ADINA를 이용한 다물리 적용 해석 사례

박 진 우 에이블맥스㈜ 엔지니어링팀 대리 ㅣe-mail : [email protected]

이 글에서는 다물리 해석에 대한 적용 범위 및 상용 소프트웨어인 ADINA를 이용하여 다양한 분야에서의 해석사례를 소개하여 보다 다양한 분야에서 사용할 수 있도록 하고자 한다.

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다물리해석의 동향

현재 많은 대학교 및 연구단체에서는 한 분야에서 이 루어지는 연구와 연구 결과에 대한 실용성의 한계를 느 끼고 있으며, 이를 극복하기 위해 타 분야와의 협력이 적극적으로 이루어지고 있고 다물리(multiphysic)와 같 은 다 영역 공학실험을 수행하고 있다.

유압체에 의한 구조물의 변형 및 파괴, 구조물의 거 동에 의한 유체 유동의 영향 그리고 특정 온도 범위에 따른 유체와 구조물의 특성변화를 고려한 연성해석의 필요성이 점차 증대하면서 관련 문제에 대한 수치적 해 석 개발이 활발하게 이루어지고 있고 수치적 연성해석 결과에 대한 신뢰도가 이미 여러 연구단체나 산업체로 부터 검증을 받으면서 연성 해석 프로그램이 담당하는 역할의 중요성이 커지고 있다.

하지만 기존의 상용화된 공학용 프로그램은 유체 및 구조 해석을 위해 각각의 다른 해석 방법을 이용해 계 산하므로 각각의 영역에 대한 압력 및 변위에 대한 영 향을 고려할 수 있는 연성해석이 수행되고 있지 않는 실정이다. 그렇다고 해서 기존의 상용 프로그램을 이용 한 연성해석이 전혀 불가능한 것은 아니다. 예를 들면 해석하고자 하는 대상물에서 유체영역과 구조영역을 나눈 후 유체영역에 대한 분석을 전산유체역학(CFD) 해석 프로그램에서 계산한다. 유체모델의 해석을 통해 구조와 경계를 이루는 면에서 유체력이 작용하는 힘 또

는 응력을 구할 수 있는데, 계산된 응력데이터는 구조 에 작용하는 하중으로 설정되어 구조해석을 할 수 있 다. 경계면에서 주어진 응력에 의해 구조물은 변형 또 는 움직임을 나타내고, 변위 값은 구조해석을 통해 얻 어지게 되는 것이다. 이러한 연성해석 방식은 서로 다 른 계산 해를 가지는 두 개의 프로그램을 이용하여 계 산된 데이터를 반복적으로 주고 받아야 하는 어려움이 있으며 이는 상당한 계산시간을 요구하게 된다.

위의 문제를 해결하기 위해 한 프로그램 내에 유한체 적법(FVM)과 유한요소법(FEM)을 함께 사용할 수 있는 프로그램이 개발되었으며, 각 유체와 구조영역에서 해 석한 응력 및 변위 값을 매 해석시간마다 정보를 주고 받을 수 있게 하였다. 이러한 통합형 연성해석 프로그램 은 기존의 연성해석 방법에 비해 전체 해석시간을 획기 적으로 단축시켰다. 상용화된 통합형 연성해석 프로그 램으로는 ADINA가 대표적이며 현재까지도 활발하게 개발되어 제공되고 있는 상용 해석 툴이다. 수치적 연성 해석의 개발과 상용화는 유체와 구조의 상호작용에 대 한 이해와 실제 실험을 통해 얻기 힘들었던 시각적, 물 리적 해석 결과를 확인하는 것을 가능하게 하였다.

다물리해석의 적용 범위

연성해석의 범위는 구조나 유체 해석을 위한 모델링 작업에서 제약을 받지 않는 이상 유체-구조연성해석 영

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역은 제한이 없다고 볼 수 있으며, 유체 슬로싱에 대한 구조와의 연성, 유체유발 진동, 열을 포함한 유체와 구조 와의 열전달 및 열팽창에 대한 상호작용 등 다양한 분야 에서 연성해석 프로그램을 이용한 분석이 가능하다.

