로 수

명을 계산하며 용접 후 Smooth 처리를 하지 않은 용접 결합부에 적

용한다. 또한 피로에 의한 크랙이 용접 토우(Toe)부로부터 두께 방향

으로 성장한다는 가정을 가지고 있기 때문에 Structural Stress는 그

크랙 면의 수직인 방향의 Structural Stress를 산출하여 평가해야 한

다. 또한 Structural Stress Method는 모든 용접 유형(Butt weld,

Fillet weld, Root failure, Corner weld)에 대하여 하나의 Fatigue

Design Curve를 사용한다.

ASME Code에 의한 평가 절차

Step 1 : Load History 결정

Design Spec.과 ASME SECT. VIII, Div.2, Part 5, Annex 5.B상의

Histogram Development Method를 토대로 Load History를 결정한다.

Step 2 : 각 Event 별 Stress-Strain Cycle과 Range의 총

횟수 결정

ASME SECT. VIII, Div.2, Part 5, Annex 5.B상의 Rainflow

Counting Method 또는 Min-Max Counting Method를 이용해

Event 별 Stress-Strain Cycle과 Range의 총 횟수를 결정한다.

Step 3 : Membrane Stress와 Bending Stress의 계산

Step 2에서 계산된 계산하고자 하는 Cycle(kth Cycle)에 대한

Start Point(Time Point tm)와 End Point(Time Point tn)에서 크랙 면

의 수직인 방향의 Membrane Stress와 Bending Stress를 계산한다.

또한 Time Point tm과 Time Point tn 사이에서의 Membrane Stress

와 Bending Stress Range, Max. Membrane plus Bending

Stress, Min. Membrane plus Bending Stress, Mean Membrane

plus Bending Stress를 계산한다.

Step 4 : 계산하고자 하는 Cycle(kth Cycle)에 대한 선형으로

계산된 Structural Stress Range 결정

Step 5 : 계산하고자 하는 Cycle(kth Cycle)에 대한 선형으로

ASME Code에 의한 용접부 피로 수명 평가

절차

ASME Code 2007 Edition부터 Structural Stress Method를 이용한 용접부에 대한 피로 수명 평가 절차가 추가되었

다. 이번 호에서는 FEA(Finite Element Analysis) 수행 후 해석 결과를 토대로 응력을 선형화하고 Membrane plus

Bending Stress, 즉 Structural Stress를 가지고 ASME Code에 의한 피로 수명을 평가하는 절차를 소개하고자 한다.

■ 신수철 부장 | 태성에스엔이, [email protected]

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해석사례


계산된 Structural Strain Range 결정 및 Local Nonlinear

Structural Stress와 Strain Range 결정

Neuber Rule과 Material Hysterisis Loop Stress-Strain Curve를

이용하여 선형으로 계산된 Structural Stress와 Strain의 Range를

Local Nonlinear Structural Stress와 Strain Range를 계산한 후 계

산된 Structural Stress를 Low-Cycle Fatigue용으로 재 계산한다.

Step 6 : 계산하고자 하는 Cycle(k th Cycle)에 대한

Equivalent Structural Stress Range Parameter 계산

Step 7 : Step 6에서 계산된 Equivalent Structural Stress

Range Parameter를 토대로 허용 반복 횟수 결정

Step 6에서 계산된 Equivalent Structural Stress Range

Parameter를 토대로 ASME SECT. VIII, Div.2, Part 3, Annex 3.F,

Para. 3.F.2에서 제공되는 용접 결합 부에 대한 피로선도를 이용하여

허용 반복 횟수를 계산한다.

Step 8 : 계산하고자 하는 Cycle(kth Cycle)에 대한 Miner

Rule에 의한 Fatigue Damage 결정

Step 9 : Step 2에서 확인된 반복 계산해야 하는 또 따른

Event에 대한 Step 6~Step 8 계산 수행

Step 10 : 각 Event에 대해 Miner Rule에 의한

Accumulated Fatigue Damage 결정

해석 예제를 통한 용접부 피로 평가 예

원통형 수조(16T) 내에 원판(8T)이 Fillet 용접되어 있는 예제를 통

해 상기 절차에 따라 용접부 평가를 하고자 한다. 이 수조는 수명이

30년으로 설계되었고 1년에 20회 정도 청소를 위해 수조 내에 물을

제거한다고 가정하였다. 축 대칭 해석 모델을 가지고 원판의 자중에

의한 영향은 무시하였으며 단지 물의 무게로 인한 응력을 산출하여

평가하였다. 이번 호에서는 해석에 대한 절차는 생략하고 해석 결과

를 토대로 용접부 평가 절차에 대해서만 국한하고자 한다. 또한 이

번 호에서 사용하는 기호는 ASME Code에서 표기하는 기호와 동일

하여 기호에 대한 부가적인 설명은 생략하였다.

Step 1 & 2

앞의 예제에서 가정한 청소를 위해 수조 내의 원판이 받는 하중은

수명 기간 동안 총 600회 반복한다. 그리고 총 수명기간 동안 이 하

중만이 반복하중으로 작용한다고 가정하였다.

Step 3

이번 호의 예제를 통해 해석한 결과 <그림 1>과 같은 응력 분포를

보이며 평가 위치에 대한 ANSYS 내에서 지원하는 Path Operation

을 이용하여 응력선형화를 한 결과를 토대로 Membrane Stress와

Bending Stress을 계산하였다. 계산 절차는 다음과 같다.

Step 4

계산하고자 하는 Cycle(kth Cycle)에 대한 선형으로 계산된

Structural Stress Range는 다음과 같다.

Step 5

계산하고자 하는 Cycle(kth Cycle)에 대한 선형으로 계산된

Structural Strain Range와 Neuber Rule과 Material Hysteresis

Stress-Strain Curve를 이용하여 Local Nonlinear Structural

Stress와 Strain Range를 계산하였으며 Structural Strain Range를

다음과 같이 Low-Cycle Fatigue용으로 수정하였다.

그림 1. 해석 결과 및 평가 위치(축 대칭 모델)

평가 위치

(Path Line)

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해석사례


Step 6

계산하고자 하는 Cycle(kth Cycle)에 대한 Equivalent Structural

Stress Range Parameter를 계산하였다.

Step 7

ASME SECT. VIII, Div.2, Part 3, Annex 3.F, Para. 3.F.2에 따라

용접부의 허용 반복 회수(N)를 산출하였다.

Step 8

총 수명기간 동안 발생하는 계산하고자 하는 Cycle(kth Cycle)의

반복 횟수 300회를 적용하여 Fatigue Damage(Df,k)를 계산하였다.

계산 결과 Fatigue Damage는 1 미만이므로 총 수명 기간 동안 상

기 반복하중에 의해 크랙(Crack)이 발생하지 않음을 확인하였다.

맺음말

이번 호에서는 유한요소해석을 통한 해석 결과를 토대로 ASME

Code에 의한 용접부의 피로 평가 절차를 소개하였다. ASME Code

에 의해 용접부 피로 평가를 위해서는 응력 선형화(Stress

Linearization) 과정을 거쳐야 한다. 이 과정은 ANSYS Path

Operation를 활용하여 용이하게 산출할 수 있으며 최종적으로

ASME Code에서 설명하는 절차에 따라 계산을 하면 되므로 손쉽게

용접부의 피로 평가를 할 수 있음을 확인하였다. 이번 호의 내용을

바탕으로 유한요소해석을 통해 ASME Code에 따른 용접부의 피로

평가를 손쉽게 수행할 수 있기를 기대해 본다.

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해석사례

해석 기술이 발달하고 보편화됨에 따라 더 이상 사용자들은 이전

해석 수준에서 만족을 하지 않고 좀 더 진보된 해석을 진행하려고

한다. 그 중 하나가 FSI(Fluid Structural Interaction) 해석이다.

FSI 해석은 유체 유동과 고체 구조물이 서로 상호 작용하는 물리

현상에 대한 시뮬레이션을 말한다. 실제 우리 주변에서 발생하는 물

리현상들은 유동 공간 혹은 고체 구조물만 독립적으로 존재하지 않

는다. 항상 공존하지만 해석 접근의 어려움 또는 해석 시간이 오래

걸리기 때문에 각각 독립적으로 해석을 진행한다.(물론 서로 미치는영향이 작기 때문에 그 효과를 무시하는 경우도 많다.)

사실 FSI가 어려운 이유는 유동해석 프로그램과 구조 해석 프로

그램을 동시에 control해야 하기 때문이다. 대부분의 해석 프로그램

은 구조와 유동해석이 별도로 되어 있지만 ANSYS는 지속적으로

Multiphysics 구현을 위한 platform 개발을 해 왔고, 최신 버전인

R14.5에서는 CFX뿐만 아니라 FLUENT까지도 2-Way FSI 해석을 지

원하고 있다.(Thermal coupling은 현재 1-way만 가능하다.)

FSI 해석이 필요한 해석 분야 중 유체에 의해 구조물이 진동하는

문제가 있다. 시간에 따른 유체 흐름의 변동에 의해 구조물이 받는

압력이 변하고 이로 인해 발생된 구조 진동을 해석하는 것이다. 이

번 호에서는 유체로 인한 구조물 진동 문제에 대해 유동해석은

FLUENT로, 구조해석은 ANSYS Mechanical을 이용하여 해석을 진

행하였다. 실제로 진동문제는 2-Way로 접근하는 것이 타당하겠지만

진동에 의한 유체의 변화는 무시하고 1-Way Transient 해석을 수행

하였다.

해석 형상

해석 형상은 간단한 T자형 관이고 내경이 1”크기인 파이프를 사

용하였다. <그림 1>과 같이 Inlet을 통하여 물이 유입되고 두 개의

Outlet을 통하여 나가는 시스템으로 구성되어 있다.

유로 해석을 위해서 유동장만을 모델링하였고 구조해석을 위해서

는 Solid 부분을 shell로 처리하였다. Mesh에서는 특별하게 설정할

부분은 없다. 동일한 Mesh를 사용할 필요 없이 각각 생성해도 문제

없다.

Workbench 설정

ANSYS 제품군을 이용하여 FSI 문제를 접근할 경우에는

Workbench라는 통합 환경에서 손쉽게 사용이 가능하다. <그림 2>

는 이 예제를 진행하기 위한 Workbench에서의 설정을 보여주고 있

다. FLUENT와 ANSYS Mechanical을 이용하여 2-Way FSI 문제 혹

System Coupling을 이용한 유체유발 진동해석

이번 호에서는 FLUENT와 ANSYS Mechanical의 system coupling을 이용하여 유체로 인한 구조물 진동 문제에 대해 FSI 해석을 진

행하는 사례를 살펴 보도록 한다.

■ 김태민 대리 | 태성에스엔이, [email protected]

그림 1. Geometry

그림 2. Workbench 설정

FLUENT

Mechanical

해석사례

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해석사례

은 Transient 문제를 접근할 경우에는 <그림 2>에서 보여지는 것처

럼 System Coupling을 이용하여 각 프로그램의 data를 control할

수 있다. 본 예제에서는 1-Way FSI이지만 Transient로 접근을 하기

때문에 System Coupling을 사용하였다.

Solver 설정

FLUENT와 ANSYS Mechanical에서도 일반적인 해석방법을 사용

하여 진행하면 된다. Data transfer를 위해 Wall 부분에 이름만 설정

한다.

유동해석에서 구조해석으로 전달해 주어야 하는 Data는 Pipe 내

벽의 Pressure이다. 그렇기 때문에 유동해석과 구조해석에서는

Pressure를 주고 받는 Wall 부분을 설정해 줄 필요가 있다.

<그림 3~4>는 FLUENT와 ANSYS Mechanical에서 각각 Data

transfer를 위해 설정해야 하는 부분이다. FLUENT에서는 일반적인

Boundary conditions과 동일하게 설정을 하며, ANSYS

Mechanical에서는 구속 조건을 주는 것과 동일한 방법으로 Fluid

Solid Interface를 각 Wall에 설정해 주면 된다. 추후에 각각 설정한

Interface를 matching해야 하기 때문에 이름을 동일하게 설정하는

것이 좋다.

Solver 설정 시 또 한 가지 중요한 부분은 Time step을 설정하는

부분이다. 이는 임의로 정하는 것이 아니라 사전에 엔지니어가 구조

물의 고유진동수를 토대로 관심 주파수 범위를 설정해야 하며, 관심

주파수 범위 중 가장 높은 주파수의 20배 정도 한 값의 역수를

Time step으로 설정해 주어야 타당한 결과를 얻을 수 있다. 이 예제

에서는 사전 Modal 해석을 통해 12.5Hz의 Frequency값을 얻었다.

따라서 Time step은 0.004의 값을 사용하면 된다. 하지만 최종

Time step 등의 관리는 System Coupling에서 하기 때문에 Solver

설정에서는 해당 값을 입력할 필요는 없다.

<그림 5>는 Mechanical에서 Solver 설정을 하는 부분이다. 다른

값들은 그림처럼 값을 사용하면 되고‘Step End Time’만 주의해서

입력하면 된다. 이 예제에서는 실제 3sec를 진행할 예정이라 3을 입

력하였지만, 일반적으로는 이곳에는 큰 값을 입력하고 System

coupling에서 실제 값을 control한다. FLUENT에서의 Run

Calculation 설정도 무시되니 특별히 설정해 줄 필요는 없다.

System Coupling 설정

<그림 6>과 같이 Fluent와 Transient Structural의 Setup을

System Coupling의 Setup으로 연결시킨다. 그리고 표시가 뜬

Setup에서 마우스 우클릭으로 Update를 진행한 후 System

Coupling의 Setup을 더블 클릭하면 Update 진행 후에 System

Coupling 설정 창이 뜬다.

그림 3. FLUENT Boundary Conditions

그림 4. ANSYS Mechanical Interface

그림 5. Mechanical Analysis Settings

그림 6. System Coupling 설정

그림 7. System Coupling 상세 설정

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해석사례

System coupling에서 설정해 주어야 할 부분은 <그림 7>의

표시가 된 부분이다. Analysis Settings에서는 Solving 시간을 정해

주고 Data Transfers에서는 Data transfer가 되는 Wall 부분을

matching해 줄 필요가 있다.

<그림 8>은 Analysis Settings 설정 부분이다. End Time과 Step

Size를 입력해야 한다. 실제 모든 값은 여기서 control을 하게 된다.

End time 같은 경우에는 Mechanical에서 설정한 값과 달라도 상관

이 없다. 대신 앞서 설명한 것과 같이 둘 중 빨리 끝나는 값을 사용

하기 때문에 Mechanical 설정에서는 큰 값을 입력하고 이곳 설정에

서 원하는 End Time을 정한다.

<그림 9>와 같이 동일한 위치의 Wall을 각각 선택 후에 마우스

우측 버튼으로 메뉴를 활성화시켜서 Create Data Transfer를 실행

하면 Data Transfers 항에 해당 항목이 추가된다.

설정한 모든 Wall을 추가하면 된다. 이 예제에서는 총 9개의 Data

Transfer를 생성하여 사용하였다.

모든 설정이 끝났으면 상단 Update Project를 눌러 계산을 실행

한다.

Monitors

계산 도중에 System Coupling에서 FLUENT와 Mechanical 각각

의 Residual 그래프를 monitor할 수 있다.

하단에 Chart Monitors에서는 Convergence 그래프를 설정 가

능하다. 아래에 있는 Chart 메뉴에서 마우스 우클릭을 통해 그래프

상에서 보고 싶은 값을 추가 혹은 삭제가 가능하다.

Solution Information에서는 Text 창에서 나오는 값들을 설정 가

능하다. System Coupling, Fluent, Transient Structural 중 보기 원

하는 것을 선택하면 그래프 하단에 값들이 출력된다.

결론

이 글에서 해석의 결과가 중요한 것은 아니지만 다음과 같은 결

과가 나왔다.

<그림 12>는 FLUENT로부터 시간에 따른 압력값을 받아 ANSYS

Mechanical에서 계산한 z 방향(물이 유입되는 방향)에서의 변위값

이다. 물이 유입되기 시작하는 초반에 변위량이 큰 것을 볼 수 있으

며 시간이 지남에 따라 변위가 안정화되어 간다.

System Coupling을 이용한 간단한 예제를 통해 유체유발 진동해

석을 진행하였고 손쉬운 방법으로 FSI Transient 해석이 가능한 것

을 볼 수 있었다.

사용자들도 System Coupling을 이용하여 보다 쉽게 FSI 해석에

대한 결과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

그림 8. Analysis Settings 설정

그림 9. Data Transfer 설정

그림 10. Monitor Settings

그림 11. Monitor 화면

그림 12. 시간에 따른 z 방향 변위

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성공사례

제너럴 모터스(GM)의 급속 충전 배터리 개발

전기자동차용 리튬이온 배터리 시스템의 열해석 모델링을 위한ANSYS 멀티피직스 솔루션

■ Taeyoung Han, Technical Fellow, Vehicle Development Research Lab, General Motors Research and Development Center, Warren, U.S.A.

■ Gi-Heon Kim, Senior Research Engineer, Center for Transportation Technologies and Systems, NREL, Golden, U.S.A.; and

■ Lewis Collins, Director, Software Development, ANSYS, Inc.

■ 번역 : 김욱현 이사 | 태성에스엔이, [email protected]

시뮬레이션 툴들은 전기자동차의 차세대 배터리의

셀이나 팩을 개발하는데 필수적이다. 팩 레벨

모델링 기술은 셀 레벨 모델에서 구하고 조정되며

실험으로 검증된 매우 혁신적인 방법인

ROM(Reduced Order Model)에 의해 주도될

것이다. 프로젝트 팀은 배터리 모델링 연구에

활용이 쉽고 최적화 및 강건설계를 위한 해석

자동화가 가능한 ANSYS 소프트웨어로 많은

기술적 성과를 달성하고 있다.

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성공사례


1892년 시카고 세계 박람회에서 윌리엄

모리슨(아이오와의 화학자이자 발명가)이 발

명한 전기 공급 horseless carriage가 전시

되었으며 이는 전세계적인 관심을 끌었다.

그것은 초기 자동차 역사에 있어서 엄청난

영향을 미쳤으며, 이후 10년간 납축전지

(lead-acid storage) 배터리에 의한 전기

자동차는 시장에서 매우 큰 관심을 불러 일

으켰다. 당시 수 천대의 이 전기 자동차는

북아메리카와 유럽의 도시에서 승객 수송용

으로 사용되었다. 그러나 당시의 재충전 인

프라의 부족과 배터리 기술의 한계는 결국

1910년대 초기에 더 이상의 확산에 큰 걸림

돌이 되었다.

그리고 지난 세기를 거치면서 최근 매우

널리 쓰이고 있는 리튬이온 배터리 시스템

과 함께 배터리 비에너지(watt-hours/

kilogram)는 엄청나게 향상되었다. 배기가스

에 대한 규제와 유가 상승 우려로 다시 전기

자동차가 실행 가능한 대체 운송 수단으로

대두되었다.

이러한 배경으로 미국 에너지성(DOE)은

배터리의 혁신적인 기술 개발을 적극적으로

후원해 주고 있다. DOE의 하이브리드 전기

시스템을 위한 차량 기술 개발 프로그램의

목적 중 하나는 2014년까지 고전력 배터리

의 생산 단가를 2009년 대비 70% 줄이는

것이다. 또한 전기자동차의 보급을 위하여

수년 내에 고에너지 배터리의 생산 단가를

또한 줄여야 한다.

고신뢰성 및 고성능의 리튬이온 배터리

팩의 생산을 위하여는 셀과 팩에서 일어나

는 복잡한 물리적인 현상을 해석할 수 있는

시뮬레이션 툴들을 필요로 한다. 배터리 설

계와 성능 예측을 위한 시뮬레이션 툴을 이

용하는 것이 목표를 달성하기 위한 좋은 방

안 중의 하나가 될 수 있다.

2010년 4월 차량기술 프로그램(Vehicle

Technologies Program)의 일환으로 DOE의

국립 신재생 에너지 연구소(NREL)와 더불어

CAEBAT(Computer-Aided Engineering

for Electric Drive Vehicle Batteries)를 발

족하였다. DOE/NREL이 주도하는 CAEBAT

program뿐만 아니라 이 기술의 긴급한 요

구에 부응하고자 GM은 GM의 연구원들, 엔

지니어들과 ANSYS 소프트웨어 개발자들과

ESim LLC의 스텝들로 구성된 배터리 연구

를 위한 특별한 프로젝트 팀을 구성하였다.

