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프로그램/ANSYS

【Ansys】 Workbench KOCW 강의 후기

EngHp 2017. 8. 18. 16:43
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2017.07.29에 작성되었던 포스팅을 수정하여 게시합니다.

안녕하세요. ANSYS program을 독학 중인 블로거입니다. 혼자 공부하는 것이라 정보도 많이 부족하고 걸림돌이 많아 공부하기가 참 힘이드는데요. 그래도 여러가지 정보들을 찾아보면서 공부해보고 있습니다. 이번에 KOCW에서 좋은 강의를 듣게되어 이렇게 제 블로그에 수강 후기도 남깁니다. 혹시 혼자 공부하시는 분들이시라면 KOCW에 ansys에 관한 강의가 이것을 포함해서 총 2개가 있으니 참고하셔도 좋을 것 같습니다.



  • 제 목 : 기계공학에서의 ANSYS Workbech의 활용


1강부터 16강까지 있는데, 시간내서 들을만한 강의입니다. 다른 강의평에서도 직장인분께서 들으시고 좋은 평가를 남길 정도라면 알고계신 분들도 좋은 강의인 듯합니다. 저는 혼자 공부하다가 강의를 우연히 찾게되어 듣게 되었는데, 수강하고 나니 왜 이런 강의를 빨리 찾지 못했나하는 생각도 듭니다.

위에 적힌 주소로 들어가시게되면, 해당 강의영상을 보실 수 있고 강의자료도 받을 수 있습니다.

그리고 제가 강의를 들으면서 정리했던 내용도 아래에 공유합니다. 강의를 들으면서 중요하다 싶은 내용들만 적어보려고 했지만, 손으로 필기한 것보다 아무래도 보기가 불편한 감이 없잖아 있는 자료이니 불편하시다면 참고하지 않는걸 추천합니다. 개인이 정리한 내용이므로 다소 부족한 부분이 많겠지만, 잘 사용하신다면 다행입니다. 그리고 꼭 공감♥을 눌러주시면 블로거에게 큰 힘!이 된다는 걸 알아주셨으면 합니다^^



1강 강의소개. 개발 배경, 내용, 엔시스 소개
  • 항공기 해석에서 FEA (유한요소해석) 기술 발전이 시작되었다.

2강 유한요소해석. 역사, 필요성, 기본 개념
  • FEA : Finite Element Method (유한요소해석법) : 미분방정식을 수치적인 근사해법으로 푸는 방법
  • 연속체를 mesh로 잘게 나누면, 이산화(=이산체)라는 것이 된다. mesh는 잘게 쪼갤수록 결과값이 이론값에 근사해진다.
  • 실제공학 설계는 복합(다중) 물리 현상이다. ex)다수의 부품이 결합된 제품, 다양한 재료로 만들어진 제품
  • multiphysics  : 복합(다중) 물리
  • FEA의 필요성 : 신제품 개발 과정에서 good, 초기 설계 과정(안전성, 결함 유무 등), 가상 모델을 이용한 모의 실험 실시
  • 물체 (object) : 해석 대상, 연속체
  • 요소 (elements) : 해석 대상, 이산체  ex)‘면’
  • 절점 (nodes) : 미지수, 풀이 대상  ex) 3개의 elements(=삼각요소), 5개의 nodes
  • 유한요소 솔버 (solver) = ex)Ansys
  • 환경 조건 = 경계 조건 + 하중 조건 + 이론 관계식 + 재료