○유체-구조 연성해석(Fluid-structure interaction: FSI)

○열-구조 연성해석(Thermo-mechanical coupling: TMC)

○구조-공극압 연성해석(Structural-pore pressure coupling, porous media)

○열-유체-구조 연성해석(Thermal-fluid- structural coupling)

○전기장-구조 연성해석(Electric field- structural coupling, piezoelectric)

○열-전기 연성해석(Thermal-electrical coupling, Joule heating)

○음향 유체-구조 연성해석(Acoustic fluid-structural coupling)

○유체 유동-물질 전달 연성해석(Fluid flow-mass transfer coupling)

○유체 유동-전자기 연성해석(Fluid flow-electro magnetic coupling)

다물리해석의 해석 사례

타이어-압전발전 시스템 해석

압전 물질(Piezoelectric materials)은 기계 적 에너지를 전기에너지로 변환할 수 있는 물질이다. 이러한 특성을 이용하여 타이어 의 운동에너지를 전기에너지로 발전하는 연구가 많이 되고 있다. 차량의 타이어 내부 라이너에 압전 물질을 접착하여 바퀴가 지 면과 닿으면서 변형이 되는 현상을 이용하 여 발전을 할 수 있다. 이러한 압전 장치와 도로와의 상호작용으로 생성되는 에너지는 배터리의 보조전원으로 사용될 수 있다.

이 시뮬레이션에서는 도로와 바퀴와의 변형을 해석 한다. 부착된 압전 장치 및 주변의 유효응력의 변화를 이용하여 전기에너지의 용량을 알 수 있다.

그림 1 ADINA에서 가능한 다물리해석 개략도

그림 2 타이어 내부 압전 소재 유닛

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LTA(light-than-air) 항공기의 FSI 분석

기구 및 비행선 등의 공기보다 가벼운 기 체를 이용한 비행체(LTA)들은 여러 방면에 서 사용되고 있다. 기상관측 등 자연과학 연구에서 널리 사용 중이며 광고용 및 관광 용 열기구로 사용되고 있으며 최근 구글에 서 수천 개의 열기구 풍선을 띄워 사막, 바 다 등 지구 어느 지역에서나 인터넷을 가능 하도록 하겠다는‘프로젝트 룬(Loon)’을 발표하기도 하였다. 이와 같이 다방면에서 사용되고 있는 LTA들의 해석 연구가 필요 하다.

Aerostats 분야는 오래 전부터 관심분야 였으나 힌덴부르크 사고 이후 거의 중단 되 다시피 하였다. 그러나 최근에는 고급재료 (경량 기밀 직물, 복합재료 등)의 발달과 현 대적인 생산 및 안전기술을 바탕으로 여러 회사가 새로운 기구들을 디자인 하기 시작 했다.

기본적 작동 원리는 헬륨 또는 특수한 경 우 밀봉된 수소를 이용하여 부력을 발생시 켜 자유비행을 하거나 프로펠러를 이용한 자신의 동력으로 추진한다. 기존의 주요 관 심 영역은 외부 공기의 흐름과 내부 공기의 상태에 주로 있었으나 시뮬레이션 분야가 발달 됨에 따라 유체영역은 물론 구조물의

정보까지 포함하여 해석을 하게 되었다. 유체-구조 연 성해석(Fluid-structure interaction)을 이용하여 보다 정 확한 조건의 시뮬레이션이 가능하게 되었고 steered adaptive meshing (SAM)기법을 사용하여 메시의 변형 으로 발생되는 오차를 줄일 수 있게 되었다. 이러한 다 양한 해석기법을 이용하여 고가의 프로토 타입의 제작 횟수를 줄이면서 보다 개선된 디자인이 쉽게 가능하게 되었다.