GM CAEBAT project의 주요 업무는 다음

과 같다. 셀 레벨과 팩 레벨의 설계 툴의 개

발, NREL과 함께 고객 요구 사항들을 확정

하고 기존의 서브 모델들을 통합화하고 그

툴들을 검증하기 위하여 실험을 수행하는

것, 그리고 새로운 툴들이 다른 배터리 모델

들과 호환할 수 있도록 인터페이스를 만드

는 것이다.

배터리 셀 모델

(Battery Cell Model)

셀 레벨 모델링 툴의 목적은 멀티피직스

해석을 수행하는 것이다.

이 모델은 설계 변경이 la rge-

format(capacity greater than 5 amp-hours)

리튬 이온 배터리의 전체적인 셀 성능에 어떻

게 영향을 미치는 지를 검증하는 것이다.

리튬이온 배터리에 있어서 온도는 성능,

안전성, 수명에 엄청난 영향을 미치기 때문

에 자동차 메이커와 배터리 메이커들은 배

터리의 온도 변동량을 줄이기 위하여 열제

어에 점점 더 관심을 기울이고 있다. 배터리

팩에서의 가열과 냉각은 불균일한 온도 분

포를 만들며 이는 전기적인 불균형성을 만

든다. 이는 배터리의 성능을 떨어뜨리며 수

명을 단축시킨다.

최적의 작동 조건을 위하여 온도 변동은

각 셀 내에서나 각 셀들 사이에서 최소화되

도록 하여야 한다. 만일 온도가 너무 낮다면

파워/에너지 출력이 줄어들 것이며, 온도가

너무 높다면 셀 수명이 줄어들 것이다. 제안

된 셀 레벨 모델은 전기화학적 열적 구조적

반응들을 서로 연속적으로 연계하여 해석할

수 있는 기능을 제공하며 엔지니어들이 설

계 변경을 할 때 배터리 시스템의 전체적인

성능에 어떻게 영향이 미치는 지를 밝혀 줄

수 있을 것이다. 즉, 열적, 전력, 용량, 안전

성, 방전량과 수명 그리고 전류 밀도와 온도

에 의한 셀 내에서의 내부적인 불균형 등을

밝혀줄 것이다.

1차원 el ec tro de -s ca le 모델은

electrochemical kinetics, 리튬의 확산과 이

송, 전하의 보존과 이송 등의 물리적인 현상

들을 이해하는데 유용한 것으로 판명되었다.

그러나 3차원 모델은 셀 레벨 성능을 포함한

실질적인 셀 형상에 대한 것들을 필요로 한

다. 프로젝트 팀은 3차원 셀 모델과 함께 1차

원 electrode 스케일 모델들 사이에 커플링

을 하기 위하여 NREL과 함께 협력하고 있다.

배터리 수명은 전기자동차에 있어서 가장

큰 불확실한 요소 중의 하나이다. 시간, 온

도, 전압, 충방전 사이클의 횟수, 전극 세부

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성공사례


구조와 방전 깊이에 따른 셀 성능의 복잡한

의존성은 완전히 고려되지 않고 종종 셀 모

델에서 무시되어 왔다.

배터리 팩 모델

(Battery Pack Model)

자동차 OEM 메이커들에게 배터리 모델링

툴들은 배터리의 여러 속성들에 영향을 미

치는 열을 어떻게 제어할 것인가에 대한 방

법론을 제공할 수 있다. 배터리 열관리의 목

적은 배터리 팩이 -40~50℃의 주변 환경에

서 작동하는 최적의 평균 온도를 유지하게

하고 셀에서 온도 편차를 최소화하도록 하

는 것이다. 리튬이온 배터리는 25~35℃ 사

이에서 최적으로 작동하며, 일반 차량의 운

전 환경에서 이를 유지하는 것은 현실적으

로 매우 어렵고 많은 경비가 든다.

배터리 팩의 능동 냉각 및 가열은 코스트,

파워, 중량 및 부피의 제한 때문에 매우 어

려운 현안 과제가 되고 있다. 설계 방안으로

는 히트 싱크, 공기 제트, 마이크로 채널 냉

각, 히트 파이프, 침지 냉각, 분사 냉각 방식

등 여러 가지가 있어 트레이드 오프 연구에

시뮬레이션 툴이 필요하게 된다. 하지만 현

재는 컨셉을 평가하고 배터리 수명을 예측

하는데 시간이 많이 걸리는 실험장치를 구

축하고 실험을 반복하는 방법에 의존하고

있다. 효과적인 팩 레벨의 시뮬레이션을 이

용한다면 이 과정을 간소화할 수 있다.

해석에 필요한 셀과 팩 형상을 생성하는

가장 빠른 방법은 기존의 CAD 형상을 사용

하는 것이다. CAEBAT팀의 노력으로

ANSYS 워크벤치 내에서 개발된 형상 인터

페이스 기능은 매우 탁월하며, 형상의 복제

및 부품 라이브러리 기능은 형상이나 물성

정보들을 수동으로 입력해야 할 때 매우 유

용하다. 제안된 방법은 ANSYS 워크 벤치

플랫폼에 기반을 두고 있으며 전류 컬렉터

탭, 캡슐화 재료 및 구조 지지 상세를 포함

하는 배터리 셀의 복잡한 3-D 형상을 처리

할 수 있다.

셀이나 모듈 레벨에서 전기화학-열-유동

현상을 해석하기 위해서는 셀과 냉각 채널

을 완벽하게 이산화하여 시뮬레이션을 수행

하는 것이 적절할 수 있다. 그러나 팩 레벨

에서 그 치수를 그대로 다루게 되면, 현재

고려하려고 하는 마이크로 채널 액체 냉각

방식같이 유체역학적으로 복잡한 성질 때문

에 계산량이 막대해져서 거의 현실성이 없

다. 그러나 고성능의 컴퓨터 시스템이 있다

면 ANSYS의 효율적인 병렬 처리 수행 능력

으로 수행시간을 줄일 수 있다.

하지만, 배터리 팩의 혁신을 더 빨리 가속

시키려는 욕구와 기존의 컴퓨터를 사용하여

팩 레벨의 시뮬레이션을 얼마나 많이 해야

하는지 생각한다면 이 전략으로는 불충분하

다. 시스템 시뮬레이션은 계산비용을 줄여주

는 방안을 제공하지만 현재의 기술은 등가

회로 모델처럼 상대적으로 단순화되고 약한

연성의 셀 모델에 의존하고 있는 실정이다.

배터리의 전력밀도가 높아지고 열적인 문제

가 복잡해질수록 시스템 시뮬레이션도 팩

설계에 필요한 신뢰성이나 해결책을 제시하

지 못한다.

그래서, 팩 레벨의 툴은 ANSYS Fluent,

ANSYS Mechanical과 같은 필드 시뮬레이

션 툴과 Simplorer같은 시스템 시뮬레이션

툴을 런타임 커플링이나 Cosimulation을 통

하여 결합하게 된다. 더불어 팀은 필드 시뮬

레이션 모델이 정확도와 비용면에서 균형이

맞는 시스템 모델이 될 수 있게 혁신적인 축

차모델(ROM, Reduced Order Model)을 개

발할 것이다.

오픈 아키텍처 소프트웨어 인터페

이스(OAS Interface)

프로젝트 팀은 CAEBAT 활동의 한 부분

이며 오크릿지 국립연구소(Oak Ridge

National Laboratory)가 주도하는

OAS(Open-Architecture Software)에 기준

한 표준 입출력 파일 포맷과 표준 통신 프로

토콜의 사양을 채택할 것이다. 팀에서 개발

된 셀 레벨, 팩 레벨 툴들을 다른 CAEBAT

팀에서 개발된 툴들과 서로 정보를 교환이

가능하게 될 것이다.

ANSYS의 Workbench 환경과 관련 솔버

들은 소프트웨어의 아키텍처가 적응성이 있

어야 할 것이며, Aspen Plus, CATIA,

CHEMKIN, Microsoft Excel, GT-POWER,

Isight, MATLAB/Simulink, modeFRONTIER,

MSC Sinda, TRASYS, SPICE와 같은 툴뿐만

이 아니라 다른 CAE 소프트웨어들과의 상호

연계운용성과 커스터마이제이션을 통하여 개

발되어 왔다.

ANSYS Workbench는 전체 배터리 시스

템 모델링 작업의 기반이 될 수 있으며, 또

한 다른 소프트웨어들과도 직접 상호 연계

할 수 있는 있도록 환경을 제공한다. 프로젝

트 팀은 ANSYS의 이런 유연성은 CAEBAT

OAS 인터페이스를 개발하고 GM의 다른 물

리적 해석 솔버와 함께 다른 배터리 모델을

선택할 수 있는 확장성이 있다고 예상하고

있다. 이 유연성은 GM이 독자적인 프로세스

자동화(PA) 엔지니어링 환경에 새로 개발된

툴들을 통합하는데 필수적인 요소이다.

프로세스 자동화 및 강건설계

(Process Automation and Robust

Engineering)

GM과 같이 큰 조직의 복잡한 개발 프로

세스에서는 평가와 최적화에 사용되는 여러

모델들이 정확하고 일관성이 있는지 확인해

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성공사례


야 하는 것이 매우 중요하다. PA(프로세스

자동화)툴들은 프로젝트의 결론을 따라 설

계대안의 비교, 설계탐색, 강건성 평가, 최

적화 등을 신속하고 신뢰성 있게 수행할 것

이다.

PA툴들은 전사적인 표준화 작업을 수행

하는데 매우 유용한 프로세스 지침이 될 것

이다.

전형적인 표준화 작업에는 모델링 가이드

라인의 준수, 올바른 경계조건의 적용, 해석

결과의 후처리 및 결과 보고서 작성 등이

포함되어 있다. 이런 표준화 작업은 의사 결

정권자의 올바른 판단을 위하여 필수 불가

결하다. PA와 Robust 엔지니어링은 자동차

산업에서 검증된 방법론들이다. GM은 소음

진동, 충돌해석, 차체 구조 최적화의 엔지니

어링 영역에서 이들 방법론들을 구축하였

다. 이 프로젝트에서 개발된 배터리 설계 모

델링 툴은 규정된 차량 운전 조건에서 주어

진 파워 로드 프로파일에 대한 배터리 팩의

열적 전기적 반응을 평가하기 위해 차량 시

뮬레이터와 연계될 수 있다.

검증과 확인

(Verification and Validation)

제안된 셀 레벨 모델링 툴의 정확도와 효

용성은 엄정한 확인과 검증을 거처서 증명

될 것이다. GM은 이를 위하여 국립 통계 과

학 연구소(NISS, National Institute of

Statistical Sciences)에 의해 개발된 수학

모델 검증 절차를 따를 것이다.

GM은 셀 레벨의 전기적 열적 성능뿐만

아니라 평균 열원 모델의 물리적 검증을 위

한 데이터 베이스 모델을 만들 것이다. 프로

젝트 팀 은 여러 가지 배터 리의

TMS(Thermal Management System) 작동

조건에 대하여 알려진 열원과 열 경계 조건

들로부터 얻어진 열 특성 데이터를 사용할

것이다. 팩으로부터 발생된 모든 열은 셀에

의하여 혹은 모듈 열량계와 열 발생 측정

장치에 의하여 공급되는 냉각수의 유량과

온도로부터 계산될 수 있으며, 팩 레벨 비열

과 열전도는 개별 셀의 열물성과 팩에 장치

된 다른 전기 전자 장치들로부터 유도될 수

있다. 온도 센서는 팩 전체의 핫 스팟(Hot

Spot)을 측정하기 위하여 모든 모듈에 설치

한다. 이 데이터는 배터리 팩 주위의 냉각수

유동장을 검증하는데 매우 중요한 값이다.

결론

시뮬레이션 툴들은 전기자동차의 차세대

배터리 셀이나 팩을 개발하는데 필수적 요

소이다. 팩 레벨 모델링 기술은 셀 레벨 모

델에서 구하고 조정되며 실험으로 검증된

매우 혁신적인 방법인 ROM(Reduced

Order Model)에 의해 주도될 것이다. 프로

젝트 팀은 배터리 모델링 연구에 활용이 쉽

고 최적화 및 강건설계를 위한 해석 자동화

가 가능한 ANSYS 소프트웨어로 많은 기술

적 성과를 달성하고 있다. 산업계에 신속히

적용하려는 강력한 계획으로 이 프로젝트의

결과는 미래의 전기자동차를 위한 배터리의

기술 혁신과 개발 속도를 가속화시키는 궁

극적인 목표를 달성할 것이다.

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성공사례

변화구란?

‘야구는 투수 놀음’이라고들 한다. 경기의 시작은 항상 투수의 손

에서부터 시작되고 경기의 승패를 가장 크게 좌우하기도 한다. 야구

팀은 여러 가지가 복합된 포지션으로 구성되며 각 포지션은 없어선

안될 중요한 위치를 차지하고 있다. 특히 투수는 게임을 지배하고

컨트롤하는 가장 중요한 포지션이며 투수가 강한 팀은 좋은 성적을

거두게 된다.

투수의 역할은 자신이 던진 공을 타자가 쉽게 치지 못하게 하는

데 있다. 투수의 가장 큰 무기는 빠른 직구이다. 직구는 투수가 던

질 수 있는 가장 빠른 공이며 큰 변화가 없이 빠른 속도로 포수 미

트로 빨려 들어가 버리기 때문에, 타자의 배트 스피드가 따라가지

못하면 치기가 쉽지 않다. 우리나라 프로선수들의 평균 직구 구속은

140km/h 중반대이며 최대 구속은 160km/h가 넘는 공을 던지는 투

수도 있다.

하지만 이러한 직구만으로 타자를 요리하기는 힘들다. 타자와 투

수의 싸움은 타이밍이다. 똑같은 패턴으로 같은 구속만 계속 던지는

직구는 타자가 타이밍만 잘 맞추게 되면 쉽게 칠 수 있다. 그리고

빠른 직구는 배트에 맞는 반발력이 크기 때문에 장타가 나올 수 있

다. 그래서 투수들은 변화구라고 하는 무기를 준비한 채 타자들을

상대한다.

투수는 150km/h대 직구를 던지다가 갑자기 120km/h대의 변화하

는 슬라이더를 던지게 되면 직구 타이밍을 기다리고 있는 타자는어이없이 배트를 휘두르게 될 수 밖에 없다. 투수는 이러한 심리를

이용해 변화구와 직구를 섞어 타자를 상대하게 되며, 타자는 투수가

어느 타이밍에서 어떤 공을 던질까 하는 예측을 통해 투수를 공약

해야 한다. 이러한 타자와 투수간의 기 싸움은 야구의 큰 재미가 아

닐까 한다.

변화구는 투수가 공을 잡을 때의 실밥 위치, 팔을 비트는 각도 및

스윙 궤적에 따라 다양하게 구사할 수 있으며 보다 다양한 변화구

를 습득하기 위해 엄청난 노력을 하고 있다.

변화구의 종류

현존하는 변화구의 종류는 수 없이 많다. 아직 각 구종과 구질의

확실한 분류 기준도 정해져 있지 않은 상태라 더 많은 논의와 토론

이 필요한 상태이다. 전통적인 분

류법은 공이 움직이는 형태, 즉

구질과 궤적에 둔다. 빠른 볼이면

속구, 아래로 떨어지면 커브, 옆으

로 휘어지면 슬라이더, 뚝 떨어지

면 포크볼-스플리터, 반대로 휘어

지면 스크루볼, 가라앉으면 싱커

등으로 명명하고 있다.

스포츠와 ANSYS

-야구Ⅱ

2011년 여름호에 스포츠에서 ANSYS가 어떻게 활용되고

있는지를 기술하면서 야구 배트에 대하여 소개하였다. 스

포츠 분야에서는 기록의 향상, 선수들의 부상방지를 위해

과학적인 시뮬레이션과 실험들을 진행하고 있다는 것을

소개하였다. 이번 호에서는 투수들이 타자를 상대할 무기

인 변화구를 통하여 ANSYS와 야구의 연관성을 찾아보고

자 한다.

변화구란 투수가 타자를 속이기 위해 공의 궤적을 변화시

키면서 던지는 공이다. 투수는 타자들이 정확한 타이밍에

배트 중심에 공을 맞추지 못하게 하기 위해 다양한 변화

구들을 던진다. 류현진의 체인지 업, 박찬호의 커브, 윤석

민의 슬라이더, 이러한 구종들이 모두 변화구이다.

변화구는 공의 회전 속도, 회전 방향, 속도에 따라 다양하

게 만들어 낼 수 있으며, 과학적으로 증명하기 위해서는

베르누이 정리, 매그너스 효과라는 유체가 흘러가면서 발

생하는 힘 등으로 설명할 수 있다.

이번 호에서는 이러한 야구에서의 변화구란 무엇인지에

대해 이야기하고, 변화구를 과학적으로 설명하고 있는 여

러 가지 이론들에 대해 소개하고자 한다. 물론 ANSYS를

이용한 증명 또한 소개하고자 한다.

■ 김유석 대리 │ 태성에스엔이, [email protected]

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성공사례

변화구의 원리

변화구는 공에 있는 실밥에 의해

만들어진다. 투수의 손을 떠난 공은

엄청난 회전이 걸리게 되고 그 회전에

의해 공의 궤적은 변화하게 된다. 이

때 공과 공기간의 마찰을 높여주는

구조가 야구공의 실밥이다. 야구공의 실밥은 총 108개로 이루어져

있으며 공을 감싸고 있는 두 조각의 가죽을 이어주는 역할을 한다.이 실밥은 공을 던질 때 손가락과의 마찰을 높여 강하게 회전을

줄 수 있게 하는 역할을 한다. 또 이 실밥은 공을 던질 때 어느 방향

으로 잡고 던지냐에 따라, 공기와 부딪치는 실밥 라인이 4개인지 2

개인지에 따라 4-seam 그립과 2-seam 그립으로 분류하기도 한다.

일반적인 야수들은 4-seam 그립을 잡고 던지게 되는데 이는 손가

락과 야구공 사이의 마찰을 최대한으로 하고 공을 직선으로 던지기

위해서이다.

야구공의 실밥은 공이 날아가면서 가지는 거동과도 연관을 가진다.

회전하는 공은 실밥에 의해 공기 저항을 가지게 되고 이 저항에 의해

공이 변화하게 된다. 이 원리는 매그너스 효과에 의해 설명된다.

매그너스 효과

매그너스 효과는 베르누이 정리에 의해 발생하며, 베르누이 정리

는 유속이 빠르면 저기압이 형성되고 유속이 느리면 고기압이 형성

된다는 것을 말한다. 이러한 기압의 차에 의해 고기압에서 저기압으

로 유압이 발생하게 되며 이 유압에 의해 구조물의 거동이 발생하게

되는데 이를 매그너스 효과라고 말한다. 이 매그너스 효과를 이용한

기계 중 가장 대표적인 것이 비행기의 날개다.

야구공의 변화구도 이 매그너스 효과로 이야기할 수 있다.

야구공이 회전하지 않고 날아가게 되면 아래위의 공기 흐름이 같

기 때문에 공에는 아무런 힘이 전달되지 않게 되며, 변화가 없이 직

선으로만 날아가게 된다.

하지만 공이 회전하게 되면 야구공의 실밥에 의해 공기의 흐름이

발생하게 되고 이 흐름에 의해 매그너스 효과가 발생하게 된다. 이

힘에 의해 공은 회전 방향으로 변화하며 날아가게 된다.

따지고 보면 직구 역시 변화구라고 볼 수 있다. 날아가는 야구공

은 공기의 저항과 함께 중력도 함께 받고 있다. 그래서 날아가는 공

은 중력에 의해 떨어지게 된다. 이 중력을 이기고 일직선으로 날아

가게 하는 원리도 공의 매그너스 효과 때문이다. 역회전을 하는 공

은 아래쪽의 유속이 위쪽보다 늦기 때문에 아래에서 윗 방향의 매그

너스 힘이 발생하게 된다. 이 힘에 의해 야구공은 일직선으로 날아

■ 속구 류 : 상박과 손목이 타자 정면으로 향하고 있으면 속구 류라고

한다. 각종 패스트 볼 및 일부 체인지 업이 여기에 들어간다.

■ 브레이킹 볼 류 : 커브 볼 계열. 상박과 손목을 몸 안쪽으로 돌려 손

날이 타자 쪽으로 향하면 커브 볼 류다. 커브 볼, 슬라이더, 커터 등의 변

화구가 속한다. 손날이 타자 쪽으로 향하면 커브라고 한다. 상박과 손목

을 반쯤 안으로 돌려 속구와 커브의 중간 정도면 슬라이더, 슬라이더보다

좀 덜 돌리면 커터.

