충격 하중 적용을 위한 Shock Load Profile ACT Extension

 

군사 규격 등에서 규정하고 있는 특정 프로파일 형태의 시간-가속도 하중을 해석 시스템에서 정의하려면 사용자가 직접 관련 표준에 따라 입력 하중을 계산하고 데이터를 입력하게 되는데, 해당 방법은 입력 하중 계산에 많은 시간이 소요되고 입력 과정에서 사용자 오류가 발생할 수도 있다. Ansys에서 제공하는 Shock Load Profile ACT(Ansys Customization Toolkit) Extension을 사용하면 BV043과 MIL-STD-810에서 설명하는 충격 하중 프로파일을 자동으로 계산하여 기하 형상 또는 격자 모델에 쉽게 적용할 수 있다.

 

서론 

ACT Extension은 Workbench GUI에서 지원되지 않는 메뉴와 기능들을 사용자 정의하고 확장하여 편리하게 사용할 수 있도록 제작된 툴킷이다. 

ACT Extension은 [그림 1]과 같이 Customer Portal에 있는 Ansys Store(클릭)에서 유상 또는 무상으로 다운로드 가능하다. 

 

본 고에서는 Shock Load Profile ACT Extension을 활용하여 충격 하중 프로파일을 정의하는 방법에 대해 알아보도록 한다. [그림 2]

 

  

[그림 1] Ansys Store

 

  

[그림 2] ACT Page에서 Extension 파일 설치

 

지금부터 다루게 될 충격 하중 프로파일에 대한 규격은 BV043-Shock Resistance Specification과 MIL-STD-810이다. BV043은 독일 해군 함정의 내충격 성능 관련 규격으로, 내충격 성능을 검증하는 방법들 중에서 실험을 우선시하고 있으나 설비의 크기, 비용, 무게 등에 대한 제약이 있을 경우 해석을 통한 검증을 대체할 수 있도록 권고하고 있다. 그리고 MIL-STD는 미국 군사 표준의 약칭으로, 미 국방성의 모든 부서 및 기관에서 사용할 수 있도록 승인한 내용이며, 그중 810은 광범위한 환경 조건에 대해 명시하고, 실험에 의한 시험 및 해석에 대한 방법을 기술하고 있다. 

 

1. Shock Load Profile ACT Extension 실행

서론에서 언급된 Shock Load Profile ACT Extension 파일을 설치한 후 Mechanical 환경에서 버튼을 클릭하면 “Shock Load Profile” 개체와 APDL 명령어를 입력할 수 있는 “Command Snippet”이 Outline Tree에 추가된다. [그림 3]

 

  

[그림 3] Shock Load Profile 실행 

 

2. Geometry 선택

충격 하중을 적용할 기하 형상이나 격자 모델은 직접 Geometry를 선택하거나 미리 지정한 Named Selection을 선택할 수 있다. [그림 4]

 

 

 [그림 4] Selecting geometry/node

 

3. 충격 프로파일 정의

사용자는 다음과 같이 세 가지 방법으로 충격 하중 프로파일을 정의할 수 있다. [그림 5]

 

• User Defined
• NATO Standard Level
•  MIL-STD

 

사용자 정의 시간-가속도 적용은 “User Defined”를 통해 정의할 수 있고, BV043에 근거하는 표준 충격 하중 프로파일은 “NATO Standard Level”을 통해 삼각(Triangle) 또는 이중 사인(Double Sine) 방법으로 정의할 수 있다. 그리고 MIL-STD-810을 기반으로 하는 충격 프로파일은 “MIL-STD” 항목을 통해서 톱니, 사다리꼴 또는 반정현 펄스 유형으로 정의할 수 있다.

 

  

[그림 5] Shock Profile 정의 선택

 

앞에서 언급한 세 가지 충격 프로파일 정의 방법에 대해 알아보도록 하자. 

 

3-1)  사용자 충격 프로파일 정의

“User Defined”를 선택한 후 사용자 정의 시간-가속도 데이터를 정의할 수 있는데, User Input 창의 시트에 직접 입력하면 된다. [그림 6] 

 

  

[그림 6] “User Defined” 충격 값 정의

 

3-2) NATO Standard Level 충격 프로파일

BV043에 준하여 NATO 표준 충격 프로파일은 Distribution Method, Shock Level Type, Acceleration Coefficient 및 Time Interval 속성으로 정의된다.