3강 유한요소해석. 봉 재 모델링
  • 전처리 과정 = 이론해석 (모델링, 조건 적용) + meshing + 물리량 부여
    • 후처리 과정 = 해석 + 결과 분석
    • 검토 과정 = 이론 해 (or 측정값)과 비교
  • 저장하는 방법 : File → Archive = zip 파일로 저장
    • → Restore Archive = unzip 파일로 저장
  • Transient : 시간에 따라 변화한다는 뜻
  • 셀 첫 칸 마우스 우클릭 → Duplicate : 똑같은 해석 시스템 만들기
    • → Replace with : 다른 해석 시스템으로 바꾸기
  • Engineering Data에서는 재료 물성 정의하는 것이다. return to ~~를 클릭해서 나가면 된다.
  • e = 10 = exponential (지수의)  ex) 7e4 = 70000, 3e-3 = 0.003
  • global coordinate system = 디자인 모델러에서 안바뀌는 좌표계 = GCS
    •  local coordinate system = 물체에 따라 자유롭게 바꿀 수 있는 좌표계
  • xyz 축의 색깔을 색의 3원소 RGB순서라고 생각하면 편하게 외울 수 있다.
  • 치수값 화면에 바로 나타내기 : 디자인 모델러 → sketching → dimensions → display → value 체크
  • 그린 선이 파란색이면, 완벽하게 그려졌다는 말이다. 초록색이면, 아직 덜 그려졌다는 말이다.
  • 빈 공간에 마우스 우클릭 → restore default 누르면 일정한 시점의 3차원 공간으로 시점변경
  • 좌측 상단 메뉴바에 좌표계처럼 생긴거 클릭 → 새로운 평면 만들기
  • 팁) 생성하면서 이름 수정해서 잘 알아볼 수 있는 걸로 해두면, 나중에 알아보기 쉬움.

4강 유한요소해석. 봉 재 해석 및 후처리, 결과 분석
  • dimensions에 있는 move는 치수표기를 옮기는데 사용. modify에 있는 move는 물체를 옮기는데 사용
  • 기본 mesh는 전체 물체에 대한 mesh 생성이고, 각각 해주려면 location? mesh로 해야함.
  • mesh 아래, statistics = mesh의 통계자료
  • fixed support : 고정
  • static structural(model에서 힘 부여하는 곳)을 클릭하면 전체 환경조건을 한 번에 볼 수 있다.
  • directional, total deformation : 방향별, 전체 변형량
  • directional deformation에서 orientation = x axis(보고 싶은 방향) [이것이 힘들 경우, 마우스 우클릭으로 rename (based on definition)을 클릭하면 정의대로 된다. 꼭 해주면 좋은 듯. 방향별로 보는 거면 이게 다 있음.]
  • geometry → solid → material → assignment → 변경하면 재료 변경가능 (model에서 꼭 재료 변경해 줘야함.)
  • 이론해와 유한요소 해석결과가 다르면, 이론이 틀렸거나 해석조건이 틀렸거나.
  • 모델링이 틀렸다면, (해석툴은 끌 필요없이) 디자인 모델러로 가서 새로 그려주면 된다.
  • 이론해와 비교
    • 쌍변형의 원리. 실제로 고정점이나 하중을 가해주는 곳은 응력이 일정하지 않다.
    • 중간 부근에 probe(상단 메뉴바의 제일 밑)을 클릭하여 물체의 점을 클릭하면 해당 상태값을 알 수 있다. 이것과 이론해와 비교해야한다.
    • probe 버튼 옆에 max와 min을 클릭하면 각각의 최대, 최소 값을 표시하여준다.
    • 응력집중 부분이 있으면 달라진다.
  • 화면 마우스 우클릭 → restore default = 남서투영 시점으로 보기
  • 탄성체(연속체) → 무수히 많은 스프링 시스템(모델링) : 일반적으로 잘게 나눌수록 정확함

5강 단차가 있는 판(filleted bar). 문제 설명 및 이론 값 제공
  • 2d 해석의 필요성 : 모델링 간단, 양질의 격자 생성, 계산 시간 감소, 결과 디스플레이가 용이, 가정이 추가되지 않는 한 정확한 해 도출
  • 환경 조건 : 재료 종류, 하중 조건, 구속 조건, 중력, 관성력 등
  • loads에서 hydrostatic pressure = 유체 무게에 의한 정수압
    • remote force = 공간상의 임의의 점에 하중 작용
  • supports에서 cylindrical support = 원통의 반경, 원주, 길이방향으로 조건 부여
  • inertial에서 standard earth gravity = 중력 조건 부여
  • 2D 물체로 설정 = 상단 메뉴바 → concept → surfaces from sketches (하단에 두께부여도 가능)
  • 대칭성이 있다면, 계산 시간을 줄이기 위해서 → 메뉴바 상단의 tools → symmetry → 설정하면, 양쪽의 물체가 남고, 음쪽의 물체가 없어짐.
  • 2차원 문제의 경우(필수), 모델링 후, model들어가서 설정하기 전에 → geometry를 우클릭 → properties 클릭 → 우측에 나타난 바에서 → 16번 analysis type을 3D에서 2D로 변경
    • 그리고, model에 들어가서, definition의 2D behavior를 (plane stress, axisvmmetric, plane strain, generalized plane strain, by body) 중에 골라서 설정해준다. (11강)