■ 스크류 볼 류 : 커브 볼과 반대로 상박과 손목을 몸 바깥쪽으로 돌려

손 날이 몸 뒤를 향하고 있으면 스크류 볼 류. 스크류 볼, 서클 체인지

업, 싱커가 여기 들어간다. 서클 체인지 업은 상박을 돌려 던질 경우 역

회전성 회전을 보여주며, 싱커는 커터와 반대로 살짝 상박과 손목을 몸

바깥쪽으로 틀어 던진다.

■ 스플리터 류 : 손가락을 벌려 검지와 중지가 공의 중심부가 아닌 측면

에 위치한 상태에서 던지는 볼. 스플리터와 포크볼이 있다.

▲ 야구공의 실밥

▲ 4-seam

▲ 2-seam

▲ 비행기 날개에 생기는 양력(매그너스 효과)

▲ 회전이 없는 공과 공기 흐름

▲ 회전이 없는 공과 공기 흐름

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성공사례

가게 되며, 만약 공의 회전이 높아 매그너스 힘이 중력보다 더 크게

되면 떠오르는 구종인 라이징 패스트 볼이 된다.

매그너스 효과를 이용한 산업

매그너스 효과를 이용한 산업은 다양하다. 최근에 개발된 날개가

없는 선풍기 역시 이 매그너스 효과를 이용한 제품이다.

날개 없는 선풍기는 속이 빈 고리 형상과 공기를 만들어 주는 원

통형 구조물로 이루어져 있다. 속이 빈 고리의 단면은 비행기 날개

모양을 하고 있는데, 고리의 틈으로 나오는 바람은 비행기 날개 형

상의 고리를 통과하면서 고리의 상부화 하부의 기압 차를 발생시키

게 되고 이 기압 차에 의해 고리의 중심부에서 바람이 발생하는 원

리이다. 이 원리 역시 매그너스 효과를 이용한 것으로 기압 차에 의

해 발생하는 힘을 이용하여 바람을 만들어내는 원리이다.

스포츠 분야에서 가장 대표적인 것이 골프공의 딤플이다. 골프공

의 표면은 아주 많은 딤플들로 이루어져 있다. 이 딤플은 골프공의표면을 흐르는 공기 속도를 높여줘 저압이 걸리는 와류층을 공에서

비교적 멀리 떨어지게 만들어 주기 때문에 공기의 흐름에 의한 저항

을 줄여 준다. 골프 공의 후면에 발생하는 저압은 앞면에서 발생하

는 압력차에 매그너스 효과와 같은 끌림 현상이 발생하게 되고 이

힘에 의해 골프공의 비거리가 줄어들게 된다. 딤플의 목적은 이 후

면에 발생하는 저압을 최대한 뒤로 밀어줌으로써 끌림 현상을 최소

화하는데 있다. 딤플이 있는 골프공은 이러한 원리로 일반 공보다

비 거리가 두 배 가까이 늘어나게 되며, 이 때 백 스핀이 걸린 공은

같은 원리로 떠오르는 현상이 발생하게 되는데 이 또한 골프공의 비

거리를 증가시키는 요인이 된다.

그 밖에도 비행기의 날개나 헬리콥터의 프로펠러 역시 이 매그너

스 효과를 이용한 대표적인 구조물로써 날개 위를 흐르는 공기는 양

력을 일으켜 비행기의 몸체를 지상으로부터 띄울 수 있는 힘이 발생

하게 된다.

비행기가 몸체를 띄울 수 있는 양력을 만들어 내는 원래를 사용

한다면 자동차는 그 반대인 차체를 지상에 최대한 붙이게 하는 다운

포스를 만들어 안정적인 주행을 가능하게 한다. 자동차 경주를 보면

차체에 커다란 날개를 달고 빠른 속도로 주행하는 차들을 봤을 것이

다. 이 날개 형상을 스포일러라고 하며 스포일러의 형상은 비행기

날개를 뒤집어 놓은 형상이다. 이 스포일러는 차체를 아래로 눌러주

는 다운 포스를 발생시키게 되는데 자동차가 코너를 돌 때 최대 6G

의 힘이 발생하게 된다. 이 중력가속도를 이기기 위한 힘을 만들어

주는 것이 이 스포일러다

변화구의 실체

야구공이 날아가면서 작용하는 힘은 크게 세 가지이다. 첫 번째는공기에 의한 저항력, 두 번째는 매그너스 효과, 세번 는 중력이다.

변화구는 이 3가지 특성의 조합에 의해 만들어진다.

예를 들어 패스트 볼은 공이 백 스핀(공의 진행 반대 방향)하면

서 아래에서 위로 발생하는 힘에 의해 중력과 반대 방향으로 힘이

발생해 직선으로 날아가지만, 커브 볼의 경우는 공이 탑 스핀(공의

진행 방향)하면서 위에서 아래로 힘이 가해지며 중력과 더해져 일반

궤적보다 더 빨리 공이 떨어지게 된다. 이것은 매그너스 효과에 의

해 발생하는 힘의 방향을 어느 방향으로 발생시키느냐에 따라 야구

공의 움직임을 변화시키는 방법이다.

포크볼이나 너클볼 같이 느린 회전을 가진 변화구는 매그너스 효

과는 없지만 공기저항을 크게 받기 때문에 공기 흐름에 따라 궤적이

▲ 날개 없는 선풍기 팬 단면 ▲ 날개 없는 선풍기

▲ 골프공의 딤플

▲ 비행기 날개 ▲ 헬리콥터의 프로펠러

◀ 기본 변화구들

▲ 자동차의 다운 포스

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성공사례

변화하는 형태의 변화구이다.

즉 변화구는 야구공의 회전 속도, 회전 각도 등에 따라 다양하게

만들어 질 수 있으며 이러한 회전을 만들기 위해 투수들은 엄청난

노력을 하고 있다.

마구의 비밀

마구란 타자가 도저히 칠 수 없는 공을 말한다. 대표적인 3대 마

구는 스크류볼과 너클볼, 자이로 볼이 있다.

스크류 볼은 슬라이더의 역방향으로 떨어지는 구종으로 일반적으

로 알고 있는 2심 패스트 볼이 이 스크류 볼에 속한다. 일반적으로

봐 왔던 공의 궤적이 아니기 때문에 타자들은 배트 중심에 공을 맞

추지 못하고 땅볼이 나오기 일수다.

너클볼은 날아가는 동안의 공의 회전이 없다. 이 공은

90~110km/h의 속도로 그리 빠르지는 않으나 공에 회전이 없기 때

문에 공이 받는 공기저항이 커 공기의 흐름에 따라 궤적이 변한다.

그렇기 때문에 던지는 투수도 공을 받는 포수도 예측할 수 없는 공

이다.

몇 년 전 일본 괴물투수 마스자카의 자이로 볼의 유무가 큰 관심

이었다. 자이로 볼이란 공의 회전이 일반 백 스핀이나 탑 스핀과 달리 야구공이 움직이는 방향을 축으로 하는 회전 즉 총알과 같이 스

파이럴(Spiral, 나사선 혹은 소용돌이선) 회전을 하면서 날아가는 구

종이다.

이 구종의 특징은 145km/h대의 고속으로 날아가다 홈 플레이트

근처에서 급격히 변화하는 구종이다. 이 구종의 무서움은 직구와 같

은 속도로 날아오다 일반 변화구보다 큰 각도로 변화하기 때문에 타

자가 타이밍을 맞춰 배팅을 하더라도 배트의 중심에 맞기 힘들다.

이 구질은 일본의 과학자인 히메노 류타로와 테즈카 사즈시가

저술한 책인 <기적투의 비밀>에서 처음 소개되면서 큰 관심을 끌었

지만, 이러한 회전을 주기 위해서는 무엇보다 완벽한 투구 자세가

필요하며 팔꿈치나 어깨에 큰 무리가 갈 수 있기 때문에 아직까지

마음대로 구사하는 선수는 없다고 한다.

시뮬레이션을 통한 변화구 분석

완벽한 변화구를 구사하기 위해서는 완벽한 투구폼과 팔의 각도

그리고 공의 회전이 필요하다. 이처럼 완벽한 투구를 만들기 위해서

현대 스포츠는 과학의 힘을 빌리고 있다. 앞에서 이야기한 자이로

볼 역시 수많은 시뮬레이션을 통해 개발된 구종이다. 히메노 류타로

는 자이로 볼을 증명하기 위해 슈퍼 컴퓨터를 이용해 야구공의 회전

방향 및 속도에 따라 발생하는 기류의 특성 및 힘의 변화를 계산하

고, 완벽한 자이로 볼이 만들어 질 수 있는 조건을 찾기 위해 수 천

번의 시뮬레이션을 통해 증명하였으며, 이 구종을 던지는 방법 및

원리에 대해 <기적투의 비밀>에서 소개하였다.

태성에스엔이에서도 이러한 시뮬레이션을 진행해 보았다. 야구공

의 회전 특성에 따라 주변의 기류가 어떻게 변화하는지에 대한 검토

와 그에 따라 힘의 전달이 어떻게 되는지를 확인하는 것이 주 목적

이었다.

해석 프로그램은 ANSYS Explicit dynamic Code 중 하나인

ANSYS AUTODYN을 사용하였다. ANSYS AUTODYN은 구조체와 유

동체를 동시에 계산할 수 있다는 장점을 가지고 있으며 COPLIN

Option을 이용해 두 SOLVER들 간의 유기적인 거동 특성을 고려하

여 해석할 수 있다.

시뮬레이션은 총 세 가지로 진행한다. 야구공이 140km/h로 날아

가는 공에 회전이 없을 때, 백 스핀 회전이 걸릴 때, 스파이럴 회전

◀ 변화구 그립

▲ 스파이럴 회전하는 자이로 볼(만화 메이저)

▲ 자이로볼의 궤적

▲ 자이로 볼 시뮬레이션

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성공사례

이 걸릴 때의 조건을 가지고 각각의 유체 거동 특성을 분석한다.

다음 그림은 ANSYS AUTODYN을 이용하여 구현한 야구공의 각

회전 방향 별 공기의 흐름 속도를 나타낸다.

첫 번째 그림은 야구공이 회전하지 않은 상태에서의 해석이다. 날

아가는 공의 기류는 공의 측면을 흐르면서 급격히 속도가 증가하다

가 후면에서 속도가 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 공의 위 아래

부분의 공기 흐름 속도는 모두 동일하며, 압력 분포 역시 공기 흐름

속도가 빠르게 이동하는 구간에서는 압력이 낮아지는 것을 확인할

수 있다.

두 번째 그림은 백 스핀을 가지고 있을 때의 야구공 특성이다. 백

스핀이 걸린 공은 후면에서 불규칙적인 와류가 발생하게 되는데, 이

는 야구공의 실밥이 측면을 흘러가는 기류의 흐름에 영향을 주기 때

문이다. 즉 백 스핀이 걸린 공의 특성을 보면 상부는 공기의 흐름과

실밥의 이동경로가 같기 때문에 빠르게 흘러가는 반면, 하부는 반대

방향이기 때문에 저항이 발생하여 공기 흐름속도가 작아진다. 이러

한 이유로 후면부의 공기 흐름이 불규칙적으로 발생하게 된다.

이러한 현상은 압력 분포에서 더 확실히 나타난다. 압력 분포를

보면 공의 윗면에서의 압력이 아랫면보다 높다. 이것은 공기의 흐름

속도가 윗면이 더 빠르기 때문에 생기는 현상이 압력의 차 때문에

매그너스 효과에 의해 공이 변화하며 날아간다.

세 번째 그림은 스파이럴 회전을 가진 자이로 볼이다.

스파이럴 회전은 야구공의 진행 방향을 축으로 회전하기 때문에

실제 측면에서 공기 흐름은 무회전 공과 비슷하다. 공기의 흐름을

보면 공의 윗면과 아랫면의 속도 차는 크지 않다. 하지만 후면에 와

류를 발생시키게 되는데 이는 실밥의 회전에 의해 밀어내는 기류에

의해 발생되는 것으로 판단된다. 여기서 재미있는 부분은 공 후면의

압력이다. 자이로 볼의 후면 압력을 보면 무회전일 때의 압력보다

높은 압력이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 현상 때문에 자

이로 볼은 속도를 크게 잃지 않고 진행하게 된다.

이와 같은 설명들은 야구공의 각 방향 별 거동 특성을 보면 확실

히 알 수 있다.

다음 그래프들은 각 구종의 방향 별 속도 변화를 나타내는 그래

프들이다.

X축 속도는 공의 진행방향 속도를 나타내는 그래프로써 공기저항

에 따른 공의 속도 감소율을 나타난다.

Y축 속도는 공의 종방향 속도를 나타내는 그래프이며 공의 회전

특성에 따른 종방향으로 이동하는 속도를 나타낸다.

X-축 속도

▲ 무회전 상태 공기 흐름(Velocity) ▲ 무회전 상태 압력 분포(Side view)

◀ 무회전 상태 압력 분포(Front view)

▲ 백 스핀 상태 공기 흐름(Velocity) ▲ 백 스핀 상태 압력 분포(Side view)

◀ 백 스핀 상태 압력 분포(Front view)

▲ 스파이럴 스핀 상태 공기 흐름(Velocity) ▲ 스파이럴 스핀 상태 압력분포(Side view)

◀ 스파이럴 스핀 상태 압력분포(Front view)

▲ 무회전 상태의 야구공 속도 ▲ 백 스핀 상태의 야구공 속도

▲ 스파이럴 회전 상태의 야구공 속도

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성공사례

Y-축 속도

X축의 속도는 야구공의 직진 방향으로 공기에 의한 속도가 감소

되는 특성을 확인할 수 있다. 속도의 감소는 백 스핀 상태에서 가장

많은 감소가 보인다. 반대로 가장 감속이 적은 구종은 스파이럴 회전을 하는 자이로 볼이다.

날아가는 공은 끌림 현상에 의해 진행 속도가 줄어들게 된다. 날아

가는 공의 압력은 전면보다 후면의 압력이 낮기 때문에 매그너스 효

과에 의해 공은 속도가 떨어지게 된다. 이것을 끌림 현상이라고 한다.

그렇다면 후면의 압력이 높으면 높을수록 속도의 감소는 줄어든

다고 할 수 있을까? 물론 그렇다. 매그너스 효과는 압력 차가 크면

클수록 힘은 커지게 되며 작을수록 힘은 작아진다. 즉 후면에서의

압력을 높일수록 끌림 현상이 적게 발생한다. 이는 골프 공의 표면

에 딤플을 만들어 주는 원리와 동일하다.

시뮬레이션 결과를 보면 후면 압력이 가장 높은 구종은 자이로

볼이다. 그에 따라서 감소되는 속도 역시 확실히 적다는 것을 확인

할 수 있다.

Y축의 속도는 야구공의 종 방향 이동이다. 실제 야구공이 변화하

는 궤적으로 무회전의 경우 변화는 극히 미비하다고 볼 수 있다. 하

지만 백 스핀과 스파이럴 회전을 하는 공은 궤적의 변화를 보인다.

백 스핀을 하는 공은 공이 회전하는 수직 방향으로 상승하는 이

동을 보인다. 이는 상대적으로 상부의 공기 속도가 빠르기 때문에

하부보다 낮은 압력이 걸리게 되고 이 압력차에 의해 매그너스 효과

가 발생하여 공이 상승하는 궤적이 발생하게 된다. 즉 공은 회전하

는 방향으로 궤적이 만들어지게 된다.

이보다 재미있는 현상은 스파이럴 회전을 하는 자이로 볼이다. 자

이로 볼은 회전 중심의 수직 방향으로 하강하는 거동을 보인다. 더

재미있는 것은 이 변화폭이 백 스핀의 이동 속도보다 더 크게 나타

난다는 것이다. 압력 특성을 보면 자이로 볼의 경우 하부의 압력이

상부 압력보다 큰 것으로 확인되지만 큰 폭은 보이지 않는다. 하지

만 그래프에서 공의 속도를 확인해 보면 백스핀 상태보다 자이로 볼

의 변화량이 더 큰 것으로 확인된다. 이 현상은 본 시뮬레이션으로

는 확인이 불가능하였다. 예측으로는 공의 후방에 생성되는 와류에

의한 현상이 아닌가 추측할 수 있지만 AUTODYN으로 구현이 힘들

기 때문에 확인할 수 없었다. 전문적인 유동 프로그램을 통하여 확

인해 볼 필요가 있는 부분이다.

히메노 류타로가 증명한 자이로 볼은 일반적인 직구보다 종속의

속도가 더 빠르고 변화폭이 큰 구질이라고 소개하고 있다. 앞의 시

뮬레이션 결과들을 보더라도 자이로 볼은 구속의 감소폭은 적으면

서 종 방향의 변화폭은 큰 구종임을 확인할 수 있었다.

맺음말

‘모든 스포츠는 과학’이라는 말이 있다. 과학적 원리를 가지고 접

근을 해 보면 모든 것을 설명할 수 있다.

변화구 역시 과학적인 증명이 가능하다.

물론 함께 동반되어야 하는 부분이 있다. 그것은 그 변화구를 던

질 수 있는가 하는 것이다. 자이로 볼을 던지기 위해서는 엄청난

힘과 함께 팔이 움직이는 큰 각도가 필요하다. 그만큼 완벽한 투구

자세, 몸의 밸런스, 팔의 스윙 등을 필요로 한다. 히메노 류타로 역

시 이 자이로 볼을 던질 수 있는 조건, 즉 어떠한 인체 조건을 가지

고 있을 때 완벽한 자이로 볼을 던질 수 있을까 하는 연구를 진행

중이다.

자이로 볼의 원리는 실제 어렵지 않다. 하지만 던질 수 없는 공이

라면 세상에 나오지 못하게 될 것이다. 스포츠 시뮬레이션 분야에서

꼭 진행되어야 할 부분이 인체 모델에 대한 시뮬레이션이다. 이러한

인체 모델에 대한 시뮬레이션을 동반된 연구가 이루어진다면 보다

좋은 결과를 기대할 수 있지 않을까 하는 생각이다.

▲ 무회전 상태의 야구공 속도 ▲ 백 스핀 상태의 야구공 속도(10-4)

▲ 스파이럴 회전 상태의 야구공 속도(10-4)

x(m/s)

(10ms)

x(m/s)

(400ms)

종속

(km/h)

감소율

(%)

무회전 -0.06 -2.20 132.08 5.66

백스핀 -0.07 -2.80 129.92 7.20

스파이럴 -0.05 -2.00 132.80 5.14

표 1. X축 속도 변화 & 속도 감소율

y(m/s)

(10ms)

y(m/s)

(400ms)

변화량

(m)

무회전 0.000 0.000 0.000

백스핀 0.002 0.080 0.032

스파이럴 -0.005 -0.200 -0.080

표 2. Y축 속도 변화 & 궤적 변화율

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Tips


개요

최근에는 각 기업들이 단시간에 최고의 품질의 제품을 시장에 내

놓기 위해 더욱 더 디지털 장비를 이용한 최적화와 시뮬레이션의 비

중을 키워가고 있다.

그러나, 제품개발 및 생산용으로 설계된 기존의 CAD 데이터들은

제품해석을 위한 데이터로는 최적화되어 있지 않다. 해석자들이 고

유의 업무인 mesh 작업이나 Solving에 관련된 작업보다 형상 수정

과 관련한 문제해결에 많은 시간과 노력을 할애하고 있다.

SpaceClaim의 Repair, simplify, modify 등 꼭 필요한 몇 가지 기능의 소개를 통해 CAD의 전문가가 아닌 CAE 엔지니어가 직접적인

모델링과 수정을 하고자 할 때 도움이 되었으면 한다.

Merge Face & 자동 Repair 기능

기존의 CAD DATA가 아닌 iges, step 파일 같은 중립파일을 불러

올 때 각각의 surface의 경계가 일치하지 않거나 면이 누락되는 경

우가 종종 발생된다. 이때 복구 탭의 기능들로 자동 검색 및 형상 수

정이 가능하다.

구조 트리 어셈블리의 컴포넌트들이 분리된 각각의 surface 상태

로 들어왔다.

각각 분리되어 있는 surface가 합쳐지고 틈새와 누락된 surface

가 채워지면 자동으로 솔리드가 생성된다.

