해석 재료 전용 라이브러리 : Ansys Granta Materials Data for Simulation (MDS)

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본 원고에서는 Ansys 사용자를 위한 해석 재료 라이브러리 - ANSYS 2019 R2버전에서 신규 추가된
Ansys Granta Materials Data for Simulation (MDS)™의 최신 지원 내용에 대해 소개하고자 합니다.

Introduction

Ansys Granta Materials Data for Simulation (MDS)™는 (이하, MDS) Ansys 전용 해석 재료 전용 라이브러리로 2019 R2에서 처음 출시되었고, 이후 지속적인 업데이트를 통해서 새로운 재료 및 물성 추가, 사용 가능한 소프트웨어 범위의 확대 등과 같은 많은 업데이트가 진행되었습니다. 이번 호에서는 2024 R2 버전의 MDS를 소개하고, 그동안 어떤 업데이트가 반영되었는지 살펴보겠습니다.
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■ Ansys Granta Materials Data for Simulation (MDS) : 지원 버전, MDS 라이브러리 구성 및 재료 데이터

MDS와 Ansys Products 호환성
- 2019 R2 이후 출시된 모든 버전에서 사용 가능
- 별도 라이선스가 필요한 제품군이며, 라이선스를 보유한 상태라면 별도 프로그램 설치 없이 Ansys Solver 내부에서 사용 가능
- 최신 버전(2024 R2)를 기준으로 Ansys Mechanical™, Ansys Electronics Desktop (AEDT)™, Ansys Fluent®, Ansys Discovery™, Ansys Motor-CAD®에서 사용 가능
- 초기 버전 이후 사용 가능 범위는 Ansys Fluent, Ansys Discovery, Ansys Motor-CAD로까지 확대되어 구조, 유동, 전자기 해석에서 사용 가능

MDS 라이브러리 구성 : 2개의 세부 라이브러리 [Granta Materials Data for Simulation / Granta Producer Materials Data for Simulation]

1) Granta Materials Data for Simulation 라이브러리
- [그림 1]과 같이 라이브러리 형태가 재료의 분류에 따라 구성되어 있으며 구조, 유동, 전자기장 해석에서 공통으로 사용 가능

2) Granta Producer Materials Data for Simulation 라이브러리
- [그림 2]와 같이 라이브러리에서 제공되는 재료 데이터는 제조사와 제품명으로 구성되어 있으며, AEDT에서만 사용 가능함. 자기 해석을 위한 특화 라이브러리

[그림 1] Granta Materials Data for Simulation 라이브러리에 포함된 광범위한 재료 목록

[그림 2] Granta Producers Materials Data for Simulation 라이브러리에 포함된 제조사 목록

MDS에서 지원하는 재료 데이터

MDS는 지난 여러 번의 업데이트를 통해서 지속적인 신규 소재가 추가되었습니다.
2024 R2 버전을 기준으로 MDS에는 총 2600+개의 재료 데이터가 라이브러리에 포함되어 있으며, 이는 초기 출시 버전에서 제공했던 1500+개의 소재 데이터 대비 약 1.7배 증가하였습니다.

각 라이브러리에서 사용 가능한 데이터 수는 “Granta Materials Data for Simulation”에서는 750+개, “Granta Producers Materials Data for Simulation”는 1800+개의 제품 물성 데이터를 사용할 수 있습니다.

■ 사용 가능한 해석 물성 (구조, 유동, 전자기장)

MDS는 [표 1]에 나타낸 것과 같이 각 Ansys Solver에 따라서 여러가지 물성을 제공하고 있습니다. MDS에서 제공하는 데이터의 종류는 크게 상온 측정 값을 기준으로 하는 선형 데이터와 온도에 따라 변하는 비선형 물성 데이터, 주파수에 따라 변하는 비선형 물성 데이터, 소성, 초탄성 물성 등을 제공하고 있습니다. AEDT에서는 [표 1]에 제시된 Ansys Mechanical 해석 물성과 함께 “Granta Producers Materials Data for Simulation” 라이브러리를 함께 사용하여 해석 재료 물성을 적용할 수 있습니다.