Skylifter사의 중형 항공기와 비슷한 크기(직경 25m) 의 구조체를 모델링 하였으며 구조체의 aerostat부분은 플렉서블 재료로 구성하였고 하부의 가스챔버와 서스 펜션 라인 시스템은 트러스 엘리먼트로 구성하였다. 이 밖의 곤돌라, 엔진 등의 설치물의 형상은 해석 시 영향 이 아주 미세하므로 간략화를 위하여 하나의 질점으로 모델링 하였다. 동적 해석 및 언스테이트 해석으로 진 행을 하였고 총 두 단계의 해석을 진행하였다. 1단계로

그림 4 LTA(Lighter than air) 항공기 개략도 Skylifter, Perth, Australia

그림 5 대기와 LTA의 접촉 모델 & 팽창 후의 응력 분포 그림 3 압전 소재 주위의 스트레스 & 내부 레이어 부분의 전압

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에어크래프트의 팽창 과정을 해석하였다. 팽창하게 되 면서 나타날 수 있는 구조적 해석을 먼저 살펴 보고 이 후에 주위의 공기를 모두 고려한 해석이 필요하다. 2단 계에서는 1단계에서 해석한 결과를 이어 실행하여 지상 에서부터 떠오르는 것을 해석하였고 추진력은 실제의 에어크래프트의 모션을 바탕으로 입력되었다. 모션의 시뮬레이션 외에도 모든 지점에서의 스트레인, 스트레 스, 속도, 가속도, 압력 등 많은 값들을 볼 수 있다.

이 외에도 하드웨어와 소프트웨어의 비약적인 발전 으로 다양한 해석적인 접근이 가능하게 되었다

○배기가스가 방출되면서 유발시키는 자동차 배기 관의 진동현상

○연료레일에서 인젝터가 열리는 순간에 발생되는 수격현상(water hammer effect)에 의해 발생하는 맥동에 의해 소음이 발생하게 되는데, 연료레일의 단면에 따른 맥동저감에 대한 분석을 위해 FSI 해

석방법을 적용

○원자력 발전소에서 사용하고 있는 핵 연료봉 다발 은 고압으로 흐르는 유체에 의해 진동이 발생하게 되며, 이러한 진동은 핵연료봉의 마모를 일으킴으 로써 수명이 단축됨. 유체 속도에 따른 연료봉의 진동현상을 연성해석을 통해 분석.

○사장케이블에서 일어나는 와류 및 웨이크겔로핑 (wake galloping)에 의한 케이블의 진동 현상 규명.

위와 같이 현재 사용 중에 있는 설비나 제품에 대한 문제 발생원인 규명이나 설계보완 등을 해석적으로 접 근이 가능하다. 또한 설계 단계에서의 검증을 통한 설 계 최적화 등이 가능하고 시험의 방향성을 결정하여 시 험횟수의 최소화 등의 시험비용 등을 낮출 수 있다. 나 아가 시험이 불가능한 조건 등을 해석을 통해 검토해 볼 수 있다.

기계용어해설

베어링손상(Bearing Damage)

베어링이란 회전하고 있는 기계의 축(軸)을 일정한 위치 에 고정시키고 축의 자중과 축에 걸리는 하중을 지지하면 서 축을 회전시키는 역할을 하는 기계요소로서 볼베어링 은 축과 베어링의 볼 또는 롤러가 접촉하며 축이 회전하 면 볼 또는 롤러도 같이 회전하기 때문에 마찰저항은 작 게 작용된다. 베어링 손상의 원인은 설치 불량, 윤활 불 량, 이물이나 수분 혼입 및 파손 등이 해당된다.

투과율(Penetration)

필터에 들어오는 입자와 통과하는 입자의 비로 나타낸다.

피닝커버리지(Peening Coverage)

SAE J442 규정에 의한 알멘스트립에 숏피닝 후, 표면에 생성된 압흔들의 밀집정도 (%)

양축등가응력(Equi-biaxial Stress)

통상 숏피닝 후 재료표면에 생성된 압축잔류응력은 양축 등가 형태로 표현되며 이를 의미함

주기반복(Repeated Cycle)

재료표면에 다중충돌되는 숏볼들의 1주기 충돌을 기준으 로 다주기를 갖는 충돌형태

수중로봇(Underwater Robot)

수중로봇은 인간이 안전하게 작업할 수 없거나 도달할 수 없는 수중 지점을 조사하거나 작업하기 위하여 사용되는 로봇으로, 대표적인 수행 작업으로는 해저 자원탐사, 침 몰된 선박의 인양작업, 기름제거작업, 해저케이블 설치, 수중구조물의 수리 등이 있다.

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