구조 시뮬레이션용 모델 작성을 위한

SpaceClaim의 5가지 필수 기능 이번 호에서는 SpaceClaim의 모토인 simple & powerful에 걸맞은 구조 해석용 모델 구성을 위해 간단하지만 작업

시간 단축을 돕는 필수 기능에 대해 소개하고자 한다.

■ 고은주 과장 | 태성에스엔이, [email protected]

그림 3. Iges, step 파일을 불러올 경우

그림 4. 고형화 기능 실행 후 컴포넌트의 변화

그림 1. 솔리드화(고형화)

기능 소개

그림 2. 자동수정 기능 소개

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Tips


Merge Face

불필요한 Mesh가 생성되는 것을 방지하고 Mesh Quality의 개선

을 위해 면을 병합할 필요가 있다. 면 병합 실행 시 탄젠트나 탄젠

트에 가까운 면을 병합해야 한다. 면 병합 도구를 사용하면 면의 모

서리 선택이 불가능하다. 모서리와 누락된 면을 채울 때는 디자인

탭에 있는 채우기 기능을 사용한다.

면 병합을 통하여 모서리를 지우고 면을 단순화하면 면은 간소화

되기 때문에 모델의 수정은 어려워진다. 그러므로 모델 형상에 대한

수정을 먼저 실행하고 면 병합을 실행해야 한다.

Defeaturing 기능

SpaceClaim의 채우기 기능은 불필요한 지오메트리의 삭제, 해석

과 상관없는 작은 fillet면들을 제거, 누락된 면의 생성, 복잡한 형상

의 단순화 등 여러 가지 용도로 사용된다.

복잡한 형상을 단순화하여 Mesh 생성 시간의 단축 및 Quality의

향상에 기여하는 중요한 기능이다.

그림 6. 병합된 새로운 face 생성

그림 5. Merge Face(면 병합)

그림 7. 불필요한 형상 제거

그림 8. 구멍 제거

그림 9. Small Face 제거

그림 10. Fillet 제거

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Tips


결합 & 분할 기능

전체 모델 중에서 일부분만을 해석하고자 할 때 SpaceClaim의

분할 기능은 기존의 복잡하고 어려운 CAD에 비해서 매우 간단하다.

먼저 분할 대상을 선택 후 절단의 기준면이나 모서리를 선택한

다음 제거할 대상을 클릭한다.

솔리드의 분할의 기준은 다음과 같다.

평면을 기준으로 솔리드 분할 시 분할을 원하지 않는 부분은 제

외할 수 있고, 부분적 분할 옵션을 사용하여 분할 부분을 지정할 수

있다.

Mid-surface 추출 및 생성

Mid-surface(중간면) 생성 기능은 두 면 사이에 중간 면을 생성

하는 기능으로, 중간 면이 자동으로 확장되거나 인접하는 면까지 연

장되고, 구조해석 시 중간 면에 두께를 부여하여 솔리드 형상을 대

신할 surface mesh 생성에 사용된다.

중간면 생성에 사용되는 면들은 <그림 13>과 같이 색상으로 표기

된다. 중간면은 하늘색을 기준으로 offset된다. 중간면은 구조 트리

에‘중간면’이름의 컴포넌트로 생성된다.

중간면 생성시 원래 솔리드면의 material property를 적용하지만,

중간면 생성 후 다시 material property 정의가 가능하다.

2D 형상 수정의 3D 반영 기능단면모드 상태에서 모서리와 정점을 수정하여 솔리드를 편집한다.

2D에서의 수정은 3D 변경으로 연결되므로 선을 당기면 면이 당겨지

고, 정점을 당기면 모서리가 당겨진다.

모서리를 주위로 면을 회전시키려고 하면 면을 나타내는 선을 선

택+Alt 누른 상태 모서리를 나타내는 정점을 클릭하고 당긴다.

맺음말

이번 호에 소개된 SpaceClaim의 사용자 중심의 인터페이스와 직

접적인 모델링 수정 방법은 간단한 몇 가지 기능만으로 작업 가능하

도록 최소화하였다. 본 내용이 CAE 해석자들이 CAD 수정 및

Repair에 소용되는 시간과 노력을 줄이고 좀 더 해석을 위한 시뮬

레이션에 집중하는데 도움이 되었으면 하는 바람으로 글을 마친다.

그림 11. 분할을 위한 평면 생성

그림 13. 해석에 필요한 솔리드 구성

그림 12. 해석에 필요한 솔리드 구성

그림 14. Midsurface 생성 옵션

그림 15. 2D 모드 형상 수정 과정

■ 모서리를 이용한 분할

■ 면을 이용한 분할

■ 평면을 이용한 분할

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Inside Selection → Length Based

2D Design → 지정된 2차원 Object의 내부에 대하여 mesh의 최대 변 길이를 지정

<그림 2>와 같이 20mm × 20mm 정사각형이 있을 때에, 최대 요소의 길이를 2mm로 지정하

고 mesh 수는 지정하지 않았을 때 내부에 균등한 mesh가 생성된다. 만약에 사용자가 길이를

지정하지 않고 mesh 수로 지정했다면, 지정한 수를 넘지 않는 범위 내에서 가능한 균등한

mesh를 나누게 된다. 또한, 길이와 수 둘 다 지정하게 되면 생성되는 mesh 수가 적게 되도록

mesh를 생성한다.

3D Design → 지정된 3차원 object의 내부에 mesh의 최대 변 길이를 지정

<그림 3>은 20mm × 20mm × 20mm 정육면체가 있을 때에, 최대 요소의 길이를 2mm로

Maxwell Tips Series Ⅱ

- Mesh 생성에 관한 Tips (2)

이번 호에서는 사용자가 지정하는 Mesh 설정 중, 지난 호에 기재되었던

On Selection 방법 이외의 다른 방법들에 관한 내용을 기재한다.

■ 한은실 이사 | 태성에스엔이, [email protected]

그림 1. Mesh Operation

그림 2. inside selection 지정한 결과(Maxwell 2D)

20mm

초기 mes

Tips

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Tips


지정하고 mesh 수는 지정하지 않은 경우의 생성된 mesh 형태이다.

Surface Approximation

<그림 4>와 같이 원호를 갖는 object의 경우, Mesh와 원호 사이

에 반드시 공백이 존재한다. 이는 모든 mesh 생성에서 나오는 문제

인데 이 공백 부분(노란색 부분)은 유한 요소 해석이 되지 않는다.

따라서, 이 공백을 너무 크게 mesh를 생성하게 되면 해석하지 않는

부분이 그만큼 커지게 되고, 이 공백을 너무 작게 mesh를 생성하게

되면 해석 시간이 오래 걸릴 뿐 아니라 mesh 형상이 매우 좋지 않

게 되어 해석의 오차가 커지게 된다. 이 surface approximation 방

법을 이용하여 원호와 mesh 간의 공백을 조절하는 것이 관건인데,

3가지 방법이 있다.

Maximum Surface Deviation → Object와 Mesh 간의 최대

길이 지정(d를 조정)길이 (d)를 작게 하였을 때 mesh의 변경된 결과를 <그림 5>에 나

타내었다.

Maximum Surface Normal Deviation → 각도 조정(θ를

조정)

각도(θ)를 작게 하였을 때 mesh의 변경된 결과를 <그림 6>에 나

타내었다.

Maximum Aspect Ratio → mesh의 내접원 반경과 외접원

반경의 비를 조정

mesh의 내접원과 외접원 반경의 비(그림 7-a)를 조정하는 방법

으로, <그림 7-b>의 원통을 이용하여 이 mesh 설정을 이용한 결과

가 <그림 8>에 나타난다.

그림 3. Inside Selection 지정했을 때의 생성된 Mesh 모양(Maxwell 3D)

20mm

초기 mesh

표면 mesh 형상

내부 mesh 형상

그림 5. mesh 모양 : Maximum Surface Deviation 결과

▲ 초기 mesh 모양

▲ 변경된 mesh 모양

그림 6. mesh 모양 : Maximum Surface Normal Deviation 결과

그림 4. triangular mesh와 원형 모델의 관계

(a) mesh의 내접원 반경과 외접원 반경

(b) 반경 3mm, 높이 10mm인 원통

그림 7. Maximum Aspect Ratio 정의 및 이용한 원통 모양

그림 8. Maximum Aspect Ratio에 따른 mesh 모양

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Tips


<그림 9>는 앞의 세 가지 Surface Approximation 옵션에 따른

mesh 모양을 보여준다.

Model Resolution

이 설정은 다른 mesh 설정보다 우선 순위에 있다. <그림 10>에서

보듯이, mesh의 최소길이를 0.3mm로 지정함으로써 이 길이보다 작

은 부분의 mesh는 생성되지 않는다. 오른쪽의 수정된 mesh 형상에

서 빨강색 선은 원래 모델을 보여준다. 따라서, 잘못 설정하는 경우

에는 꼭 필요한 부분의 mesh도 생성되지 않을 위험이 있다.

이 설정 방법은 모델을 외부 CAD로부터 불러왔을 때에 <그림 11>

과 같이 작은 원호들이 많은 경우에, 모델을 수정하지 않고도 mesh

를 잘 나눌 수 있다는 장점이 있다.

Cylindrical Gap Treatment

회전 운동을 포함하는 모터나 발전기의 형상은 일반적으로 Band

Object가 고정자 부분과 움직이는 부분을 분리시킨다. 이 경우,

Band object와 Moving/Stationary object 사이의 Gap이 매우 얇

다. 하지만, 이 얇은 air gap 영역은 수렴을 잘하기 위해서는 mesh

가 잘 형성되어 있어야 한다. 문제는 운동 방정식을 포함하는

Transient Solver에서는 Adaptive mesh 수렴을 제공하지 않는다.

이러한 경우, 얇은 air gap 영역에서 좋은 mesh를 만들기 위해서

사용하는 mesh 설정 방법이 Cylindrical Gap Treatment mesh이

다. 이 설정은 Transient Solver에서 Maxwell 3D → Model →

Motion Setup → Assign Band 를 이용하여 Motion을 설정하면 자

동적으로 설정이 된다.

<그림 12>는 Cylindrical Gap Treatment mesh가 적용된 예이다.

앞의 방법들을 이용하여 mesh 설정을 했지만, mesh 생성에 실패

했을 때에 <그림 13>과 같은 과정을 거쳐 재설정을 하는 것을 제안

한다.

그림 12. Cylindrical Gap Treatment mesh 모양

Initial Mesh Mesh section seen

from top

Refined Mesh

with Cylindrical Gap Treatment

그림 13. mesh 생성이 실패했을 때 ANSYS에서 제안하는 방법

(a) 초기 mesh

(b) model resolution 설정 후의 mesh

그림 10. model resolution을 이용했을 때의 mesh 모양

그림 11. import해 온 모델에서 model resolution을 이용한 경우 단순화된 mesh 모양

(a) import한 모델의 초기 mesh (b) model resolution 설정 후의 mesh

그림 9. 세가지 Surface Approximation 옵션에 따른 mesh

Default 조건Maximum Surface Deviation

Maximum SurfaceNormal Deviation

Maximum Aspect Ratio

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Tutorial

Fracture Object

Fracture Object는 모델에 크랙을 직접 생성하거나 외부에서 가

져온 크랙 격자를 불러들여 해석을 진행할 수 있는 기능을 제공한

다. 크랙을 직접 생성할 때는 Fracture 항목에서‘Crack’을 삽입하

여 정의해야 하며, 외부의 크랙 격자를 불러들여 정의할 때는‘Pre-

Meshed Crack’을 추가하면 된다.

또한 사용자가 크랙을 생성하거나 정의할 때는 몇 가지 제약 사항

이 따르는데, 그 내용은 다음과 같다.

국부 좌표계 생성

크랙을 정확한 위치에 생성시키기 위해서는 국부 좌표계가 필요

하다. 이때 주의해야 할 것은 해당 솔리드 면에 수직한 좌표계를 생

성하고, 반드시 +X축이 솔리드의 내부를 향하도록 설정해 주어야 한

다는 것이다. Semi-Elliptical 크랙 형상에서 +X축은 Minor Radius,

Z축은 Major Radius, Y축은 크랙의 Normal 방향을 나타내기 때문

에 좌표계가 정확하게 설정되지 않는다면 크랙이 의도와 다르게 생

성되거나 아예 생성되지 않을 수도 있다. 보다 효율적인 좌표계 생

성을 위해 14.5에는‘Hit Point Normal’기능이 추가되어 X축 방향을

한번에 정의할 수 있게 되었다.

Crack 정의

크랙을 정의하려면 먼저 Outline Tree의‘Model’항목에서 RMB

→ Insert → Fracture를 삽입해야 한다. Outline Tree에 Fracture가

추가되면 다시 Fracture 항목에서 RMB → Insert →‘Crack’또는

‘Pre-Meshed Crack’을 선택하면 해당 크랙 생성 기능이 추가된다.

이번 호에서는 ANSYS에서 직접 크랙을 생성하는‘Crack’에 대해서

만 언급하며, 이에 대한 상세 정의는 다음과 같다.

Crack Mesh의 생성 방법 및 파괴역학

매개변수 검증ANSYS 14.5부터 Workbench 환경에서 Crack Mesh의 사용이 가능해졌으며, Stress Intensity Factor, Energy

Release Rate, J-Integral 등을 각각의 파괴모드에 대해 계산할 수 있다. 이번 호에서는 시뮬레이션으로 계산된 각각

의 값을 이론식과 비교하여 검증한 내용을 소개하고자 한다.

■ 박대섭 과장 | 태성에스엔이, [email protected]

■ Fracture Object는 Static Structural Analysis에서만 사용 가능함

■ ‘Crack’은 3D 해석만 지원되며, 크랙 형상 또한 Semi-Elliptical만

지원됨

■‘Pre-Meshed Crack’은 2D/3D 해석 모두 가능하며, 임의의 크랙 형

상 정의가 가능함

■ ‘Pre-Meshed Crack’은 크랙 선단의 절점들을 선택하여 Named

Selection으로 생성시켜 주어야 하며, 좌표계의 Y축을 크랙 수직 방향으

로 일치시켜 주어야 함

■ 크랙은 단 하나의 Body에만 적용 가능함

■ 격자는 2차 요소의 Tetrahedron만 사용 가능함

▲ Hit Point Normal 기능 ▲ 크랙을 위한 국부 좌표계 생성

■ Coordinate System : 크랙의 위치와 방향을 정의할 수 있는 좌표계

선택

■ Crack Shape : Semi-Elliptical(변경할 수 없음)

■ Major Radius : 타원의 장축 반경

■ Minor Radius : 타원의 단축 반경

■ Fracture Affected Zone Height : 크랙의 영향을 받는 높이

■ Largest Contour Radius : 크랙 단면의 가장 큰 반경

■ Circumferential Divisions : 크랙 단면의 원주 방향 격자 분할 개수

(8의 배수로 설정)

■ Mesh Contours : 크랙 단면의 반지름 방향 격자 분할 개수

■ Crack Front Divisions : 크랙의 길이 방향(크랙 선단) 격자 분할

개수■ Solution Contours : 계산에 참여하는 격자 개수

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Tutorial

Crack 생성 및 Named Selection

크랙에 대한 정의가 완료되면 격자를 생성할 수 있는데, 그 전에

두 가지 항목을 체크해 보아야 한다. 먼저 Mesh → Advanced 항

목의 Element Midside Nodes가 ‘Program Controlled’또는

‘Kept’로 설정되어 있어야만 하며, Mesh Control에서 Method를 추

가하여 크랙 격자를 생성시킬 솔리드의 옵션을 Tetrahedrons으로

정의해야 한다. 추가로 크랙 면, 크랙 선단, 크랙에 영향을 받는 부

분에 대한 후처리가 필요하다면, ‘Crack’의 상세 정보창에서

Named Selections Creation의 항목 중 원하는 항목을‘On’으로 변

경하면 격자 생성 후 해당 절점들에 대한 Named Selection이 자동

으로 생성된다.

Solving 및 Fracture Tool

Solving을 수행하기 전 Analysis Setting에서 ‘Fracture’항목을

‘On’으로 설정해야 선형탄성파괴역학(LEFM)과 관련된 계산들이 수

행되며, 보통의 경우에는 Crack Mesh가 추가되면 자동으로 변경된

다. Contact Tool, Fatigue Tool과 마찬가지로 파괴 변수와 관련된

후처리를 하기 위해서는‘Fracture Tool’을 Solution 항목에 추가해

야 한다. Fracture Tool에서 확인할 수 있는 결과는 다음과 같다.

균열 성장과 균열 선단에서의 응력분포를 설명하기 위해서 파괴

역학 원리를 사용한다. 만일 작용 하중의 크기가 작아 탄성범위 내

에서 응력이 발생 된다면 균열 부재의 응력분포는 선형 탄성이론

(Linear Elasticity Theory)에 의해서 계산할 수 있다. 균열 선단 부

근에서 응력장(stress field)은 3가지 기본 형태로 나누어질 수 있으

며, ANSYS를 이용해 이들 모드에 대한 응력확대계수, 에너지해방

◀ Crack Mesh 설정

◀ Major/Minor Radius

◀ Mesh Contours 및 Circumferential

Divisions

◀ Crack Front Divisions 및 Coordinate

System

◀ Crack Mesh 생성

▲ 크랙 영역에 대한 Named Selection의 자동 생성

■ SIFs Result

· K1 : Mode 1 응력확대계수(Stress Intensity Factor)

· K2 : Mode 2 응력확대계수

· K3 : Mode 3 응력확대계수■ VCCT Result

· G1 : Mode 1 에너지해방율(Energy Release Rate)

· G2 : Mode 2 에너지해방율

· G3 : Mode 3 에너지해방율

· GT : 전체 에너지해방율(Total Energy Release Rate)

■ J-Integral Result

· JINT : J-적분 결과

▲ 파괴의 3가지 모드

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Tutorial

율, J-적분 등의 결과를 계산할 수 있다.

균열이 존재하는 탄성체에 응력이 가해지면 균열 선단에 큰 응력

집중이 발생하며, K는 균열선단 근처의 응력분포 세기를 좌우하는

파괴역학 매개변수로서 응력확대계수라 한다. 응력확대계수 K는 적

용 하중, 균열 크기, 크랙 형상, 시편의 기하형상 등에 의존한다. 부

하응력 σ가 임계응력 σc에 도달시 파괴가 일어나는 것처럼 파괴역

학 매개변수인 K도 한계치 Kc에 도달하면 파괴가 발생하며, 파괴인

성 Kc는 다음과 같이 정의된다.

여기서 Y는 매개변수, a는 균열 길이를 말한다.

에너지해방율 G는 Irwin이 고안해 낸 이론이며 새로운 균열 면을

생성하는데 필요한 에너지를 뜻한다. Gc는 균열 확대에 대한 저항을

나타내는 것으로 Kc와 마찬가지로 파괴인성이라고 정의할 수 있으

며, Gc가 클수록 균열 진전을 위해 큰 에너지가 필요하다.

J-적분은 J.R. Rice가 창안해냈으며, 탄소성 변형을 고려한 균열

선단 근처의 응력분포를 대표하는 파괴역학 매개변수로써 연성재료

의 파괴평가에 유용하게 사용된다. 더불어 K, G, J는 선형탄성 문제

에 대해서 다음과 같은 관계식으로 정의할 수 있다.

파괴역학 매개변수 검증 : Newman-Raju의 이론식파괴역학 매개변수 검증을 위해 3차원 반타원(Semi-Elliptical) 표

면의 균열 진전 거동에 대한 Newman-Raju의 이론식을 수계산하였

으며, 계산에 사용한 방정식은 다음과 같다.

여기서, K는 응력확대계수, S는 공칭응력, a와 c는 유한판에 존재하

는 반타원형 균열의 깊이와 장반경을 나타내며 계산의 편의성을 위해

본 해석에서는 1mm로 설정하였다. 또한 판의 두께 t=10mm, 너비

2b=100mm, 높이 2h=100mm로 결정하였다. 앞의 식에서 Q는 형상계

수(Shape Factor)를 나타내며, Fs는 경계수정계수(Boundary

Correction Factor)로서 균열 깊이, 균열 길이, 판의 두께, 타원의 각도

에 대한 함수로 정의되며 다시 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.

여기서,

시뮬레이션과 이론식을 비교하기 위한 체크포인트는 타원의 각도

가 0°, 45°, 90°일 때로 정의하였으며, Nominal Stress는 1 MPa로

결정하였다. 또한 J-Integral 계산을 위한 탄성계수 및 포와송비는

각각 200GPa, 0.3을 사용하였으며, 이를 토대로 위의 수식을 계산

하면 다음과 같다.