6강 단차가 있는 판. 모델링 (model에 들어옴)
  • 대칭면 처리 → insert → frictionless support로 대칭면을 설정해야함. → 미끄러지는 것만 허용하고 변위는 허용 안 한다는 뜻.
  • mesh에서 sizing 추가 → definition에 sphere radius = 지정한 곳에서 얼마만큼 영향을 미쳐서 사이즈를 설정할지 적는 곳 (+type에서 sphere of influence로 설정하면 구 형태로 범위를 지정하겠다는 뜻임.) 그리고 바로 밑에 element size = 요소 사이즈 지정(범위의 1/10 정도가 일반적임.) 끝.
  • solution에서 결과값(응력 등) 추가했으면, 꼭 rename해줘서 상세하게 표시되게 하자
  • 좌측 상단에 result에서 결과값을 실제값, 솔버값?등 다양하게 시각적으로 표현해서 볼 수 있다. (스케일 값을 입력한다고 생각하고 숫자를 입력해도 된다.)
  • 응력 특이성 (stress singularity) : 요소 크기에 따른 최대 수직응력이 어떻게 변화되는지. 곡률 0 또는 점 하중에서 무한대 응력을 가진다. 실제로는 발생 불가능. 결과 검토 시 주의. (꺽이는 부분에는, 위와 같은 곡률 0, 점 하중에서는, 날카로운 곳은) 필렛이 필요하다.

7강 단차가 있는 판. 해석 및 후처리, 결과 분석
  • 응력 불연속성 : element를 거칠게 하고, unaveraged로 평균하지 않은 해석을 하게 되면 요소 간에 응력이 불연속한 결과 값이 나온다. 불연속성을 낮추면 낮출 수 록 정확한 해. 이웃한 요소 간에 값의 차이가 크지 않은 게 좋은 결과 값이다.
  • 구조적 오차 (structural error) 정의 : averaged stress와 unaveraged stress를 이용한 변형률 에너지의 차이. meshing의 적합성을 판단하는 기준이다. 오차가 가능한 한 작고 분포가 균일해야한다.
    •  오차가 큰 영역 → 요소 크기를 줄여서 더 세세하게 해석 → 여기서 mesh 매끄럽게
    •  오차가 작은 영역 → 요소 크기를 크게해서 대충 해석
  • tri : 삼각형, Quad : 사각형
  • 수렴성 : 요소가 삼각형일 때보다 사각형일 때가 더 빨리 수렴한다. 조밀(fine)하고 사각형 mesh를 선호한다. 절점수-결과값 그래프를 그리면 눈으로 확인할 수 있다.

8강 디자인 모델러. 좌표계, 스케치, 모델링 기법
  • look at 버튼 → local 좌표계 xy평면을 보여줌.
    • global 좌표계 → 항상 우측 하단에 있는 기준 좌표계. triad라고 부름.
  • add material = 기존 물체에 추가. 같은 물체.
    • add frozen = 별도의 물체 생성.
  • http://www.sdcpublications.com/pdfsample/978-1-58503-754-4-1

9강 원통형 압력 용기. 제 설명 및 이론 값 제공
  • 박벽 : 얇은 벽, 후벽 : 두꺼운 벽
  • 원통좌표계 : r=x, =y, z=z

10강 원통형 압력 용기. 모델링
  • mesh의 적절성 판단 → mesh의 제일 마지막 칸에 있는 mesh metric이 기본으로는 none으로 되어있는데, 바꿔서 나타나는 값을 살펴보면 됨. → 그 중, 'skewness'는 0~1 사이 값을 갖는다. 최대값이 0.9 이하이고 0과 가까울 수 록 좋은 mesh라는 뜻이다.
  • 3D 해석에 의한 등가(equivalent) 응력 (Von Mises stress) : 파손*항복에 많이 적용. 연성재료에 적용. 항복강도와 비교에서 항복의 여부를 판단할 수 있음.

