Ansys를 이용한 Knuckle해석 2편

[22 윤태현]

해석을 위한 자료.xlsx

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안녕하세요 해석 담당하고 있는 윤태현입니다.

1편이 올라온 이후 많은 시간이 지났습니다.

진작 올렸어야 할 2편이, 너클의 여러 수정과 저의 귀찮음으로 미뤄졌습니다.

하지만 그 사이 Ansys의 여러 기능을 학습했고 아직 부족하지만 실력이 비약적으로 상승한 듯 합니다.

앞으로 올릴 게시물은 크게

1. Knuckle 해석

2. 배터리 박스 브라켓, 내벽 해석(3D)

3. 벨 크랭크 해석 + 위상최적화

4. Brake 해석

입니다. 

올해 시도해보지는 못했지만 앞으로 해석해보았으면 하는 부분은

1. 프레임 강성해석

2. 배터리 박스 2D해석

3. 배터리 박스 열해석

4. 배터리 박스 동적해석

4. CFD -> 급한건 아니지만 어울수레가 에어로 파츠 제작까지 나아갔을 때 필요합니다. 현재로써는 외장 정도에 적용해보면 좋겠네요

그럼 바로 시작하겠습니다.

1편에서 Mesh의 퀄리티를 확인하는 것 까지 진행해보았습니다.

제가 1편에서 Node를 일치시켜주어야 정확한 해석을 할 수 있다고 언급했습니다. 하지만 여러 부품이 합쳐지는 어셈블리를 해석할 경우 노드가 불일치 되는 현상이 발생하여 해석 결과에 의심을 지울 수 없었습니다. 그래서 긴 공백 기간동안 학습한 Design Modeler 기능을 소개해드리려 합니다.

지오메트리 -> Edit Geometry in DesignModeler에 들어가 줍니다.

해당 화면이 나올 겁니다. 왼쪽 상단 번개 모양의 Generate를 눌러줍니다.

어셈블리된 너클이 생성되었습니다. 모든 부품들을 '하나의 파트'처럼 취급해줄 겁니다.

**중요** Design Modeler에서 취급하는 단위와 해석 화면에서 취급하는 단위가 같아야 합니다. 저는 해석 화면에서 mm를 사용하므로, 최상단 Units에서 단위를 mm로 바꿔줍시다. 이 과정을 수행하지 않으면 해석화면에서 어셈블리 파일이 Load되지 않습니다.

화면에 나와있는 것처럼, Tree Outline - 정육면체 두개가 붙어있는 그림 펼치기(?) - 모든 파트 클릭(Shift이용해서 첫번째와 마지막만 클릭) - 우클릭 - Form New Part

완료입니다. Design Modeler를 닫아주고 해석화면을 열겠습니다. (Moder 클릭)  이후 게시글에서 다루겠지만 Design Modeler에서 Face Split기능을 이용하여 면을 분할하고 부분적으로 하중을 가할 수 있습니다.

사용한 물성치는 다음과 같습니다. Al6061-T6 알루미늄으로 물성치 수정 시 Density, Young's Modulus, Tensile Yield Strength, Tensile Ultimate Strength 정도입니다. 기본 재료를 Al alloy로 수정해준 후 위 값들을 입력해주었습니다. 재료의 물성치는 구글에 영어로 '재료 properties'라고 검색하면 잘 나옵니다. 데이터에 따라 Young's Modulus는 68.9GPa, Tensile Yield Strength 276MPa, Tensile Ultimate Strength 310MPa입니다.

메쉬 생성 모습입니다. Node가 일치된 것을 확인할 수 있습니다.

기본적으로 하중조건과 구속조건은 Static Structual에서 줄 수 있습니다.

하중조건과 구속조건 중 하나라도 입력되지 않으면 해석을 진행할 수 없습니다. 실제 상황에 따라 알맞은 하중조건과 구속조건을 주면 됩니다.

자주 사용할 하중조건으로는 Force, 구속조건으로는 Fixed Support입니다. 상황에 따라 원통형 구속(Cylindrical Support)를 사용하기도 합니다.

구속 조건입니다. 너클 상단 브라켓 볼트 구멍과 하단 볼트구멍에 구속조건을 주었습니다.