파괴역학 매개변수 검증 : 해석 모델 및 경계 조건시뮬레이션에서 사용한 모델은 앞서 Newman-Raju의 이론식을

계산하기 위해 정의한 값들을 동일하게 적용하였으며, Crack 부분

에 정의된 절점 수는 크랙 선단에 31개, 크랙 면에 1,016개가 생성되

었다. 앞서 크랙 정의에서 크랙 선단을 15개로 분할하라는 옵션을

주었기 때문에 2차 요소 사용에 따라 절점 수는 31개가 생성된 것이

며, Crack 부분의 격자 수준은 이와 같이 Crack 정의에 따라 많이

달라질 수 있다. 경계 조건으로는 판재의 하부면을 Frictionless

Support, 상부면에 1,000 N의 인장 하중을 적용하였다. 인장 하중은

판재에 Nominal Stress가 1 MPa이 발생하도록 해야 하기 때문에

계산에 의해 적용된 결과이다.(σ= F/A → F = σA = 1N/mm2 ×

1000mm2 = 1000 N)

Ф KI

JINT

0° 1.298 7.67E-06

45° 1.187 6.41E-06

90° 1.176 6.30E-06

▲ 크랙 선단의 각도별 KI 및 J-Integral 계산값

▲ 반타원형(Semi-Elliptical) 표면 균열 모델

▲ 생성된 Crack Mesh

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Tutorial

파괴역학 매개변수 검증 : 해석 결과 및 비교 분석

인장 하중이 재질의 탄성 범위내의 아주 작은 값을 적용했기 때

문에 발생한 변형량이나 응력값을 검토하는 것은 크게 의미가 없지

만 크랙 부분에 응력이 얼마나 집중되는지를 확인해 보았다.

다음의 결과는 10,000배로 확대 표현된 변형도에 출력한 응력값

이며, 이 때의 응력집중계수(Stress Concentration Factor)는 4.5이

다.(Kt = σmax/σ0 = 4.5/1 = 4.5)

1차 파괴모드에서 발생하는 응력확대계수는 크랙 시작점(Ф=0°)

과 끝점(Ф=180°)에서 가장 크게 나타났으며, 90°일 때 가장 작게

나타났다. 그림은 Ф=0°~180°까지의 절점별 응력확대계수를 플롯

한 결과이다.

ANSYS의 Fracture Tool을 이용해 계산한 응력확대계수와

Newman-Raju의 이론식으로 계산된 값을 타원의 각도에 따라 비교

해 보았으며, 또한 J-Integral 값도 이론식과 비교하여 다음 표에 나

타내었다.

먼저 응력확대계수는 ANSYS와 이론식 모두 0°(=180°)에서 크게

나타나고 90°까지 점차 줄어들다가 이후 180°까지 다시 증가하는

양상이 나타났다. 수치상으로는 90°부분에서 가장 큰 오차(1.1%)가

발생하였으나 그 수치가 매우 작으며 크랙 부분의 격자를 좀더 조밀

하게 할 경우 오차가 줄어드는 것을 확인하였다. J-Integral 값도 응

력확대계수 분포와 비슷한 양상을 나타내었으나 오차는 상대적으로

좀더 크게 발생하였다.

맺음말

이번 호를 통해 14.5 Workbench 환경에 신규 추가된 Crack

Mesh를 사용하여 반타원형의 크랙 생성법을 설명했으며, 파괴역학

의 매개변수들인 응력확대계수와 J-Integral 값을 이론식과 비교 검

증하였다. 검증 결과 ANSYS로 해석한 값과 이론식으로 계산된 값

이 거의 일치하는 것을 확인하였으며, 추후 ASME Code 체크나 선

형탄성파괴역학적 균열 진전을 검토하는데 유용하게 사용될 것으로

생각된다.

▲ 하중 및 구속 조건

▲ 크랙 영역에서 발생한 응력 분포

▲ 크랙 선단의 응력확대계수(K1)

▲ 크랙 선단의 J-Integral(JINT)

Ф Newman-Raju ANSYS

KI

0° 1.298 1.297

45° 1.187 1.181

90° 1.176 1.163

▲ ANSYS와 이론식 간의 결과값 비교

Ф Theoretical Eq. ANSYS

JINT

0° 7.67E-06 7.86E-06

45° 6.41E-06 6.30E-06

90° 6.30E-06 6.09E-06

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Tips & Tricks


그림은 곡관 내부에 선회류를 억제하기 위해 유로단면 전체에 여

러 개의 좁은 유로를 만들어 놓은 경우에 대한 Flow Physics 설정

화면으로서, 각 유로를 통해 흐르는 질량유량을 가시화하는 경우를

고려해 보자. 개별유로에 대한 유량은 CFD-Post의 table 기능을 이

용하면 다수의 유로에 대해서도 비교적 손쉽게 구해낼 수 있고, 이

값들을 무차원화한 후 그 값을 가지고 개별 유로에 대한 색을 직접

설정하는 방식으로 작업을 진행하면 된다. 하지만, 유로의 수가 그림

처럼 100개 혹은 그 이상인 경우, 이러한 작업을 메뉴 방식의 GUI를

통해 계속 반복하는 것은 사용자 입장에서는 성가신 업무가 된다.

이 때 Perl을 이용하면 쉽게 원하는 결과물을 얻을 수 있는데, 그 과

정을 살펴보도록 하자.

표는 해석 결과로부터 CFD-Post의 table 기능을 이용하여 각 유

로별로 질량유량을 구한 다음, 최대유량과 최소유량의 차를 기준으

로 개별 유로의 유량을 무차원화하여 정리한 표이다. 첫 번째 열은

해당 유로의 region name이고, 두 번째 열은 해당 유로의 질량유량

을 무차원화한 값으로 0~1 사이의 값을 가진다.

먼저, CFD-Post에서 Session 파일을 만드는데, 2D region인

‘Position001’의 색을 임의대로 변경한 후,‘Apply’버튼을 클릭하여

화면에 해당 region이 나타나도록 한 내용만 Session 파일에 저장

되도록 한다. 다음의 내용은 저장된 Session 파일을 열어본 경우에

대한 예인데, ‘position001’은 작업한 2D region의 이름이고,

‘Colour’부분의 숫자 3개는 2D region의 색을 결정하는 내용으로

차례대로 빨강, 초록, 파랑을 나타내는 변수값이다. 각 숫자는 0~1

사이의 값을 가지는데, 세 값의 조합에 따라 다양한 색이 만들어진

다. 예를 들어, 3개의 숫자가 같은 값을 가지면 무채색을 나타내고,검정(0, 0, 0)에서부터 흰색(1, 1, 1)까지 나타낼 수 있다. 마지막 줄은

이렇게 변경한 색으로 ‘position001’을 화면에 보이도록 명령을 내

리는 구문이다.

그러면, 여기에 Perl 구문을 삽입하여 전체 유로 단면에 색을 입히

는 Session 파일을 만드는데, 다음에 Perl을 삽입한 Session 파일을

보여주고 있다. 삽입된 문구를 차례로 살펴보면, 먼저 ‘massflow.

CFD-Post에서 Perl 적용하기

CFX에서 Perl은 다양하게 적용할 수 있는데, 이번 호에서는 CFD-Post에서 단순 반복적인 작업을 Perl을 이용하여 쉽

게 처리하는 방법을 알아보고자 한다.

■ 김도형 부장 | 앤플럭스, [email protected]

Tips & Tricks

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Tips & Tricks


txt’는 각 유로에 해당하는 region 이름과 무차원화한 질량유량이 저

장된 파일이고, 첫 번째 줄은 file handle명‘INFILE’로 할당하고 이

파일을 여는 구문이다.

두 번째 줄의 ‘while’구문은 ‘INFILE’로 할당된 ‘massflow.txt’

파일의 내용을 한 loop 동안 한 줄씩 읽어 들이는 구문이고, 다음

줄은 해당 loop에서 읽어 들인 1줄 전체의 내용(‘$_’)을‘$Line’이라

는 변수로 저장하는 구문이다.‘chomp’는 읽어들인 문장 데이터의

마지막 부분에 저장된 줄바꿈 기호를 제거하는 명령이다. 그 다음

줄은 읽어 들인 문장 내용 중 space(‘/ /’)가 있는 부분을 기준으로

나누어 각각의 단어를‘@Index’배열 변수에 저장하는 구문이다.

예를 들어, 첫 번째 줄‘position001 0.75’을 읽어들였다면, 첫 번

째 Index 변수(‘$Index[0]’)에는‘position001’이 저장되고, 두 번째

Index 변수(‘$Index[1]’)에는 ‘0.75’가 할당된다. 그리고, 기존의

CCL구문의 내용을 해당‘Index’변수명으로 대치하였는데, 이렇게

하면‘massflow.txt’파일의 마지막 줄을 읽을 때까지 loop을 돌며

모든 2D region에 해당하는 색을 설정된 값으로 화면에 나타나도록

작업이 한 번에 진행된다.

이 내용대로 파일을 저장한 후, CFD-Post의 Session 메뉴에서

‘Play Session…’을 실행하여 해당 Session 파일을 읽어들이면, 다

음의 연속된 그림처럼 100개의 region에 질량유량 값을 반영한 그

림을 얻을 수 있다.

CFD-Post에서 Perl을 이용하면 본 예제에서와 같이 단순 반복적

인 작업을 훨씬 능률적으로 수행할 수 있고 보다 난이도 높은 후처

리 작업을 수행할 수 있다. Perl에 대한 깊은 이해가 없더라도 Perl

에서 데이터가 처리되는 방법, 몇 가지 명령어들 만으로 훌륭하게

사용자 업무에 적용할 수 있으며, 이를 통해 사용자 업무에 특화된

Customization과 Automation을 구현할 수 있으며, 보다 능률적으로

해석 업무를 수행할 수 있다.

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Tips & Tricks

지난 Anzine Vol.18에서는 HP-MPI를 이용한 V13.0 CFX

Distributed Parallel 설정 방법을 소개하였다. 기존 V13.0의 설정 내

용과 큰 차이는 없으나, V14.0부터는 HP-MPI가 아니라 Platform-

MPI를 이용하며, ANSYS 설치 과정에서 MPI를 바로 설정할 수 있게

되었다. 이번 호에서는 Windows OS 환경에서 V14.5 CFX

Distributed Parallel 설정 방법을 7단계로 구분하여 소개하고자 한

다.(Windows 7을 기준으로 작성하였으며, V14.0 설정 내용과 동일하

다.) 1~5단계는 Distributed Parallel에 사용하는 모든 computer에

적용되는 단계이며, 6, 7단계는 master computer에서만 적용된다.

Windows 사용자 계정 & Password 설정

CFX Distributed Parallel을 이용하기 위해서는 사용하는 모든 PC

의 계정 및 Password를 동일하게 설정해야 한다. 설정 방법은 인터

넷 검색 또는 <그림 3>을 참고하도록 한다.

ANSYS CFX 14.5 - Platform MPI를

이용한 Distributed Parallel 설정방법

ANSYS CFX 14.0 버전부터 HP-MPI가 아니라 Platform-MPI를 이용하며 ANSYS 설치 과정에서 MPI를 바로 설정할 수

있게 되었다. 이번 호에서는 Windows OS 환경에서 V14.5 CFX Distributed Parallel 설정 방법을 소개하고자 한다.

■ 김재열 과장 | 태성에스엔이, [email protected]

그림 1. Local Parallel

그림 2 Distributed Parallel

그림 3 계정 및 Password 설정

1. Windows 사용자 계정 & Password 설정

2. 네트워크 드라이버 설정

3. ANSYS CFX 설치

4. Rsh service 중단 설정

5. Platform MPI 설치 및 설정

6. host node 정보 등록

7. CFX solver manager 설정 및 계산

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Tips & Tricks


네트워크 드라이버 설정

Distributed Parallel 계산 시 computed node의 data를 주고 받

을 위치가 필요하며, 이는 간단히 네트워크 드라이버 설정으로 해결

할 수 있다. 설정 방법은 <그림 4>를 참고하도록 한다. 모든

computer에 동일한 위치(master computer)의 네트워크 드라이버

를 생성한다. 네트워크 드라이버는 CFX의 working Directory 경로

로 사용된다.

ANSYS CFX 설치

Distributed computing을 위해 모든 computer에 ANSYS CFX

14.5를 다음의 경로에 설치한다.

Rsh service 중단 설정

이전 버전까지는 computer node 사이의 comunication을 위하여

RSH(Remote Shell Service)를 사용하였으나, V13.0 이후부터는 더

이상 추천하지 않으며 사용자는 강제적으로 RSH를 중단해야 한다.

RSH는 <그림 5>와 같은 방법으로 파일을 생성하여 중단하거나, 제

어판 → 관리도구 → 서비스 경로에서 중단할 수도 있다. Windows

7에서는 Remote Shell Service 항목이 나타나지 않으므로 파일을

생성하여 RSH를 중단하도록 하자.

cfx5rc.txt 파일을 생성한다.

다음의 경로에 저장한다.

Platform MPI 설치

RSH를 중단하고 나면 Message Passing Interface(MPI)를 설치

하고 설정한다. MPI는 서로 다른 compute node 사이에서 data를

주고 받기 위해 필요하다.

기존 command prompt를 이용한 방법과 동일한 내용(Anzine

v18.0 관련기사 참조)이며, GUI상에서 좀더 편리하게 설정할 수 있다

V14.5 설치 DVD를 실행한 후 <그림 6>과 같이 ‘Install MPI for

ANSYS Parallel Processing’항목을 선택한다. ANSYS 설치 DVD

는 Intel MPI와 Platform MPI를 제공하고 있다. Intel MPI는 Local

Parallel 이용 시 설치하며, Platform MPI는 Distributed Parallel 이

용 시 설치한다. 여기서는 후자를 위해 <그림 7>과 같이 Install

Platform MPI를 선택한다.

C:\Program files\ANSYS Inc\V145\CFX

입력 내용 : CFX_SOLVE_DISABLE_REMOTE_CHECS=1

저장 경로 : C:\Programfiles\ANSYSInc\V145\CFX\config

그림 4. 네트워크 드라이버 생성

그림 5. cfx5rc.txt 파일 입력 내용

그림 7. Install Platform MPI 선택그림 6. Install MPI for ANSYS Parallel

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Tips & Tricks


이후 설치 경로, 사용 port, mpi service 등록 등과 같은 과정으

로 진행되며, 동시에 설치 관련 매뉴얼이 자동으로 실행되므로 참고

하여 설치하도록 한다.

Platform MPI 설치를 완료한 후 Platform MPI service를 등록하

면, Windows 로그인 계정의 증명이 registry에 저장된다.

host node 정보 등록

Master node에서 distributed parallel을 사용하기 위해서는 각

computer의 host node 정보를 등록해야 한다.

등록은 host.ccl 파일을 직접 수정하거나(C:\ Programfiles\

ANSYSInc\V145\CFX\config \host.ccl) <그림 9>와 같이

command promote 창을 통해 등록할 수도 있다.

CFX solver manager 설정 및 계산

드디어 Distributed parallel을 이용하여 계산할 준비를 완료하였

다. CFX solver manager를 이용하여 Distributed parallel 설정을

알아보도록 하자.

글을 마치며

지금까지 Windows 7 환경에서 CFX Platform Distributed

Parallel 설정 방법에 대해 알아보았다. 기존의 HP-MPI 대신

Platform-MPI를 사용한다는 점 외에는 이전 버전(V13.0)의 설정 내

용과 큰 차이가 없으나, V14.0 이후부터는 ANSYS 설치 과정에서

MPI 설치가 가능해짐에 따라 사용자가 보다 편리하게 Distributed

Parallel 환경을 구축할 수 있을 것으로 기대된다.

그림 8. Platform MPI service password 설정

그림 11. CFX solver manager 설정

그림 9. host node 정보 등록 그림 10. 수정된 host.ccl

■ 설치 매뉴얼 경로 : C:\user\사용자계정\Local\ana_install_

tmp37 12\Install_Platform-MPI_README.mht

1) Command 창 실행(관리자 권한으로)

2) C:\Programfiles\ANSYSInc\V145\commonfiles\Platform\\8.2.1\

Windows 경로로 이동

3) setpassword.bat를 입력

4) window계정 비밀번호 입력 후 Enter

1) command promote 창 실행

2) C:\Programfiles\ANSYSInc\V145\CFX\bin \Windows 경로로 이동

3) cfxparhosts -add hostname 입력(여기서 hostname은 등록할computer의 host name이다.)

1) CFX Launcher 14.5를 실행한다.

2) Working Directory를 네트워크 드라이브 경로로 설정한다.

3) CFX solver Manager 14.5를 실행한다.

4) Solver Input File에서 파일을 선택한다.

5) Run Mode에서‘Platform MPI Distributed Parallel’을 선택한다.

6) ‘Insert Host’아이콘을 클릭하여 원하는 host를 선택한다. 이 때

host name이 없다면 host.ccl 파일 수정 단계로 돌아간다.

7) 각 node에서 사용할 cpu 수를 설정한다.

8)‘Start run’을 클릭하여 계산을 수행한다.

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구조해석에서 주로 금속재료를 다루는 기계구조물의 경우 해석

결과 중 응력을 출력하여 구조물의 평가를 하지만, 토목과 건축에서

의 구조해석은 철골이나 콘크리트 등의 구조부재의 부재력(축력, 굽

힘 모멘트, 전단력)을 출력하여 설계에 반영을 하는 경우가 많다.

ANSYS에서는 Beam 요소나 Shell 요소의 경우 기본적으로 부재

력을 출력해 주는 기능이 있지만, Solid 요소의 경우 부재력을 출력

하는 기능이 없다. 하지만, 사용자가 ANSYS의 기능들을 잘 조합하

여 부재력을 계산할 수 있는데, 그 방법을 소개하고자 한다.

이번 호에서는 2D Solid 요소 중에서 Axisymmetric 요소를 이용

하여 부재력을 추출하는 방법만을 소개하지만, 응용하면 3D Solid

요소에도 적용이 가능할 것이다.

부재력이란?

부재력이란 말 그대로 부재에 작용하는 힘으로, 구조물이 외력을

구속지점으로 전달하는 역할을 하는 구조 부재에 전달되는 힘을 말

하며, 크게 축력과 굽힘 모멘트, 전단력으로 나뉜다.

부재력 추출 방법 - Shell 요소

앞에서도 이야기했듯이 Shell 요소의 경우 기본적으로 부재력을 출

력해 주는 기능이 있다. ANSYS의 경우 결과를 출력하는 방법으로

Nodal Solution, Element Solution, Element Table의 3가지 방법이 있

는데, 이 중에 Element

Table을 이용하여 부재

력을 출력할 수 있다.

요소타입별로 출력

되는 결과가 각각 다

르기 때문에 요소선정

시 ANSYS Help의 요

소 라이브러리에서 출

력 가능한 결과를 사

전에 확인하는 것이

중요하다.

<그림 1>은 SHELL181 요소의 결과 출력에 대한 내용을 일부 발췌

한 것이다. 우선 원하는 부재력을 출력하기 위해서 부재력의 이름과

해당 부재력의 Sequence Number를 확인해야 한다. 예를 들어 요

소좌표계 기준 Y 방향의 축력의 경우 부재력의 이름은 'N22'라는 것

을 확인하고, Element Table에서 Sequence Number가 '2'번이라는

것을 확인하고, GUI나 Commend를 이용하여 결과를 출력하면 된다.

자세한 내용은 다음의 해석 모델을 통해서 알아보자.

부재력 추출 방법 - 2D Solid

Solid 요소의 경우 요소 라이브러리를 확인해보면 부재력 출력에

대한 내용은 어디에도 찾아볼 수 없지만, 부재력 추출이 불가능한

것은 아니다.

응력을 축방향의 응력성분과 굽힘의 응력성분으로 분리하고, 부재

의 두께에 따라서 적분을 해 주면 바로 부재력을 얻을 수 있다. 물론

모든 모델에 대해서 적용할 수 없지만, 두께가 비교적 얇은 판재에

대해서는 적용이 가능하다.

<그림 2>는 Solid 요소에서 부재력을 추출하는 과정을 나타낸 것이다.

ANSYS APDL을 이용한 2D 솔리드 요소의 부재

력 출력 방법

■ 이현용 과장 | 태성에스엔이, [email protected]

ANSYS에서는 Solid 요소의 경우 부재력을 출력해주는 기능을 기본적으론 가지고 있지 않다. 하지만, APDL을

이용한 추가적인 결과처리를 통해서 Solid 요소의 부재력을 출력할 수 있다.