 

3-2-1) Distribution Method

충격 프로파일은 이중 사인 분포 방법([그림 7])으로 정의할 수 있고, 삼각파형 분포 방법([그림 8])으로도 정의 가능하다.

 

  

[그림 7] NATO Standard Level(Double Sine)

 

  

[그림 8] NATO Standard Level(Triangular)

 

3-2-2) Shock Level Type

BV043에 따르면 충격 프로파일은 초기값(d0, v0, a0)으로 정의되는데, 이는 Shock Load Profile에서 사전 준비된 초기 값을 사용하거나([그림 9]), Shock Level Type에서 User Input 속성([그림 10])을 선택하여 정의할 수 있다. 충격 수준 유형을 User Input으로 선택한 경우 Profile Values에서 초기 값을 편집할 수도 있다.

 

  

[그림 9] 기본값의 충격 하중 프로파일

 

  

[그림 10] User Input 충격 하중 타입

 

3-2-3) Time Interval

“NATO Standard Level” 충격 프로파일은 앞의 [그림 9]와 [그림 10]에서도 확인되듯이 Time Interval이 있어 (+) Side 및 (-) Side의 두 영역을 구분한다. [그림 11]

사용자는 “(+) Side 시간 간격” 및 “(-) Side 시간 간격” 옵션을 사용하여 각 Side의 시간 간격을 개별적으로 정의할 수 있다.

 

  

[그림 11] Time Zones of “NATO Standard Level” Shock Profile

 

3-3) MIL-STD

MIL-STD-810에 따르면, 충격 프로파일은 Shock Pulse Type, Peak Value, Duration 및 Time Interval 속성으로 정의할 수 있다. 각각의 내용에 대해 알아보자.

 

3-3-1) Shock Pulse Type

충격 프로파일은 Shock Load Profile에서 톱니([그림 12]), 사다리꼴([그림 13]) 및 반정현(그림 14)) 형태의 충격 펄스 유형으로 정의된다. 

톱니 형태 충격 펄스 유형 프로파일의 종료 시간은 End Time 속성을 통해서 Duration의 백분율로 정의된다.

 

  

[그림 12] MIL-STD(Sawtooth Pulse Type)

 

  

[그림 13] MIL-STD(Trapezoidal Pulse Type)

 

  

[그림 14] MIL-STD(Half-sine Pulse Type)

 

 

  3-2) Peak Value

충격 프로파일의 피크 가속도 값은 Shock Load Profile 상세 창에서 가속도 값으로 Peak Value 항목에서 정의한다. [그림 15]

 

  3-3-3) Duration

충격 프로파일의 지속 시간은 앞에서 본 내용과 마찬가지로 Shock Load Profile 상세 창의 Duration 속성에서 시간으로 정의할 수 있다. [그림 15]

 

  

[그림 15] Define Shock Profile

 

  3-3-4) Time Interval

    Time Interval은 충격 프로파일의 시간 간격을 정의한다. [그림 15]

 

4. Common Features

이번 장에서는 모든 충격 프로파일(User Defined, NATO Standard Level, MIL-STD)에 공통적으로 사용되는 기능에 대해 알아보자. [그림 16]

 

  

[그림 16] Common Features

 

  4-1) Shock Load Direction

충격 하중 방향은 Shock Load Direction 항목에서 선택하고, Global X, Y 및 Z 방향에 대해 선택할 수 있다.

 

  4-2) Set Load Step Time

Set Load Step Time을 “Yes”로 선택하면 Mechanical 해석 설정에서 Step 수와 Step 종료 시간이 충격 프로파일 및 Time Interval 시간 값에 따라 자동으로 수정된다. Load Step 설정을 수정한 후 Define Shock Profile에서 속성이 변경되면 Set Load Step Time이 “No”로 변경되고 “Yes”를 다시 선택하여 업데이트된 프로파일을 설정한다.