11강 원통형 압력 용기. 해석 및 후처리, 결과분석
  • 최적화 설계 시에는 목적에 따라, dimensions를 변경하는 데에 정확한 방법으로 잘 설정해줘야 한다.
  • 잘못 설정해서 초기화 하는 방법 = 엔시스 메인 화면에서 마우스 우클릭 후, reset 클릭.
  •  

    : 이미지 저장하기
    •  

      : 영상 저장하기
  • 축대칭 문제의 경우 3D보다 2D로 모델링하여 해석하는 것이 정확성이나 효율성 측면에서 좋다.
  • 형상이 단순한 부분에 대해 해석해와 비교해봄으로써 계산값의 정확성을 검증할 필요가 있다.
  • 항복 여부를 판정하기 위해서는 von mises 응력을 계산하여 기준 항복 응력과 비교한다.
  • 책 : finite element simulations with ansys workbench (http://yimay.kr/t490r9if27)

12~13강 최적화. 필요성, 알고리즘, 모델링, 압력 용기 최적화, 결과분석
  • DX = DesignXplorer
    • 설계 변수 (design variables) : 설계 매개 변수, 가능한 최소 수로 할 것.
    • 설계 공간 (design space) : 입력 변수들에 의해 결정
    • 설계 점 (design point) : DS 상의 임의의 점
    • 응답 (responses) : 계산된 출력 변수 (output parameters)들의 값
    • 최대 등가 응력 = von-mises stress
    • 벽 두께 = WT : wall thickness
    • 필렛 반경 = FR : fillet radius
  • WB에서 최적화 과정
  1. 입력 변수(=설계 변수) 설정
    1. 디자인모델러, 메카니칼 등에서 설정
    1. 최적화할 형상 변수 앞에 있는 □(네모칸)을 체크
    1. (스케치를 클릭하고 아래에 나타난 상세뷰에서 치수이름 옆의 네모칸)
    1. □ 네모칸 안에 D가 들어간 것을 확인 (D : driving parameter)
  1. 출력 변수(=상태 변수) 설정
    1.   - 최적화할 결과 변수 앞에 있는 □(네모칸)을 체크
      1.    (solution을 클릭하고 나오는 상세뷰에서 results에 있는 네모칸)
    1.   - □ 네모칸 안에 P가 들어간 것을 확인 (P : parameter)
    1.   - 그 후, 워크밴치 화면에 parameter set이 생성되어있고, 화살표가 들어가고 나와야한다.
    1.   - update all design point : 모든 변수 설정 해석 실시
  1. Goal Driven Optimization 시스템 설정
    1. 워크밴치 메인화면에서 toolbar 가장 아래의 design exploration에서 최적화 방법(response surface optimization)을 더블클릭하여 생성
    1. Design Of Experiment (DOE:실험계획법) : 계산 횟수 등 계획
    1. Response Surface : DPs와 Response 값들 간의 수학적 함수 (일반적으로 2차 함수). 하나의 response value에 하나의 RS(response point : RS안의 한 점) 생성.
    1. Optimization : OP의 목표(goal) or 제한조건(constrains). 최적화 알고리즘
      1. ① MOGA (multi-objective genetic algorithm) : single-&multi-objective problems에 적합
      1. ② NLPQL (nonlinear programming by quadratic Lagrangian) : single-objective problem에 적합
      1. ③ Screening method : DS를 grid로 나눠 검색
  1. DOE Table & Results 생성
    1. Ex. Face-Centerd central composite design. (1=current point)
    1. 변수를 각각 클릭하여 해석할 범위인 최소값(lower bound), 최대값(upper bound)를 설정해주면 된다.
    1. 우측 하단의 show process를 클릭하고 상단의 update를 클릭하면 해석 실행됨.
    1. 실패한 포인트 → 파라미터에 들어가서 해당 포인트 마우스 우클릭 → update selected design point를 클릭 → design of experiments를 update
  1. Build Response Surface (RS)
    1. 3번째 셀인 response surface에 들어가서 update를 해준다.
    1. 3D 형상으로 결과값을 볼 수 있다.
  1. Objectives & Constraints 설정하기
    1. 4번째 셀인 optimization을 클릭.
    1. 위 화면에 들어갔으면, 3번째 셀인 objective and constrainst를 클릭한 상태에서 view에서 table 선택하면 table 나옴.
    1. 이 상태에서, parameter를 원하는 값으로 설정하고 목표 타입(objective type)을 설정.
  1. Perform Optimization (using 3 Method)
    1. 2번째 셀인 optimization을 클릭하고 아래에 상세뷰에서 optimization method를 Screening, MOGA, NLPQL, (MISQP) 중에 아무거나 선택. 간단한 해석에서는 크게 차이 없음. 3개 다 해보는게 좋음. 시간은 크게 걸리지 않음.
    1. update 후 table은 view에서 table을 클릭
    1. 여기서 최적화는 끝.
  1. 최적설계된 것으로 Update Current Design
    1. 워크밴치 메인화면에서 parameter set 클릭.
    1. 우측에 있는 current에 값을 내가 선정한 값으로 직접 입력하고 셀을 마우스 우클릭으로 update selected design points 클릭하면, 현재 디자인이 변수에 맞게 설정되면서 유한요소 해석이 진행됨.
    1. 책 : finite element simulations with ANSYS workbench 14 SDC 2012  (http://yimay.kr/t490r9insz)