▲ SHELL181 Element Output Definitions

▲ SHELL181 Item and Sequence Numbers

그림 1. ANSYS Help의 요소 라이브러리(SHELL181)

Tips & Tricks

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Tips & Tricks


<그림 2>는 축하중과 굽힘 모멘트를 동시에 받는 부재에서 임의의

한 지점에서 축 하중에 의한 응력과 굽힘 하중에 의한 응력을 분리

하는 과정을 표현한 것이다. 이렇게 분리된 응력을 부재의 두께에

대해서 적분을 하면 부재력을 산출할 수 있다.

테스트용 해석 모델

<그림 3>의 모델을 통해서 3D Shell 요소를 사용한 경우와 2D

Solid Axisymmetric 요소를 사용한 경우의 부재력 결과를 비교해

보았다.

이 현상을 해석하기 위해 3D Shell의 경우 1/4 대칭 모델을, 2D

Solid의 경우 Axisymmetric 모델을 생성하였다.

해석 모델의 경계조건

각각의 대칭조건을 만족하는 구속조건을 적용하였으며, 하중은 물

의 정수압 조건을 적용하였다.

부재력 추출

용기의 가장 아래의 중심으로부터 용기의 가장 상단 사이에 임의

의 경로를 설정하고, Hoop 방향의 축력, 굽힘 모멘트와 자오선방향

의 축력, 굽힘 모멘트 그리고 전단력을 추출하여 각 모델의 결과를

비교해 보았다.

경로 생성시 3D Shell 모델의 경우 <그림 7>과 같이 하나의 경로

를 통해서 원하는 간격으로 결과를 추출할 수 있지만, 2D Solid 모

델의 경우 원하는 간격으로 다수의 경로를 설정하여 결과를 추출해

야 하는 차이가 있다.

그림 2. Solid 요소의 부재력 추출 방법

0

축 응력 ＋ 굽힘 응력

축 응력 굽힘 응력

0 0

M

F

Water R 10.0m

T 0.3m

H 10.0m

그림 3. 테스트용 해석 모델 개요

그림 4. 해석 모델(왼쪽 : 3D Shell, 오른쪽 : 2D Solid)

그림 5. 경계 조건(3D Shell 모델)

대칭경계면 대칭 구속

접속 방향 구속

정수압

그림 6. 경계 조건(2D Solid Axisymmetric 모델)

대칭경계면 대칭 구속

접속 방향 구속

정수압

그림 7. 부재력 추출(3D Shell 모델)

PATH하나의 경로를 설정하고, Element

Table을 통해 부재력을 정의하여

경로에 결과를 Mapping시킨다.

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Tips & Tricks


3D Shell 모델의 경우 하나의 경로에 Mapping한 결과를 List 출

력이나 경로의 값을 바로 Table로 저장하여 텍스트나 그래프로 결과

를 출력할 수 있고, 2D Solid 모델의 경우 각 경로에서 얻은 응력을

추가 연산을 통해서 부재력을 얻어내고 그 값들을 하나의 Table로

정리하면 3D Shell의 경우와 마찬가지로 텍스트와 그래프로 결과를

출력할 수 있게 된다.

결과

각 모델에 대해서 Hoop 방향의 축력, 굽힘 모멘트와 자오선 방향

의 축력, 굽힘 모멘트 그리고 전단력을 출력하여 비교해 보았으며,

<그림 9~11>과 같다.

결론

ANSYS를 이용하여 Solid 요소의 부재력을 출력하고, Shell 요소

와 결과를 비교해 보았다.

결과 Shell을 이용한 1/4 대칭 모델의 경우 경계조건과 모델의 특

성상 용기하단의 부재력이 급하게 변하는 특이해가 발생하는 것을

제외하면 전체적으로 결과의 경향이 비슷하게 나오는 것을 확인할

수 있다.

이를 잘 이용하면 전체적인 치수에 비해서 두께가 얇은 부재의

경우 Solid 요소를 이용하더라도 원하는 위치에서 부재력을 출력할

수 있을 것으로 판단된다.

그림 8. 부재력 추출(2D Solid Axisymmetric 모델)

원하는 간격으로 두께 방향으로 경로를 설정하

고, 각 경로에서 응력을 추출하여, 연산과정을

통해서 부재력을 얻어낸다.

그림 9. Hoop 방향의 축력과 굽힘 모멘트 비교

본 해석에 사용된 ANSYS APDL 입력 파일은 태성에스엔이 홈페이지 자

료실에 업로드될 예정이다.

홈페이지 주소 : http://www.tsne.co.kr

그림 10. 자오선 방향의 축력과 굽힘 모멘트 비교

그림 11. 전단력 결과 비교

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쉬어가기

오카리나와의 만남

우연한 기회에 아름다운 악기 소리를 듣게 되었다. 그 당시에는

흔히 말하는 피리로 생각했으나 뭔가 독특한 느낌의 소리가 듣기 좋

았다. 하지만 인터넷이 널리 보급되기 전이기에 그 악기와 음악에

대한 자세한 자료를 찾기가 쉽지 않았다. 그렇게 머리 속 한가운데

강한 여운을 남겼던 음악과 악기는 시간이 흘러 인터넷이 활성화되

면서 음악은 소지로의‘대황하’라는 사실과 사용된 악기 이름이 오

카리나라는 것을 뒤늦게 알게 되었다.

오카리나는 흙으로 만든 악기로써‘작은 거위’를 뜻한다. 실제 형

상이 새를 닮은 형상이기도 하다. 오카리나를 조사하면 할 수록 연주해 보고 싶다는 마음이 강하게 들게 되었다. 연주하고 싶다는 생

각이 너무 강렬한 나머지 시내에 있는 악기사란 악기사를 다 돌아다

녔다. 무려 3일 동안 오카리나를 구입하려고 발품을 팔았지만, 이 악

기는 구입할 수 없었다. 그러나 이리저리 구매를 알아보던 중 인터

넷을 통해 전문적으로 오카리나를 제작하여 판매하는 사이트를 알게

되었다.

꽤 호평을 받던 악기였음에도 가장 큰 단점이 있었다. 선결제 후

제작의 방식으로 오카리나 특성상 단기간에 많은 물량을 만들 수 없

다는 이유로 꽤 오랜 시간을 기다려야 악기를 만나볼 수 있었다. 그

러나 그러한 사실은 생각할 겨를도 없이 오카리나를 연주하겠다는

강한 욕망으로 덜컥 구매를 하고 긴 시간이 지나서야 오카리나를 만

날 수 있었다.(사실 머리 속에서 구매 사실조차 잊을 때쯤, 택배가

도착하였다.)

변질된 취미

첫 만남과 동시에 한동안 오카리나를 열심히 불었다. 악보도 출력

하여 정리하고 그 중 마음에 드는 노래를 열심히 연습하였다. 그러

나 그저‘삐익 삐익’소리가 날 뿐 나에게는 음악적 소질은 없었다.

그럼에도 그 악기가 좋았기 때문에 문득 만들어 보자는 생각을 하게

되었고, 그렇게 취미는 변질되어 갔다.

그러나 제작과 관련한 자료가 많지는 않았다. 그럼에도 만들어 보

고자 하는 의욕이 강했기에 제작에 필요한 도구와 재료를 사기로 마

음먹었다. 도자기 재료를 취급하는 한 업체를 아무것도 모르고 무작

정 2시간 걸려 찾아갔다. 흙은 10kg 단위로 판매하고 있었다. 쓸데없

는 욕심으로 10kg 3덩이를 구매하였다. 사장님께서는 차 트렁크까지

들어주시겠다고 하셨으나, 나는 가방 하나 덜렁 매고 전철을 타고

갔기에 그럴 수는 없었다. 맨몸으로 온 사실을 알게 된 사장님께서

는 2덩이는 환불해 주고 1덩이만 팔겠다고 고집하셨고, 결과적으로

한여름 땡볕에서 10kg의 흙을 짊어지고 돌아가는 길에 뒤늦게 사장

님의 마음 씀씀이가 너무나 고마웠다. 또한 우리나라에는 택배라는

훌륭한 시스템이 있다는 사실을 배웠다.

내가 처음 구입했던 흙의 명칭은 ‘청자토’였다. 청자토의 포장을

벗기고 본격적으로 오카리나를 만들기 시작하였다. 하지만 이 찐득

거리고 물렁거리는 존재는 다루기가 쉽지 않았다. 내가 원하는 대로

그림 1. 내가 바란 오카리나와 내가 만든 오카리나

나의 옛 취미에 대한 이야기

바람의 소리

■ 한상석 대리 | 태성에스엔이, [email protected]

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쉬어가기

만들어지지 않고 변형되고 찌그러지는 흙이 짜증났다. 그러다 오기

가 발동하였다. 그러나 엄청나게 많이 만들고 부수고를 반복해도 제

작 실력은 전혀 늘지가 않았다. 전문 제작자들은 악기를 만들고 소

리가 마음에 들지 않아 부순다고 한다면, 나는 그냥 부수기만 했다.

꽤 많은 양임에도 청자토 10kg을 단기간에 다 사용하였다.

내가 만든 오카리나는 기본적으로 소리가 나지 않을뿐더러 형태

또한 엉망이었다. 어수룩한 목수가 연장 탓을 한다고, 나 역시 제작

도구를 탓하며 제작 도구를 제작하는데 좀 더 신경을 썼다.

훌륭한 제작 도구 탓인지 꾸준하게 연습한 결과인지 모르겠으나

산청토, 분청토, 백자토, 청자토, 웅기토, 산백토 등의 흙을 거치며

아주 조금씩 발전해 나갔다. 다양한 흙으로 연습하며 느낀 점은 종

류와 관계 없이 찐득하고 물컹거리는 짜증나는 흙일 뿐이라는 것이

다. 여전히 만드는 과정은 어려웠다.

연주뿐만 아니라 제작 역시 소질은 없었다. 하지만 재미가 있었기

에 꾸준하게 만들기와 부수기를 반복하였다. 발전은 더디지만 조금

씩 나아가고 있었다. 어느 순간 그냥 무턱대고 만드는데 그치지 않

고, 악기로써 오카리나를 만들고 싶은 욕심이 들었고 조율기를 구입

하기로 마음 먹었다. 예전 오카리나를 구입하기 위해 또 제작 재료

를 구하기 위해 무작정 집을 나섰던 것처럼 낙원상가를 향했다. 하

지만 이것이 오카리나 제작 취미를 한동안 버리게 되는 계기가 될

줄은 그 때는 생각하지 못했다.

그림 2. 버려지는 오카리나

그림 3. 흙을 가르고 파고 구멍 뚫기 위한 도구들

그림 4. 소리의 원리-바람길

그림 5. 다양한 흙으로 만든 오카리나

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낙원상가의 한 악기점을 들렸다. 다양한 조율기가 진열되어 있었

고 그 중 금액도 적당하고 디자인도 괜찮아 보이는 하나를 골라 구

매하였다. 떨리는 마음으로 집으로 돌아온 나는 본격적으로 매뉴얼

을 살피며 악기 조율을 시작하려 했다.

그러나 무엇인가 이상했다. 기본적으로 ‘도, 레, 미, 파, 솔, 라,

시’7음계로 C, D, E, F, G, A, B로 표현되어야 할 것 같은데 E, A,

D, G, B, E로 표시되어 있었다. 사실 사용방법을 전혀 모르니 그런

가보다 하고 설명서와 인터넷을 참고하기 시작했다. 그러나 하필 내

가 고른 물건이 기타 전용 튜너였던 것이다. 차라리 기본적인 튜너

로 기타를 조율할 수는 있어도 그 반대는 쉽지가 않다는 것을 경험

을 통해 알게 되었다.

왠지 모를 허무함으로 그렇게 나의 오카리나 만들기에 대한 취미

생활은 끝나가고 있었다. 물론 덕분에 오랜 기간 먼지로 쌓여있던

기타가 빛을 보게 되었고 한동안 들려오던‘삐익 삐익’소리는‘팅

팅’소리로 바뀌게 되었다. 그러나 신께서는 나에게 음악적 재능을

전혀 주시지 않았기 때문에 기타 연주 또한 혼자만 만족하는 연주가

되곤 했다.

제 2의 도전과 결말

그렇게 오랫동안 오카리나에 대해 잊고 지냈다. 그 사이에 여러

사람들이 오카리나 제작에 많은 노력을 기울였고, 몇몇 전문 제작자

는 자신의 노하우를 아낌없이 전달해 주기도 하였다. 아직까지도 진

정한 프로라는 생각을 지울 수 없다. 그 중 몇몇 제작자 분들로부터

제작과 관련한 도움이 되는 좋은 이야기들을 직접적으로 듣거나 웹

을 통해 전수를 받았다. 다만 아쉬운 점이라면, 좋은 이야기들을 이

해하기에는 내가 너무나 부족하다는 점이었다. 어찌되었던 다양한

정보들을 접하게 되자 또다시 오카리나를 제작해 보자는 마음이 솟

아나게 되었고, 다시 흙을 만지게 되었다.

조금 더 체계적으로 만들기 시작하였다. 동일한 형태의 오카리나

를 만들어 테스트하기 위해 석고로 틀을 만들었다. 어느 정도 손에

익자 일정한 방식으로 제법 균일한 오카리나를 만들 수 있었다. 하

지만 최종 관문인 조율 문제가 남았으나, 지난번 튜너에 대한 좋지않은 기억으로 조율 부분은 천천히 생각하기로 하였다. 그냥 상대적

절대음감인 나의 귀를 믿고 조율하였다. 물론 내가 조율한 오카리나

는 특정 곡을 연주하게 되면 처음 듣는 사람에게는 많이 들어봄 직

하지만 뭔가 오묘하게 다른 리메이크 곡으로 들리곤 했다.

그러나 이러한 열정도 오래 가진 못했다. 대학원 입학과 취업을

거치며 흙을 만질 시간이 없어지게 된 것이다. 사실 오카리나 조율

에 적합한 튜너도 나중에 구입하였지만 제대로 사용해 본 적은 없

다. 그러나 다시 흙을 만지는 일은 없을 것 같다. 꽤 오랜 시간 즐거

웠던 혼자만의 취미였고 이만하면 되었다고 생각한다.그림 6. 비슷하다고 같은 것은 아니었다.(친구들과 소풍 나가서 고기를 구워 먹으려 했으나 휴

대용 버너가 아닌 비슷하게 생긴 드릴 공구 가방을 들고 왔다는 사진-인터넷 펌)

그림 7. 틀을 이용한 제작

그림 8. 제작 결과물

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Tutorial

Introduction

ACP(ANSYS Composite PrepPost)는 적층형 복합재료 해석에

필요한 다양한 기능들을 제공하는 프로그램으로 재질, 적층 두께, 적

층 패턴 등을 쉽게 정의할 수 있다. 기본적으로 Shell 요소를 사용하

여 복합재료 구조물을 정의하는데, 최근에는 Shell 요소를 기반으로

Solid 복합재료 요소의 생성 및 정의가 가능해졌다. 또한 ACP R14.5

에서는 Workbench 환경에서 복합재료 구조물과 일반 재료 구조물

을 복합적으로 함께 해석하는 것이 가능하다.

이번 호에서는 예제를 통해 ACP(ANSYS Composite PrepPost)

R14.5에서 적층형 Solid 복합재료의 구조해석을 수행해보자.

Analysis Model

<그림 1>에는 본 예제에서 사용할 구조물이 나타나 있다. 모델은

크게 3개의 파트로 구성되어 있으며 그 중 2개의 파트가 복합재료

구조물이다.

복합재료 구조물의 경우 그림과 같이 이방성의 재료가 각기 다른

각도로 적층된다. Cylinder는 [45°/0°/-45°/Core/-45°/0°/45°]로

적층되며, Cap2는 [-45°/0°/45°/90°/-45°/0°/45°]로 적층된다. 여

기서 Cylinder의 Core 층의 경우에는 Cylinder의 길이 방향에 따라

두께가 다르게 적용된다.

복합재료 해석을 위해서는 기본적으로 Surface 모델을 사용하여

Shell 요소를 생성해야 한다. Solid 요소를 사용하여 복합재료 구조

물을 해석을 하는 것 또한 기본이 Shell 요소에서 Solid 요소로 변환

하여 해석되기 때문에, 복합재료 구조물의 적층 방향과 두께를 고려

하여 Surface 모델을 생성해야 한다.

<그림 2~3>에는 해석을 위한 구조물이 나타나 있다. 본 예제에

사용된 모델은 본사 홈페이지 www.tsne.co.kr의 자료실 →

ANSYS/CAE → Workbench TIP에서 받을 수 있다. Solid Core 모

델은 Cylinder 중간에 적층되는 Core의 형상을 나타낸 것이다.

ACP(ANSYS Composite PrepPost) R14.5

를 이용한 Solid 복합재료 구조 해석 실전예제Ⅰ이번 호에서는 예제를 통해 복합재료의 해석 수행 방법들을 알아보고 이번에 업데이트된 복합재료 구조물과 일반 재

료 구조물을 하나의 시스템에서 함께 해석하는 방법에 대해서 알아보고자 한다. 본 기사는 실전예제 Ⅰ과 실전예제

Ⅱ의 두 편으로 나누어 설명할 예정이다.

■ 박지혜 | 태성에스엔이, [email protected]

그림 1. 해석 모델

(a) Cylinder

(b) Cap 2

그림 2. Surface 모델 형상 정보

(a) Core

(b) Cap 1

그림 3. Solid 모델 형상 정보

Tutorial

7/21/2019 ANZINE_2013_01_vol_25.pdf


Tutorial


Analysis Process

Process 1 : 모델, 물성 정의 및 Shell 요소 생성

다음에 Solid 복합재 모델링 및 해석을 수행하기 위한 절차가 나타

나 있다.

1 ANSYS Workbench를 실행한다.

2 <그림 4>와 같이 Workbench Project 창의 Toolbox에서

Geometry 시스템을 2개 추가한다.

3 기본 단위를 mm

로 설정하고 첫 번째

시 스 템 에 는

‘Su r face’ 모델

(Cylinder, Cap2),

두 번째 시스템에는

‘Solid Core’모델을

각각 생성한다.(모델

생성에 사용되는 단위를 기준으로 ACP의 단위가 적용된다.)

모델들은 모두 Design Modeler의 XY 평면에 스케치를 작성하여

Revolve 조건으로 Y 축 회전한 형상들이다. Cylinder는 형상을 반으

로 잘라 Design Modeler의 Form New Part 기능을 적용하여 하나의 파트로 만들었다.)

4 Toolbox에서 ACP(Pre) 시

스템을 추가하여 <그림 5>와 같

이 Surface 모델은 Geometry

항목, Solid Core 모델은

Setup 항목에 각각 연결한

다.(ACP의 경우 별도의 라이선

스가 있어야 이용이 가능하다.)

5 해석에 사용할 물성을 정의하기 위해 ACP(Pre) 시스템의

Engineering Data 항목에 들어간다.

6 <그림 6>과 같이 먼저 책 모양의 Engineering Data Sources 아

이콘을 활성화하여 Composite Materials Data Source 항목을 선택

한다.

7 Composite Materials Data Source 항목의 List에서 Epoxy_

Carbon_UD_230GPa_Prepreg, Honeycomb을 추가한다.

(Engineering Data 항목의 Composite Materials은 ACP를 설치하

면 제공되는 물성 Data이다.)

8 Workbench Project 창으로 돌아와 ACP(Pre) 시스템의 Model

항목을 실행하여 Mechanical 창을 활성화한다.

9 <그림 7>과 같이

Outline Tree에서

Surface Body들의

두께와 물성을 임의

로 두께 10mm, 물

성 Honeycomb으

로 지정한다.(해석을

위해 Surface Body

에 임의로 두께 값과물성이 지정되어야

하며, 여기서 정의한 두께 및 물성은 실제 해석에 적용되지 않는다.)

10 Mesh 항목에서

전체 모델에 Mapped

Face Meshing 조건

과 Mesh Size를

15mm로 지정하여

격자를 생성한다.

(ACP(Pre)에서 복합

재료 Solid 요소를

정의하려면 Shell 요

소의 크기 및 형상

이 매우 중요하다.) 생성한 Shell 요소에 재료의 적층 정보를

ACP(Pre)에서 입혀주게 되는데, 이 때 각각의 위치 및 Body 별로

적층 정보가 다르게 들어가야 할 때가 있다. 이를 위해 Mechanical

창에서 Named Selection을 활용한다.