Geometry - ctrl키를 누르며 구속 조건 선택 - Apply

다음으로 하중조건입니다. 프론트 너클의 경우 최대 제동, 최대 코너링 상황에서 해석을 진행하게 됩니다. 너클의 스펙과 차량의 무게 등에 따라 값이 달라지기 때문에 너클에 가해지는 힘을 수식을 통 계산해야합니다. Race car design를 참고하여 엑셀 시트를 제작해보았습니다. 아래 사진이 엑셀 시트이며 그림에 따라 L1~L5, Rolling Radius, 차량무게, 마찰계수 정도를 입력해주면 결과값이 나오게 됩니다. 중요한 값들은 **V Brake~ Hinner** 과 **Fouter, Finner**입니다

Force 입력시 Define By를 vector에서 Components로 변경 후, 알맞은 방향으로 힘을 입력해주면 됩니다. 시트에 따라 캘리퍼 힌지 구멍에 작용하는 힘 (H Brake)가 3317N이므로 위와 같이 입력해주었습니다.

제동 시 구속조건과 하중조건은 다음과 같습니다. 해석에 정답은 없습니다. 현실과 일치하는 조건을 만드는 것이 중요합니다.

제동 시 2번 해석을 진행하게 됩니다. 암 볼트구멍과 베어링부분을 구속조건 주고 캘리퍼 힌지에 Braking force를 주는 것이 첫번재 해석, 암볼트구멍을 고정하고 베어링 내부에 Hinner과 Houtter, Voutter, Vinner를 주는 것이 두번째 해석입니다.

이제 결과를 보면 됩니다!

제가 주로 보는 값은 1. Total Deformation(전체 변형)  2. Von-mises stress. (응력) 3. Streetool(Safety factor, 안전계수)입니다.

추가해준 후 Solve를 누르면 결과를 볼 수 있습니다!!

전체 변형 결과 화면입니다. 힌지 끝부분에서 0.09mm의 최대 변형이 일어나네요. 하단 재생버튼을 누르면 움직임을 볼 수 있고, 이를 통해 알맞은 하중조건이 주어져있는지 확인할 수 있습니다. 결과를 보면 생각보다 많이 찌그러져보이는데 이는 27배 과장된 것이라 그렇습니다. 상단 Auto Scale을 True Scale로 바꿔주면 됩니다.(굳이 할 필요는 없습니다.) 상단 오른쪽에 Probe는 마우스 찍은 곳의 결과값을, Maximum과 Minimum은 각각 최대값, 최소값을 찍어줍니다.

응력입니다. 73MPa의 최대 응력이 걸립니다. 자세히 보시면 힌지에 파란부분이 좀 보이는데, 이부분은 하중이 많이 걸리지 않는 부분으로 살파기 작업을 할 때 제거해도 되는 부분입니다. 하지만 보수적으로 굳이 제거하지는 않았습니다. 응력 분포는 살파기를 하는데 중요한 자료가 됩니다.

안전계수입니다. 안전계수는 (재료가 버틸 수 있는 최대응력) / (재료에 가해진 응력) 으로 안전한가를 판단하는데 중요한 지표입니다. 주로 1.5~2.5를 목표로 하며 최소 안전계수가 3.76인걸 보아 안전해 보이네요.

이렇게 세 지표를 보면서 안전계수가 높게 나오면 보강을, 낮게나오면 살을 파는 방식으로 설계를 진행했습니다. 절대로 한번에 나오는 것이 아니고 여러번의 시행착오를 통해 목표값을 찾아 나가시면 됩니다. 볼륨이 너무 커지는 것 같아 코너링 상황에서 결과는 포함하지 않았습니다. 하지만 꼭 코너링 상황에서도 해석을 수행하여 안전성을 판단해아하며, 모든 데이터는 엑셀 시트에 나와있습니다. 모든상황에 대한 조건과 결과를 워드파일 사진으로 첨부했습니다. 해석 할때 한번씩 보시고 참고하시길 바랍니다. 똑같이 하라는 것이 아닙니다!! 이 자료를 기반으로 더욱 정확한 해석이 이루어졌으면 합니다.

FL, RR Knuckle Analysis result.docx

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이 게시물은 레이싱카 디자인 6.5 업라이트 설계와 해석(156p~160p), 7.7 리어 업라이트 설계(176p~177p)를 참고하였습니다.

구글에 FSAE Front/Rear Knuckle FEA/Analysis를 검색하셔도 많은 자료가 나옵니다.

아직 부족한 점이 많습니다. 앞으로 해석 진행할 인원들이 보완해가며 더욱 더 정확한 해석을 진행하였으면 좋겠습니다.

지적, 피드백 언제나 환영입니다! 감사합니다.

[18홍기태]

태현이는 신이야..