14강 조립품 해석. 해석 필요성, 문제 설명, 모델링
  • 단일 부품으로 구성된 구조물은 극소수이며 부품 수가 2개 이상 및 접촉이 이루어져 난이도가 있다.
    • 책 : machine design, Robert L. Norton, 4th Ed., Person education korea 2011
  • 억지 끼워맞춤 = press fit
    • 미끄럼 끼워맞춤 = slip fit
  • 여러 부품 모델링은 add frozen으로 해야함.
  • 접촉되어 있으므로, contact mesh로 해주면 좋음. 일정한 간격으로 나누는 것보다 ‘분할되는 수’를 사용하여 mesh를 짜주는 것이 좋다. → mesh에서 type을 number of divisions으로 하면 된다.
  • 디자인 모델러에서 트리의 solid를 클릭하면, 부피*면적*면/엣지/점 개수를 알 수 있다.

15강 조립품 해석. 해석 및 결과 해석
  • model에 들어와서 geometry의 부품을 클릭하면, 부피*질량*도심*질량관성모멘트를 알 수 있다.
  • parameter set을 더블클릭하고 들어가서, 우측 상단에 변수를 직접 임의의 값으로 여러 개를 지정 → update project → update all design points

16강 구조 동역학. 소개, 모달 해석
  • 구조물의 거동 = 정적(static:steady) 상태 + 준정적(quasistatic) 상태 + 과도(transient) 상태
  • 구조 동역학 해석 = 모달 해석(변동부하x) + 자유 진동(외력x) + 과도 상태 해석(변동부하o)
  •  

  • modal analysis : 힘=0, 자유진동, 구조물의 고유진동수를 찾는데 사용, 감쇄c는 무시, 선형으로 해석한다.
    • harmonic response analysis : 강제 조화 진동, 선형해석
    • transient structural analysis : 일반적인 강제 진동, 시간에 따른 과도 응답 해석, 비선형도 포함
    • explicit dynamics : 가장 일반적인 강제 진동, 시간에 따른 과도 응답 해석, 비선형도 포함, 고속 충돌 문제, 높은 비선형 문제에 적용
    • response spectrum analysis : 일반적인 강제 진동, 입력이 response spectrum(ex.지진파형)
    • random vibration analysis : 일반적인 강제 진동, 입력이 random loading(ex.운석충돌,소행성vs우주선 충돌)
  • modal analysis → 물체의 동적 거동 해석, 외력x 자유진동 하에서 동적 특성, 고유진동수&진동 모드를 살펴볼 수 있다. ex.공진 방지 설계. static structual에서 결과값을 연결하여 가져오면 prestressed방식 해석이고, 결과값을 제외한 설계조건들만 연결해서 가져오면 unprestressed 방식 해석이다.


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