11 <그림 9>와 같이 Named Selection을 지정한다. Cylinder의 원통

면을 Core로 지정하고 각각 Cylinder의 열린 부분 위쪽 line을

그림 4. Geometry 시스템 추가

그림 5. ACP(Pre) 시스템과 Geometry 시스템

연결

그림 6. Composite Materials Property

그림 7. Surface Body의 임의의 두께 및 물성 정의

그림 8. Shell 요소 생성

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Tutorial

Line1, 아래쪽을 Line2로 지정한다. Cylinder와 Cap2도 지정한다.

12 Mechanical 창을 닫는다.

Process 2 : ACP(Pre)를 사용한 적층 정보 정의

앞에서 정의한

Shell 요소를 기

반으로 ACP(Pre)

에서 복합재료를

정의한다.

1 ACP(Pre) 시스템의 Setup 항목을 실행한다.

2 하나하나의 Ply를 정의해주기 위해 Tree에서 <그림 11>과 같이

Tree에 Material Data 항목의 Fabrics 위에서 마우스 오른쪽 클릭하

여 Create Fabric…을 선택한다.

3 새로운 창이 활성화되면 Name을 Fabric.UD, Material을

Epoxy_Carbon_UD_230GPa_Prepreg, Thickness를 2로 설정하고

‘OK’를 클릭한다.(모델을 생성할 때 사용된 기본 단위인 mm가 적용

된다.)

4 동일한 방법으로 Name을

Fabric.Honeycomb, Material을

Honeycomb, Thickness를 10으

로 입력하여 Fabric을 생성한다.

5 정의한 Fabric을 사

용하여 Stackup을 정의

하기 위해 <그림 13>과

같이 Tree에 Material

Data 항목의 Stackup

위에서 마우스 오른쪽 클

릭하여 Create Stackup…

을 선택한다.

6 Stackup을 생성하면 새로운 창이 활성화되면서 <그림 14>와 같이

적층되는 Fabric과 적층 각도를 정의할 수 있다. Stackup을 설정하

면 Shell 요소에 미리 적층한 플라이들을 한번에 적용하는데 사용할수 있다.

7 순서대로 Fabric.UD를 [-45/0/45]를 기입한 후에 Analysis 탭으

로 넘어가서 적층 순서와 각도, 두께 등의 여러 정보를 확인한다.

Process 3 : ACP(Pre)를 사용한 적층 방향 정의

복합재료를 구조물에 적용하기 위해서는 재료가 적층되는 방향 및

기준 각도 방향(0°방향)을 정의하는 것이 굉장히 중요하다.

1 먼저 정의한 Fabric과 Stackup을 Shell 요소에 적용하기 위해서

요소의 0°방향을 정의한다. <그림 16>과 같이 Tree의 Rosettes 항목

그림 9. Named Selection 지정

그림 10. ACP(Pre) 실행 창

그림 11. Fabric 생성

그림 12. Fabric 정의

그림 13. Stackup 생성

그림 14. Stackup 정의 그림 15. Stackup 정보 확인

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Tutorial


위에서 마우스 오른쪽을 클릭하여 창을 활성화한다.

2 <그림 1>에서처럼 구조물의 0°방향은 원통의 반경방향이다. 이를

적용하기 위해 <그림 16>과 같이 Type을 Cylindrical로 설정한 후, 원

통의 반경 방향인 X와 Z 방향으로 Direction 1, 2를 정의한

다.(Direction 1에는 (1, 0, 0), Direction 2에는 (0, 0, 1)을 입력한다.)

3 원하는 요소에 적층 방향과 0°방향을 설정하기 위해 <그림 17>과

같이 Oriented Element Set을 생성한다.

4 Oriented Element Set.1은 Element Set으로 지정되어 있는 항목

들 중에 Core를 선택하고 Orientations Direction에 (1, 0, 0)을 기입

한 후 Rosette에는 앞에서 생성한 Rosette.1을 선택한다.

5 <그림 19>와 같이 Toolbar의 아이콘들로 간단하게 요소에 설정된

적층 방향과 0°방향을 확인할 수 있다.(Orientations Direction을 설

정할 때, 중심 Orientation Point가 어디에 있는지에 따라 방향이 달

라지기 때문에 꼭 적용된 적층 방향을 세심하게 확인해줘야 한다.)

6 계속해서 Oriented Element Set.2를 생성하고 Element Set으로

Cylinder, Orientations Direction에 (1, 0, 0), Rosette에는 Rosette.1을 선택한다.

7 Oriented Element Set.3을 생성하고 Element Set으로 Cylinder,

Orientations Direction에 (-1, 0, 0), Rosette에는 Rosette.1을 선택

한다.

8 Oriented Element Set.4를 생성하고 Element Set으로 Cap2,

Orientations Direction에 (1, 0, 0), Rosette에는 Rosette.1을 선택한다.

Process 4 : ACP(Pre)에서 Shell 요소에 Ply 적용

이제 각각의 요소에 Ply를 적용하여 적층해 보도록 한다. 본 예제

에서는 Cylinder와 Cap2 두 구조물을 적층하여 Solid 요소로 해석

을 수행하려 한다. 이를 위해 먼저 Ply Group을 2개를 생성하여 각

각의 Ply를 적층한 뒤에 Solid 요소로 변환한다.

그림 16. 구조물의 0°방향 정의를 위한 Rosette 생성

그림 17. Oriented Element

Set 생성

그림 18. Oriented Element

Set 정의

그림 19. 요소의 적층 방향과 0°방향 확인

그림 20. Ply Group 및 Ply 생성

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1 <그림 20>과 같이 Create Ply Group…을 선택하면 작은 창이 활

성화되면서 Name을 지정할 수 있다. OK를 클릭하고 한번 더 동일한

Ply Group을 생성한다.

2 Core 층의 위아래로 UD를 적층하기 위해 Core 층을 먼저 정의

하도록 한다. 생성한 Ply Group.1에서 Create Ply…를 선택한다.

3 Name이‘ModelingPly.1’로 지정된 창이 활성화된다. 이 창에서

Oriented Element Sets에 ‘Oriented Element Set.1’을 선택하고

Ply Material에‘Fabric.Honeycomb’을 선택한다.

4 Thickness 탭으로 넘어가서 Type을 From Geometry을 선택하

고 Core Geometry에 ‘Geom.stp’를 지정한 뒤에 OK를 클릭한다.

(ACP(Pre)의 Setup 항목에 연결된 Solid Core 모델이 Geom.stp로

읽혀진다.)

5 Ply Group.1에서 ‘ModelingPly.2’를 생성하고 활성화된 창에서


Ply Material에‘Stackup.UD’를 선택한다.

6 Ply Group.1에서 ModelingPly.3를 생성하고 활성화된 창에서



7 이제 Cap2를 정의하기 위해 Ply Group.2에서 다시 Ply를 생성한

다. Ply Group.2에 ‘ModelingPly.4’를 생성하고 활성화된 창에서

Oriented Element Sets에 ‘Oriented Element Set.4’를 선택, Ply

Material에‘Stackup.UD’를 선택한다.

8 Ply Group.2에서‘ModelingPly.5’를 생성하고 활성화된 창에서

Oriented Element Sets에‘Oriented Element Set.4’를 선택한다. 여

기서 다른 점은 Cap2의 가운데에 Fabric.UD가 90°로 적층되므로 Ply

Material에‘Fabric.UD’를 선택하고 Ply Angle에‘90’을 기입한다.

9 Ply Group.2에서‘ModelingPly.6’을 생성하고 활성화된 창에서

Oriented Element Sets에 ‘Oriented Element Set.4’를 선택하고


Process 5 : ACP(Pre)에서 Solid 요소 생성

적층 복합재료 정의가 끝난 Shell 요소를 Solid 요소로 변경해보자.

1 Solid 요소를 생성하기 위해 Tree에 Solid Models 항목 위에서

<그림 22>와 같이 마우스 오른쪽 클릭하여 Create Solid Model…을

선택한다.

2 Solid Model Properties 창이 활성화되면 Element Sets에‘All_

Elements’를 선택하여 추가한 뒤에‘OK’를 클릭한다.

3 Solid 요소를 생성하는 방법은 다양한 옵션들이 존재한다. 관련

옵션에 대한 설명은 지난 호인 Vol.24에 ‘ACP(ANSYS Composite

PrepPost)를 이용한 Solid 요소의 복합재료 모델링 기법’을 참고하

길 바란다.

Conclusion

여기까지 ACP(Pre)를 사용하여 적층형 복합재료 구조물을 정의해

보았다. 만약 Solid Model을 정의하지 않는다면 Shell 요소를 사용

하여 구조 해석을 수행해야 하고 일반 재료 구조물(Cap1과 같은)을

함께 해석하기 어렵다. 다음 호에서는 Solid 요소를 좀더 세밀하게

컨트롤해 보고 해석 수행 및 해석 결과 확인까지 살펴보도록 하겠다.

그림 21. Core Ply 정의 그림 22. Solid 요소 생성

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Tutorial

해석개요

본 해석은 <그림 1>과 같이 Coil과 Stock 모델에 대한 Eddy

Current(와전류) 해석을 수행하기 위해 ANSYS Maxwell을 이용한

다. 그리고 그 결과로써 Ohmic-loss[W]를 확인하고 Fluent의 EM

Mapping을 통한 EM Source 확인 및 적용을 통해 Fluent 열유동

해석을 수행한다. 해석이 완료되면 그 결과로서 Stock 온도를 측정

한다.

해석모델

<그림 2>와 같이 ANSYS DesignModeler를 이용하여 Coil 및

Stock에 대한 치수를 적용하여 모델링한다.

Maxwell 해석과정

Solution Type

<그림 3>과 같이 Maxwell에서 Eddy Current 설정을 위해

Maxwell 3D → Solution Type → Eddy Current로 설정한다.

Unit 설정

<그림 4>와 같이 단위계 설정은 Modeler → Unit에서 mm로 설정한다.

Material 설정

<그림 5-a>와 같이 Materials Toolbar에서 ‘Select…’를 클릭한

다. <그림 5-b>와 같이 Select Definition 창이 나타나면 Search by

Name에서 aluminum을 검색하여 찾은 후 선택한다.

ANSYS Maxwell-Fluent 1-Way 연성해석

이번 호에서는 Maxwell을 이용하여 Eddy Current 계산을 하고 Fluent EM Mapping을 통하여 열유동해석을 수행

하는 1-Way 연성해석에 대한 방법을 소개하고자 한다.

■ 남상현 대리 | 디엔디이, [email protected]

그림 1. Coil 및 Stock 모델

그림 2. 모델 치수

그림 3. Eddy Current 설정

그림 4. 단위 설정

(a) Materials Toolbar

그림 5. Material 설정

(b) Selection Definition

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Coordinate System

Coil의 중심으로 Coordinate를 이동하기 위해서는 메뉴에서

Modeler → Coordinate System → Create → Relative CS →

Offset을 선택한다. 좌표는 X : 200, Y : 100, Z : 0으로 입력한다.

Excitations

History Tree에서 Coil을 선택하고 메뉴에서 Modeler → Surface

→ Section을 선택한다. 그리고 <그림 6>과 같이 XZ 평면에 대한 설

정을 한다.

다음 Tree에서 Coil_Section1을 선택하고 이름을 Coil_Terminal로

바꾼다. Section을 분리하기 위해 Modeler → Boolean →

Separate Bodies를 선택한다. 그리고 생성된 Coil_Terminal_

Seperate1을 Delete한다.

마지막으로 <그림 7>과 같이 Coil_Terminal에 전류를 흐르기 위한

설정으로 Maxwell 3D → Excitations → Assign → Current를 선택

하고 <표 1>과 같이 입력한다.

Define Region

Maxwell 3D는 해석공간 정의가 필요하므로 Region을 설정한다.

Draw → Region을 선택하고 History를 <그림 8>과 같이 설정한다.

Dummy Object

Dummy는 관심 영역에 격자 품질을 높이기 위해 사용하며, 먼저

좌표설정을 위해 Modeler → Coordinate System → Set Working

CS에서 Global을 선택한다. 다음 Draw → Box를 선택하고 좌표 입

력창에 X : -3, Y : 68, Z : 30을 입력한다. 그리고 반대 좌표는 X :

297, Y : 76, Z : 38을 입력한다.

Eddy Effect

Eddy Effect를 설정하기 위해 Maxwell 3D → Excitations → Set

Eddy Effect를 선택하고 <그림 9>와 같이 설정한다.

Mesh Operations

Dummy의 길이 방향 기준으로 격자를 구성하기 위한 방법으로는

Maxwell 3D → Mesh Operations → Assign → Inside Selection

→ Length Based를 선택하고 <그림 10>과 같이 Coil 및 Stock에 대

한 격자구성을 하며, Element 수는 각각 5,000개, 7,500개이다.

Verify Maxwell Settings

Maxwell 3D → Analysis Setup → Add Solution Setup을 선택

하고 <그림 11>과 같이 Name은 Setup1로 정한 다음 나머지를 입력하

면 <그림 12>와 같이 Analysis에 Setup1이 추가된다.

그림 6. Section 설정

그림 7. Section에 대한 Current 설정

Item Description

Name 2,742

Value 0

Phase Standard

Type Positive Y

Current Direction Swap Direction

표 1. Current 설정

(a) Region 설정 (b) Region 영역

그림 8. Define Region 설정

그림 9. Set Eddy Effect

그림 10. Mesh Operations

(a) Coil Element Operations (b) Stock Element Operations

(a) General (b) Convergence

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Tutorial


Verify Maxwell Settings

Maxwell 설정이 끝나면 조건에 대한 점검을 하기 위해 Maxwell

3D → Validation Check를 선택하여 검사를 실시한다. 그리고

Maxwell 3D → Analyze All하여 해석을 수행한다.

완료된 해석결과에 대한 Ohmic Loss 계산은 Maxwell3D →

Fields → Calculator를 선택하고 <그림 13-a>와 같이 Quantity →

Ohmic-Loss, Geometry → Volume → Stock을 설정하고

Integrate를 선택하고 Eval을 클릭하면 <그림 13-b>와 같이

Ohmic-Loss 결과가 도출된다.

Fluent 해석과정

Fluent 설정

Fluent 해석은 Maxwell 결과(Ohmic-Loss)를 이용하여 Heat

Source로 사용하게 되며, Fluent와의 연성해석을 위해 <그림 14-a>

와 같이 연결한다. 그리고 <그림 14-b>와 같이 Fluent Setup을 클릭

하여 Launcher창을 연다.

Energy 설정

<그림 15>와 같이 Fluent 열유동해석을 수행하기 위해서는 Model

메뉴에서 Energy를 체크한다.

Material 설정

<그림 16>과 같이 Material은 air를 사용하며, 각 물성치에 대한 속

성을 나타내고 있다. Coil에 적용할 물성은 Copper를 사용하며,

Fluent Database에서 Copper를 선택하고 Copy한다.

Cell Zone 설정

<그림 17>과 같이 Coil Cell Zone을 선택하고 Material을 Copper

로 바꾼다.

Operating Conditions

<그림 18>과 같이 Operating Conditions에서 Gravity를 체크한 후

(c) Solver

그림 11. Solver 설정

그림 12. Setup 설정 확인

(a) Field Calculator

(b) Ohmic-Loss

그림 13. Ohmic-Loss Calculation

(a) Maxwell-Fluent 연결

(b) Fluent Launcher

그림 14. Fluent 설정

그림 15. Energy 설정

(a) Material

그림 16. Material 설정

(b) Fluent Database

그림 17. Cell Zone 설정

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Tutorial

-9.81을 입력하고 나머지 Operating Temperature는 300K,

Operating Density는 1.225를 입력한다.

Initialization

Fluent 설정이 완료되면 초기조건을 설정한다. Solution →

Solution Initialization → Standard Initialization을 선택하고

Initialize를 클릭하여 초기화한다.

EM Mapping

Fluent에서 Maxwell의 Energy Source는 Fluent의 File → EM

Mapping → Volume Energy Source를 선택하고 Cell Zone은

part-stock을 선택한다.

설정이 완료되면 <그림 19>와 같이 Zone에 대한 Loss를 확인한다.

EM Source 확인

다음은 Stock에 적용된 EM Source를 확인하기 위해 Display →

Graphics and Animations에서 Contour를 클릭하고 <그림 20>과 같

이 설정하면 Stock 표면에 대한 EM Source를 확인 가능하다.

Surface Monitor

해석이 진행되면서 Stock에 대한 온도를 확인하기 위해서는 <그림

21>과 같이 Surface Monitor를 생성한다.

다음은 유동해석을 수행하기 위해 Run Calculation에서

Iteration을 150으로 설정하고 Calculate하여 해석을 수행한다. <그림

22>와 같이 Residual과 Stock 표면 평균온도를 확인할 수 있다.

<그림 23>과 같이 해석이 완료되면 Contour를 이용하여 Stock 표

면온도를 설정하여 확인한다.

맺음말

본 해석은 Maxwell의 Eddy Current를 계산하고 그 결과를

Fluent EM Source로 처리하여 1-Way 연성해석을 수행하였다. 이를

계기로 다양한 Maxwell-Fluent 연성해석이 가능할 것으로 예상되

며, 조금 더 높은 신뢰성과 정확성을 가지는 결과를 얻을 것으로 생

각된다.

그림 18. Operating Conditions

그림 19. Energy Source

그림 20. EM Source 확인

(b) Stock 표면 EM Source

(a) Contour 설정

그림 21. Surface Monitor

(a) Residual 그래프 (b) Stock 평균온도 그래프

그림 22. 해석 그래프

그림 23. Stock 표면 온도분포

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개요

이번에 새롭게 추가된 System Coupling 예제에서는 <그림 1>과 같

이 간단한 열교환기 모델에 대해서 열전달 해석을 진행하고자 한다.

Part 1에서는 Heating Coil에 임의의 열전달 계수(Heat transfer

coefficient) 값을 입력하여 Steady-State Thermal Analysis를 진행하

고, 해석 결과를 Fluent로 전송하여 Fluid Flow Analysis를 진행한다.

Part 2에서는 Part 1에서 계산된 Fluent 해석 결과를 다시 한번

Steady-State Thermal analysis로 전송하여 해석을 진행하게 된다.

Part 1 : Steady-State Thermal Analysis에서 Fluid

Flow Analysis로 데이터 전송

Step 1 : Project 구성

1

현재 OS에 맞는 방법으로 ANSYS Workbench 14.5를 실행시

킨 다음, Working directory를 만들고 Project를 Save한다.(My

documents에 SystemCouplingHeatingCoilTutorial이라는 이름으로

Project를 구성함)

2 예제에 사용될 Geometry file과 Mesh file을 User_files

directory에 옮겨 놓는다.(Input files는 태성에스엔이 홈페이지 자료

실 또는 ANSYS Customer Portal(http://support.ansys.com/

training)에서 Download 가능)

3 Name Selections을 포함한 Geometry를 Import할 수 있도록

Named Selections에서 Filtering Prefixes의 ‘NS’를 제거해 준다.

(Tools → Options → Geometry Import)

4 Units는 Metric(kg, m, s, ℃, A, N, V)으로 변경한다.

Step 2 : Analysis와 Component Systems 구성

Steady-State Thermal System에서 Fluid flow System으로 데이

터가 전송될 수 있도록 Analysis System을 구성한다.

System Coupling을 활용한 2-Way 열전달

해석 예제이번 호에서는 ANSYS R14.5에 새롭게 추가된 예제 중에서 System Coupling Infrastructure를 이용하여 2-Way Coupled

Analysis를 구성하는 방법에 대해 소개하고자 한다.

■ 이광희 대리 | 태성에스엔이, [email protected]

그림 1. Simple heat exchanger model

그림 2. Named Selections 설정 변경

Tutorial

Outflow

Inflow

Solid Heater

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Tutorial


1 Analysis System에서 Steady-State Thermal을 선택하여

Project Schematic으로 Drag한다.

2 그 다음 <그림 3>과 같이 Steady-State Thermal system 우측

에 Fluid Flow(Fluent) System을 동일한 방법으로 구성한다.

3 System Coupling을 이용하여 Steady-State Thermal system

해석 결과를 Fluid Flow(Fluent) System에서 사용할 수 있도록 <그

림 4>와 같이 구성하고, Fluid Flow(Fluent)의 Setup cell(B4)을

System Coupling의 Setup cell(C2)과 Link 설정을 한다.

4 Component System 중 External Data를 Drag하여 Steady-

State Thermal System과 Fluid Flow(Fluent) 사이에 구성시키고

<그림 5>와 같이 External Data의 Setup cell(B2)과 System

Coupling의 Setup cell(D2)을 Link로 설정한다.