 

  4-3) Plot Shock Profile

Plot Shock Profile을 “Yes”로 선택하면 Define Shock Profile에 설명된 충격 하중 프로파일이 Graph창과 Tabular Data 창에 시간-가속도 값 형태로 표시된다. 충격 프로파일을 표시한 후 Define Shock Profile에서 속성이 변경되면 Plot Shock Profile은 “No”로 변경되고 “Yes”를 다시 선택하여 업데이트된 프로파일을 표시한다.

 

5. Shock Load Profile ACT 적용 예제

지금까지 Shock Load Profile ACT Extension에서 각각의 기능에 대해 살펴보았다. 이번에는 Mechanical에서 충격 하중 프로파일 적용 해석 예제를 살펴본다.

 

  5-1)  Geometry 및 FE Model

해석 대상은 이중 격벽 내부 구조를 가지는 Cargo Ship의 1:100 축소 모델([그림 17])이다.

재질은 기본으로 설정되어 있는 Structural Steel을 사용하고, 격자 모델은 [그림 18]과 같이 526,869개 절점과 1,331,199개 요소로 구성하였다.

 

  

[그림 17] 1:100 축소 Model

 

  

[그림 18] FE Model

 

   5-2) 하중 및 구속 조건

본고에서 다루는 하중 충격 프로파일과 이번 예제 모델을 보면 서론에서 언급한 BV043과 MIL-STD의 활용 사례가 선박(함정)의 충격이 될 수 있음을 예상 가능하다. 따라서 하중 조건으로 우선 선박이 유체에 잠겨 있는 효과를 적용하기 위해서 Hydrostatic Pressure을 적용하였으며, 선체 조립이 되는 옆면을 고정 조건으로 하였다. [그림 19]

 

  

[그림 19] 하중 & 구속 조건

 

충격 하중 프로파일은 선두 중간 면에 적용한다. 본 예제에서는 Shock Profile Type이 MIL-STD일 경우와 NATO Standard Level일 경우에 대해 다루었으며, Shock Pulse Type은 MIL-STD: Half-Sine, NATO Standard Level: Double Sine 프로파일을 적용했다. 이때 충격 하중 프로파일 Duration은 두 경우 모두 0.03초로 같으며, 충격 하중 방향은 Global X로 선정하였다. [그림 20]

Plot Shock Profile을 “Yes”로 적용하여 Graph와 Tabular Data 형태로도 확인 가능하다. [그림 21]

 

  

[그림 20] 충격 하중 프로파일 적용 

 

  

[그림 21] Time Vs. Acceleration Data

 

다음으로 Analysis Settings의 Step Controls 항목에서 적절한 Time Step을 선정한다. 이번 예제에서 충격 프로파일의 Duration이 0.03초이므로 Step End Time을 0.05초로 설정하였다. [그림 22]

 

  

[그림 22] Analysis Setting

 

  5-3) 해석 결과

계산 과정에서 Force Convergence를 통해서 해석 수렴성을 확인하고 0.05초의 종료 시간까지 계산이 완료되면 결과를 확인한다. 

 

  

[그림 23] Force Convergence

 

 

계산 완료 후 [그림 24]와 같이 MIL-STD와 NATO Standard Level을 적용했을 경우에 대한 Total Deformation과 Equivalent Stress를 확인한다.

 

  

[그림 24] NATO/MIL-STD Result

 

NATO Standard Level, MIL-STD의 결과가 유사함을 확인했으며, 충격 면에 근접한 부분에서 큰 변형이 발생하여 파손될 것으로 예상된다. 해당 결과는 축소 모델 활용과 결과 도출을 위해 격자 품질을 다소 낮추어 진행한 점을 감안하여 충격 하중 프로파일 적용을 위한 참고 용도로만 확인하면 될 것이다.

 

맺음말

여기까지 ACT Extension을 활용하여 NATO Standard 및 MIL-Standard에 근거한 충격 하중 프로파일을 적용하는 내용에 대해 다루어 보았다. 해당 ACT Extension은 사용법이 간단하기 때문에 군사 규격을 적용하는 사례가 있다면 활용하는 것을 적극 추천한다. 그리고 관련 군사 규격인 BV043이나 MIL-STD-810에 대해 관심이 있다면 직접 학습해 보는 것도 원고의 내용을 이해하는데 많은 도움이 될 것으로 사료된다.