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적층형 복합재 해석을 위한 ANSYS Composite PrepPost
ANSYS 12.1에서는 적층형 복합재를 보다 쉽고 정확하게 해석할 수 있는 ANSYS Composite PrepPost(ASP)를 지원한다. (Add on 모듈)
ANSYS Composite PrePost (이하 ACP)는 ANSYS 12.1이 출시되면서, 복합재료에 대한 물성정의, 강도평가 등 그 동안 해석에서 정의하기 힘들었던 복합재료와 관련된 문제점들을 보다 쉽고, 편리하게 해결할 수 있다. ACP는 파이썬 스크립트(Python-Script)를 기반으로 프로그램 되었기 때문에 짧은 시간 내에 결과를 계산할 수 있고, 적층 정의의 모든 과정 및 후처리 부분을 자동으로 처리할 수 있다. 또한, 적층형 구조물을 최적화하는데 매우 강력한 프로그램이다.
복합재료를 이용해 제품을 설계할 때, 설계자는 복합재료에 대한 물성 정의 등과 더불어 가장 최상의 laminar의 조합을 찾아야 한다. – 이 때, 각각의 layer 두께와 상대적인 방향성을 포함한 많은 layer로부터 선택한다. 더불어, 단순한 것에서 복잡한 공식까지 광범위한 파손이론을 적용하여 적층재의 물성과 방향성이 제품 설계에 얼마나 영향을 미치는지 연구하는 데 사용할 수 있다. |
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| ANSYS Composite PrePost는 적층형 복합재 구조물을 해석하는데, 필요한 모든 기능을 제공한다. ACP는 재료, ply, stacking sequence를 효율적으로 정의할 수 있을 뿐 아니라, 많은 종류의 파손이론을 적용할 수 있다. ANSYS solver는 정확한 결과 도출을 위한 해석을 수행하며, 복합재료의 파손 판별을 위한 추가적인 계산은 ACP에서 수행한다. ACP 후처리 기능은, 제품 거동의 두께방향 분석이 가능하게 하며, 구조물에서의 해석결과를 전체적인 결과로부터 layer 레벨까지 상세하게 확인할 수 있다. 이러한 Layer 레벨에서의 결과로부터, 사용자는 구조물의 잠재적 파손가능성을 정확하게 확인할 수 있도록 도와준다. |
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 ANSYS Composite PrePost 제품 주요 기능 |
a. 모든 layer의 적분점에서 복합재료 파손이론 적용
- Inverse reserve factors(IRF), Reverse factors(RF), Margin of safety(MOS)
b. 임의의 파손이론 복합사용
- Max. strain, Max. stress, Tsai-Wu, Tsai-Hill, Hanshin, LaRC, Cuntze
- UD 및 weave material에 대한 Puck 2-D, 3-D
- 샌드위치 구조물에 대한 Core failure 및 face sheet wrinkling
c. 다중 하중 고려
- in-plane 데이터 포인트 당 4개의 결과값 고려
- 모든 layer의 모든 판별식에 대한 Maximum IRF 이용
- Active failure mode 가능
- 최대 IRF인 layer index 확인
- 임계 하중 고려
d. 쉘 요소 기반의 곡률이 있는 laminar에서 중간층의 수직방향의 3차원 응력 평가
e. Element sampling을 이용한 ply기반 변형율, 응력, IRF visualization
f. Laminar의 각각의 ply에서의 결과확인
g. 각각의 layer 및 하중단계에 따른 임계 파손모드의 텍스트 출력기능
h. 재료의 양과 가격평가를 위한 Sensor 기능
i. Python scripting 인터페이스 (예: 사용자 정의의 파손이론 사용) |
| Workflow |
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ANSYS Composite PrePost의 이용은 복합재료로 구성된 구조물 전체에 대한 설계에서 최종 결과까지 완전한 정보를 확인할 수 있다. |
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그림 3과 같이 ACP를 이용한 해석은 아래의 3가지 개별적인 흐름으로 이루어진다.
- 지오메트리와 적용된 구속조건에 대한 정의 (ANSYS Workbench)
- Lay-up에 대한 정의 및 각 lay-up 강도 / 최적화 검증 (ACP / ANSYS solver)
- 결과 분석 후 제품 개발 단계에 필요한 데이터 확인 |
Step 1. ANSYS Workbench
ACP를 이용할 때, ANSYS Workbench에서는 아래 사항을 반드시 정의해주어야 한다.
- 각각의 다른 지오메트리 선택을 위한 Named Selection정의
- 강건한 격자 생성
- Solution 단계에서 경계조건 부여
- 필요할 경우, 기본 재질(등방성)로 해석 및 검증
- ACP 구동 (그림 4) |
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Step 2. ANSYS Composite PrePost (Pre-processing part)
아래의 데이터는 Lay-up에 대한 물성을 올바르게 정의하기 위해 ACP에서 반드시 필요하다.
- Material Engineering Constant
- Fabric (thickness minimum)
- Element Set
- Coordinate System
- Oriented Element Set
- Modeling Ply Group
ANSYS Workbench에서 생성한 Coordinate System과 Element Set을 ACP로 가져오지만, 필요할 경우에는 ACP에서 생성해야 한다. 기타 다른 기능 – Stackup, Sub Laminate, Rule 등 – 은 lay-up 정의에 필요한 시간을 절약하는데 매우 유용하다.
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Step 3. ANSYS Solver (Batch Run)
Solution 단계에서 Batch mode로 해석하는 것이 가능하며, *.cdb 혹은 *.dat 파일을 통해 ANSYS에서 모델을 부르기 위해 저장할 수도 있다. |
Step 4. ANSYS Composite PrePost (Post-proecessing part)
Definition 부분에서 사용자가 원하는 결과 값을 생성한 후, Scene Properties에서 보여질 결과를 선택하면 된다. |
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| Supported Element Type |
ACP에서 지원하는 ANSYS 쉘 / 솔리드 요소 종류는 아래와 같다. SHELL181, SHELL281, SHELL91, SHELL99, SOLID46, SOLID185, SOLID186 위의 요소에 대해 ANSYS 결과 파일로부터 절점 및 요소 결과를 직접 가져오기 위해서는 각각의 타입에 맞추어 요소 옵션을 정의해주어야 한다.
- SHELL91 : keyopt 5=3 , keyopt 8=1
- SHELL99 : keyopt 5=2 , keyopt 8=1, keyopt 9=0
- SHELL181 : keyopt 8=2
- SHELL281 : keyopt 8=2
- SOLID46/185/186 : keyopt 8=1
키 옵션 8번은 명령어를 통해 반드시 입력해주어야 한다. ,8,1 - ERESX,NO (절점으로 적분점 결과 복사 명령)
그림 6은 지원되는 요소를 ACP에서 사용하기 위해 GUI를 통해 요소 옵션 정의를 보여준다. |
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| 이와 같이 정의된 파일은 Workbench에서는 직접 ACP로 연결되고, Classic에서는 *.cdb 혹은 *.dat 파일 등으로 저장하여 부르게 된다. 불러온 결과로부터, Material / Fabric / Stackup 등의 속성 부여 후 그림 7과 같이 정의한 파손이론에 따라 확인할 수 있다. |
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| 위와 같이, 복합재료 해석을 위해 출시된 ANSYS Composite PrePost를 통해 복합재료에 대해 정확한 결과를 확인할 수 있다. |
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