5 Project를 Save한다.

Step 3 : Project에서 New Materials 추가

Coil 부분에 적용할 물성치를 새롭게 추가한다.

1 Steady-State Thermal system에서 Engineering Data cell을

double-click한다.

2 <그림 6>과 같이 Outline of Schematic A2 : Engineering

Data에서 맨 아래 빈 공간을 선택한 후 마우스 오른쪽 버튼을 클릭

해서 Engineering Data Sources를 선택한다.

3 Engineering Data Sources의 General Materials를 선택한

후 활성화된 Outline of General Materials에서 Copper Alloy를

Add한다.

4

이상 없이 Copper Alloy를 Contents of Engineering Data에추가하였으면 를 click하여 Project Schematic으로 돌아

온 후 Project를 Save한다.

Step 4 : Mesh 생성

Container body는 Suppress시키고 Coil body에 대해서만 Mesh

를 생성시킨다.

1 Steady-State Thermal system에서 미리 Download한

Geometry(heatingcoil.agdb)를 Import한 후 Model cell로 Refresh

한다.

2 Model cell을 실행시킨 다음, 불필요한 Geometry body

(Container)를 Suppress한다.(Geometry → Part → Container 선

택 후 마우스 오른쪽 버튼 Click, Suppress body 선택)

3 Coil body를 선택한 후 Details of‘Coil’창에서 Material →

Assignment를 Copper Alloy로 변경한다.

4 <그림 7>과 같이 Outline에서 Mesh 선택 후 Coil body에 대한

Sweep Method를 생성시킨다.

그림 6. New Material 추가

그림 3. Steady-State Thermal and Fluent 구성

그림 4. Fluid flow(Fluent)와 System Coupling Link 설정

그림 5. External Data와 System Coupling Link 설정

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Tutorial


5 Mesh를 선택한 후 마우스 오른쪽 버튼 Click 후 Generate

Mesh를 선택한다.

Step 5 : Steady-State Thermal Analysis 설정

Model cell에서 Coil body에 Heat Generation을 입력하고, Coil

Surface에 Film coefficient와 Fluid Solid Interface를 설정한다.(그림 8)

1 Model(A4) → Steady-State Thermal(A5) → Initial

Temperature에서 Initial Temperature Value를 250℃로 변경한다.

2 이어서, Coil body를 선택한 후 Insert → Internal Heat

Generation을 추가하여, Magnitude에 8.72e6 W/㎥를 입력한다.

3 이어서, Insert → Convection을 추가하고, Scoping Method를

Named Selection으로 변경 후 Coilsurface를 선택한다. 그리고

Film Coefficient는 1000W/㎡를 입력하고, Ambient Temperature에

30℃를 입력한다.

4 이어서, Insert → Fluid Solid Interface를 추가하여 Scoping

Method를 Named Selection으로 변경 후 Coilsurface를 선택한다.

5 Model(A4) → Steady-State Thermal(A5) → Solution(A6)에서

Insert → Thermal → Temperature를 추가한다.

6 이어서 Insert → Thermal → Total Heat Flux를 추가한 다음,

Project를 Save한다.

Step 6 : Structural Analysis 실행(Solving)

Solve 버튼을 Click하여 Structural Analysis 해석을 실행한다.

Step 7 : Structural Analysis 해석 결과 확인

해석이 끝나면 Temperature와 Total heat flux 분포를 확인한다.

그림 7. Mesh에 Automatic Method 생성

그림 8. Steady-State Thermal(A5) 설정

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Tutorial


Step 8 : External Data를 사용하여 Steady-State

Thermal Source Data에 접근하기

1 Workbench → View → Files를 선택한 후 fsin_1.axdt File을

찾는다.

2 <그림 11>과 같이 Location을 선택한 후 마우스 오른쪽 버튼

Click, Copy를 선택한다.(자동으로 파일 경로가 복사됨)

3 External Data system의 Setup cell(B2)을 실행시킨 다음, Outline

of Schematic B2 : External Data에서 Location을 선택한다.

4 <그림 12>와 같이 파일 이름에서 ‘Ctrl-V’로 경로를 붙여넣은

다음, fsin_1.axdt File을 선택한다.

5 를 click하여 Project Schematic으로 돌아온 후

Setup cell에서 마우스 오른쪽 버튼 click 후 Update를 선택한다.

Step 9 : Fluid Flow(Fluent) Analysis 설정

user_files에서 HeatingcoilFLUENTMesh.msh file을 Import한 후

Fluid Flow(Fluent) Analysis를 실행하기 위해 Fluent solver를Setup한다.

1 Fluid Flow(Fluent) system의 Mesh cell에서 마우스 오른쪽 버

튼을 Click한 후 Import Mesh File 선택, HeatingcoilFLUENTMesh.

msh file을 선택한다.

2 이어서 Setup cell을 실행시킨 다음, Fluent Launcher에서

Double Precision을 선택한 후 Fluent를 실행시킨다.

3 Solution Setup → Models에서 Energy를 선택한 후, Energy

Equation을 선택한다.

4 이어서 Viscous를 선택한 후, Model에서 k-epsilon(2eqn),

Near-Wall Treatment에서 Scalable Wall Functions을 선택하고

OK를 click한다.

5 Solution Setup → Materials에서 Fluid를 선택한 후 Create/

Edit를 click한다. Fluent Database를 click해서 water-

liquid(h2o<l>)를 선택한 후 Copy click, Create/Edit Materials에서

Change/Edit 버튼을 click해서 새로운 Material을 추가한다.

그림 9. Coil body의 Temperature

그림 10. Coil body의 Total Heat Flux

그림 12. fsin_1.axdt file 선택

그림 11. fsin_1.axdt file Location 경로 복사

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6 Solution Setup → Cell Zone Conditions에서 Part-container

선택, Edit를 click한 후 Material Name을 water-liquid로 변경한다.

7 Solution Setup → Boundary Conditions에서 coilsurface 선택,

Type은 wall로 되어 있는지 확인하고 Edit를 click한다. 그리고 Thermal

탭에서 Thermal Conditions → via System Coupling을 선택한다.

8 이어서 inflow 선택, Type이 velocity-inlet으로 되어 있는지 확

인하고 그렇지 않으면 변경한다. Type을 변경하고 Edit를 click하여

Velocity Magnitude에 0.4 m/s를 입력한다.

9 이어서 outflow 선택, Type이 Pressure-outlet으로 되어 있는

지 확인하고 그렇지 않으면 변경한다. Type을 변경하고 Edit를 click

하여 Gauge Pressure에 0 pa를 입력한다.

10 Solution → Solution Methods에서 Scheme을 Coupled로 변경한다.

11

Monitors → Residuals, Statistic and Force Monitors →

Residuals - Print, Plot을 선택하고 Edit를 click한다. 그리고 energy

equation의 Absolute Criteria를 1e-06에서 1e-05로 변경한다.

12

Solution → Run Calculation에서 Number of Iterations을 200으로 입력하고 Project를 Save한다.

Step 10 : Coupled Thermal Analysis 실행

1 System Coupling system에서 Setup cell(D2)을 실행시키고

Upstream data와 관련된 window Pop-up 창이 나타나면 yes를 선택한다.

2 Outline of Schematic D1:System Coupling에서 System Coupling →

Setup → Participants → External Data → Regions → File1을 선택한다.

3 <그림 13>과 같이 Properties of Region:File1에서 Topology →

Output → File1:Temperature1을 선택하고, 마우스 오른쪽 버튼을

click해서 Create Data Transfer를 선택한다.

4 Outline of Schematic D1:System Coupling에서 (3)번 작업을

통해 새롭게 만들어진 Data Transfer → Data Transfer를 선택하고,

Properties of Data Transfer : Data Transfer를 <그림 14>와 같이

Target 항목을 설정해준다.

5 Project를 Save한 다음, Outline of Schematic D1:System

Coupling에서 System Coupling → Solution을 선택하고 마우스 오

른쪽 버튼 click, Update를 선택해서 Coupled analysis를 시작한다.

6

해석이 끝나면 를 click하여 Project Schematic으로 돌아온다.

Step 11 : Fluid Flow(Fluent) 해석 결과 확인

Coupled Thermal Analysis로 해석이 완료된 Fluent 데이터를 확

인해 본다.

그림 13. Properties of Region : File1 설정

그림 14. Properties of DataTransfer : Data Transfer 설정

그림 15. Advection of Heated Water Out of the Heat Exchanger

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Part 2 : Fluid Flow Analysis에서 Steady-State

Thermal Analysis로 데이터 전송

Step 1 : 결과값 Export하기

1 Fluid Flow(Fluent) system에서 Results cell(C5)을 실행시킨

다.(CFD-Post 실행)

2 File → Export → Export External Data File을 선택하고

Location에서 coilsurface, Select Recommended Variables에서

HTC and Wall Adjacent Temperature를 선택하고 Save한다.

Step 2 : Analysis와 Component System 추가 구성

Part 1의 해석 결과와 Setup을 이용하여 System을 구성한다.

1 Part 1에서 만들어 놓은 Steady-State Thermal system의

Setup cell(A5)를 선택하고 마우스 오른쪽 버튼을 click한 후

Duplicate를 선택한다.

2 이어서, Component Systems에서 새로운 System Coupling을

Drag해서 (1)번에서 만들어 놓은 Steady-State Thermal system 우

측에 만들고 <그림 18>과 같이 Setup을 Link시킨다.

3 이번에는 Component Systems에서 새로운 External Data를

Drag해서 (1)번에서 만들어 놓은 Steady-State Thermal system 좌측

에 만들고 <그림 19>와 같이 System Coupling과 Setup을 Link시킨다.

Step 3 : External Data를 사용하여 Fluid Flow Source

Data에 접근하기

1 Workbench → View → Files를 선택한 후 export.axdt File을

찾는다.

2 <그림 20>과 같이 Location을 선택한 후 마우스 오른쪽 버튼

Click, Copy를 선택한다.(자동으로 파일 경로가 복사됨)

3 External Data system의 Setup cell(E2)을 실행시킨 다음, Outline

of Schematic E2 : External Data에서 Location을 선택한다.

그림 16. Wall Heat Transfer Coefficient on the Coil Surface

그림 17. Wall Adjacent Temperature on the Coil Surface

그림 18. 새로운 System Coupling 추가

그림 19. 새로운 External Data 추가

그림 20. export.axdt file Location 경로 복사

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Tutorial


4 <그림 21>과 같이 파일이름에서 ‘Ctrl-V’로 경로를 붙여넣은

다음, fsin_1.axdt File을 선택한다.

5 를 click하여 Project Schematic으로 돌아온 후

Setup cell에서 마우스 오른쪽 버튼 click 후 Update를 선택한다.

Step 4 : Steady-State Thermal Analysis 설정

1 copy of Steady-State Thermal system의 Setup cell(F5)를

실행시킨다.

2 Steady-State Thermal 2(F5)의 Convection을 선택해서

Delete시킨다.

3 다시 Project Schematic으로 돌아와서 Setup cell(F5)을 선택

하고 마우스 오른쪽 버튼 click 후 Update시킨다.

Step 5 : Coupled Thermal Analysis 실행

1 System Coupling system의 Setup cell(G2)을 실행시키고

Upstream data와 관련된 window Pop-up 창이 나타나면 yes를

선택한다.

2 Outline of Schematic G1 : System Coupling에서‘Ctrl-key’

를 사용하여 Fluid Solid Interface와 File1을 다중 선택한다.

3 이어서, 마우스 오른쪽 버튼을 click한 후 Create Data

Transfer를 선택한다. 그러면 자동으로 Data Transfer, Data

Transfer 2가 생성된다.

4 Project를 Save한다.

5 이어서, Solution을 선택한 다음 Update를 선택해서 Coupled

analysis를 시작한다.

6 해석이 끝나면 를 click하여 Project Schematic으

로 돌아온다.

Step 6 : Steady-State Thermal 해석 결과 확인

해석이 끝나면 Part 1 해석 결과와 Part 2 해석 결과의

Temperature와 Total heat flux 분포 결과를 비교해 본다.

맺음말Part 1에서는 Coil의 열전달 계수를 Constant 값을 입력한 다음

Steady-State Thermal 해석을 실행하였고, 그 해석 결과를

External Data system과 System Coupling system을 이용하여 공

유시켰다. Fluent에서는 공유된 해석결과를 바탕으로 Fluid Flow 해

석을 진행하였다.(1-Way)

그리고 Part 2에서는 Part 1의 Fluent 해석 결과를 External Data

system과 System Coupling system을 이용하여 공유시키고 다시

한 번 Steady-State Thermal 해석을 진행할 수 있었다.(2-Way)

이번 예제를 통해 1-Way data transfer를 이용한 2-Way

coupled analysis를 배울 수 있었으며, 이러한 방법을 이용한다면

좀더 유연한 Workflow 구성이 가능할 것으로 기대된다.

그림 21. export.axdt file 선택

그림 22. Part 1, Part 2 Temperature 결과 비교

그림 23. Part 1, Part 2 Total Heat flux 결과 비교

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[ 태성에스엔이 신간 서적안내 ]

◀ ANSYS 14.0을 기반으로 ANSYS Workbench를 처음 접하는 사용자를 위해 누구나

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[ 태성에스엔이 신설 교육안내 ]▶▶태성에스엔이의 교육 상세일정 확인 및 신청은 홈페이지 www.tsne.co.kr 로그인 후 이용 가능합니다.

유한요소해석 입문과 선형해석(제 7판-개정판)

◀ ANSYS를 활용한 유한 요소법에 대한 이론과 해석 기술 습득을 통해, 강의 및 실무에 쉽게 활용할수 있도록 유한요소 이론과 간략한 예제를 위주로한한 서적이며,

이번 개정판에서는 ANSYS 14.0을 기반으로 전체적으로 수정이 되었습니다.

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현업에 적용하는 기간이 빠르며, 생산 공정을 위한 3차원 설계 도구로 사용할 수 있습니다.

타기종의 CAD 파일을 별도의 변환 없이 수정하여 재사용할 수 있으며, CAE해석자를 위한 최적화된 전처리 3차원

CAD 모델러로 사용 가능합니다. 해석자, 설계자, 연구 개발자 누구나 부담 없이 교육에 참가하실 수 있습니다.

Mechanical APDL 접촉 고급

▶ 일반적인 접촉에 관한 개념(알고리즘, 강성, 침투, Surface 거동 등)과 Advanced Options이 많은 접촉 문제들을

풀기위하여 어떻게 사용되는지를 예제를 통해 배울 수 있습니다.

Mechanical APDL 재료 고급

▶ 본 교육 과정은 advanced plasticity, viscoplasticity/creep, hyperelasticity, 및 viscoplasticity을 포함하며 ANSYS에서

사용할 수 있는 대부분의 재료 모델들을 다룰 것 입니다. 또한 해석 과정에 필요한 적절한 요소 선택 방법, 기하학적 불안정 해결 방안 및 요소의 생성과 삭제에 대한 내용들도 댜룰 예정입니다.

ANSYS ASAS

▶ ANSYS ASAS는 Jacket 같은 해양 구조물의 조인트와 부재를 다양한 코드를 기반으로 체크해주고, 조인트의 피로수명을

예측해주는 프로그램입니다. 본 교육 과정은 해양 구조물의 모델링, 파랑하중의 적용, 구조해석, 코드체크, 조인트의

피로해석 등의 내용을 다룹니다.

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태성에스엔이의 새 얼굴을 소개합니다!

1. 김명민/ 사업4팀/ 과장

2. 가족과 함께 비싼 저녁 식사를 하고 아이들의 교육비로

사용하였습니다. (아이들을 위해 충성을 다하고 있답니다)

3. 걷기입니다. 걸으면 생각이 정리가 되고 새로운 아이디어가

떠오르는 경우가 많습니다.

4. 새로운 아이디어로 창의로운 혁신이 있는 한해가 되었으면 합니다.

1.장 형진/ 대전사무소/사원

2. 부모님께 용돈을 드리고 남은 돈으로 친구들과 술을 마셨습니다.

3. 아주~ 매운 음식과 쏘주한잔이면 스트레스가 확 풀립니다.

4. 언제나 자신감 있고 성실하게 행동하기!!

1. 황선애/ 마케팅팀/ 사원

2. 가족, 친구 등 그동안 도움을 주신 지인분들께 감사의 선물을 사드렸습니다.

3. 출, 퇴근 거리가 왕복 3시간 이상 걸리기에 평일에는 전혀 여유시간이 없어서

주말이면 친구들을 만나 대화도 나누고, 가끔은 훌쩍 여행을 떠나 스트레스를 풀곤 합니다.

4. 어디에서든 꼭! 필요한 사람되기

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1. 장성호/ 사업1팀/ 대리

2. 와이프 통장으로 전액 입금

3. 와이프와 함께 즐기는 영화, 직원들과 함께하는 농구 등 짬짬히 여가 시간 활용

4. 고민하고 행동하고 매순간 최선을 다하자.

1. 권순재/ 사업2팀/ 사원

2. 첫 월급이 많진 않았지만 부모님 용돈과 선물을 사드리고 방값, 생필품 등에 사용했습니다.

3. 지친다고 생각하지 않고 늘 궁금해 하고 생각하면서 일에 대한 흥미를 잃지 않는 것이

중요하다고 생각합니다. 사내 동아리 활동도 하고 수영장도 다니며 운동을 하니 몸도

건강해지고, 스트레스도 해도 되고 일석이조 인 것 같습니다.

4. 능동적이고 진취적으로 성향을 가져 회사에 도움이 되는 인재가 되자!

1. 조은하/ 마케팅팀/ 사원

2. 첫 월급으로 의미있게 가족들 모두에게 선물을 하고, 함께 저녁식사를 하였습니다.

3. 최근에 갖고 싶었던 카메라를 장만하여, 카메라를 핑계 삼아 이곳 저곳 놀러다니기도 하고,

추억도 만들 수 있는 좋은 취미활동이 생긴 것 같습니다.

4. 올 한해는 많은 책을 읽으며 지식을 쌓는 한 해를 만들고 싶습니다.

1. 이광희/ 사업1팀/ 대리

2. 사랑하는 아내와 곧 태어날 2세를 위해 1++ 소고기를 집에서 구워먹었음

3. 배고프면 안되니까 일단 먹기/졸리면 안되니까 일단 잠자기/ 다음날 되면 스트레스 풀려있음 4. 가정에서는 좋은 아빠와 좋은 남편 그리고 좋은 사람이 되는 것/ 담당 업무에 최선을

다하고 Self-study를 통해 한 단계씩 Skill up

1. 이득희/ 사업4팀/ 대리

2. 삶을 이어 나가기 위한... 생활비 ^^;;3. 재충전을 위한 숙면, 친구와의 수다

4. Cetol과 SpaceClaim의 달인이 되어 고객을 서포트 하겠습니다!

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TAESUNG S&E Inc. the Authorized Distributor of Sigmetrix in Korea영업담당 : 태성에스엔이 석진 차장, 02-2117-0029, [email protected]

설계자가 제품 설계에서 기하공차(Geometric Dimensioning and Tolerancing - GD&T)를 정의한다는 것은 제품의 조립성과

기구학적 거동을

충분히

이해해야만

가능합니다

.Sigmetrix사의 기하공차 관리 제품군인 GD&T Advisor는 CAD환경에서 기하공차의 설정과 검토를 쉽게 접근할 수 있는 환경

을 제공합니다.

THE POWER OF CETOL 6 SIGMA TECHNOLOGYAND THE EXPERTISE OF ETI

Creation

CAD환경에서 3D모델에 GD&T를 직접적으

로 정의할 수 있어 효율적입니다.

Validation

GD&T에 대한 정보 분석,가시화,공차 정의

기준을 제시하여 공차 구속의 오류를 방지합니

다.

Education

ASME Y14.5 Standard-based

encyclopedia를 지원합니다.

Utilization

3D CAD와 완벽히 통합된 환경을 제공합니다.

Interactive

GD&T Advisor는 대화식의 Help를 제공합니

다.사용자는 Help를 통해 모델에 적용할

GD&T정의 기준 및 측정 방법을 학습할 수 있습니다.

ETI

GD&T Advisor는 ETI에서 제공하는 GD&T

Encyclopedia를 사용합니다.

http://www.etinews.com/

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발행 : (주)태성에스엔이

기획, 광고문의 : 고경화 대리

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탐험과 발견의 가속화

인텔® 제온® 프로세서E5 제품군 탑재

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