Ansys Mechanical	Ansys Electronics Desktop
Linear Properties (Room Temperature) – Physical ü Density – Isotropic Elastic ü Young's modulus ü Poisson's ratio – Thermo-mechanical ü Thermal expansion coefficient – Thermal ü Thermal conductivity ü Specific heat capacity – Electrical ü Electrical resistivity – Failure ü Tensile yield strength ü Tensile ultimate strength) – Fatigue ü S-N Curve Non-Linear Properties (※ 일부 재료) – Temperature Dependent Properties – Plasticity ü Bilinear Isotropic Hardening ü Multilinear Isotropic Hardening – Hyperelastic ü Mooney-Rivlin ü Ogden ü Yeoh	Physical Properties - Isotropic Elastic ü Young's modulus ü Poisson's ratio - Thermo-mechanical ü Thermal expansion coefficient - Thermal ü Thermal conductivity ü Specific heat capacity Electrical & Magnetic Properties – Electrical conductivity – Dielectric loss tangent – Dissipation factor – Electrical resistivity – Frequency Dependent Properties Magnetic Properties – Magnetic coercivity – Core loss – Relative permeability – B-H curves (모든 데이터에 포함) – Frequency Dependent Properties
Ansys Fluent	Ansys Discovery
Linear Properties (Room Temperature) – Physical ü Density – Isotropic Elastic ü Young's modulus ü Poisson's ratio – Thermo-mechanical ü Thermal expansion coefficient – Thermal ü Thermal conductivity ü Specific heat capacity ü Thermal diffusivity – Electrical & Magnetics ü Relative permeability – Liquid ü Morecular mass ü Dynamic viscosity	Solid Materials ü Young's modulus ü Poisson's ratio ü Thermal expansion coefficient ü Thermal conductivity ü Specific heat capacity ü B-H curves ü S-N Curve ü Fluid ü Density ü Thermal expansion coefficient ü Thermal conductivity ü Specific heat capacity ü Viscosity -

[표 1] MDS에서 지원하는 Ansys Solver에 따른 해석 재료 물성

■ Ansys Solver에서 MDS 사용방법

MDS는 사용자가 쉽고 빠르게 재료 물성을 검색/정의할 수 있도록 Ansys Solver 내부에서 사용 가능한 인터페이스를 갖추고 있습니다. 사용자가 MDS 라이선스를 보유한 경우라면, 프로그램 추가 설치 없이 Ansys Mechanical, AEDT, Ansys Fluent, Ansys Motor-CAD 내부에서 즉시 사용 가능합니다.

Ansys Mechanical에서는 [그림 3]와 같이 “Materials Assignment” 기능을 이용하여 MDS를 사용할 수 있습니다. Engineering Data에서는 사용이 불가능하며, MDS를 사용하기 위해서는 반드시 Ansys Mechanical Application 내부에서만 사용 가능합니다. MDS 라이브러리를 활성화한 이후의 사용 방법은 [그림 4]와 같습니다. 키워드를 이용하여 재료 물성을 검색할 수 있으며, MDS에 정의된 Labels Tag 분류를 이용하여 재료를 검색할 수 있습니다.

[그림 3] Ansys Mechanical에서 MDS 라이브러리 사용을 위한 필수 작업

[그림 4] MDS 사용 과정 – Ansys Mechanical

AEDT에서는 기존 재료 물성을 할당하는 방법과 동일한 방법으로 사용 가능합니다. Body를 선택한 후 “Properties Window”에서 “Material>Edit”을 선택하면 Ansys Granta MDS 라이브러리를 선택할 수 있습니다. 이 과정에서 MDS 라이선스 확인 과정이 이루어집니다.
AEDT에서는 [그림 5]와 같이 MDS의 두 가지 라이브러리를 사용할 수 있으며, 사용자의 목적에 따라 라이브러리를 선택하여 물성을 정의할 수 있습니다. AEDT에서 MDS의 자세한 사용 방법은 [그림 5]에 나타낸 것과 같습니다.

[그림 5] MDS 사용 과정 – Ansys Electronics Desktop

Ansys Fluent에서도 기존의 재료 물성 할당 방법과 동일한 방법으로 MDS 사용이 가능합니다. “Materials” 탭에서 재료 선택을 위해 “Create/Edit”을 클릭한 후, “Granta MDS Database”를 선택합니다. “Granta MDS Database” 클릭 시점에서 MDS 라이선스의 확인 과정이 진행되며, 라이선스 확인이 완료되면 라이브러리에서 재료 선택이 가능해집니다. 재료 목록에서 재료 선택 후, “Copy”를 클릭하면 Ansys Fluent에서 MDS 재료 물성 사용이 가능합니다. Ansys Fluent에서의 MDS 사용방법은 [그림 6]에 나타낸 것과 같습니다.

[그림 6] MDS 사용 과정 – Ansys Fluent

Ansys Motor-CAD와 Ansys Discovery에서는 “Materials” 탭에서 MDS 라이브러리를 바로 사용할 수 있습니다. MDS 라이선스를 보유한 경우에만 MDS 라이브러리의 재료 물성이 선택 목록에 나타나며, 사용자는 바로 선택하여 재료 물성을 정의할 수 있습니다. Ansys Motor-CAD와 Ansys Discovery에서의 MDS 사용 방법은 각각 [그림 7]와 [그림 8]에 나타낸 것과 같습니다.

[그림 7] MDS 사용 과정 - Ansys Motor-CAD

[그림 8] MDS 사용 과정 - Ansys Discovery

맺음말

이번 호에서는 Ansys Granta Materials Data for Simulation(MDS)의 초기 출시 버전 이후 어떤 부분에서 업데이트가 진행되었는지 살펴보았습니다. 기존 출시 버전 대비 신규 재료 및 신규 비선형 해석 물성 등이 업데이트를 통해 추가되었고, 다물리계 해석 지원을 위해 다양한 Ansys Solver 연계성이 확대되었습니다. 이를 통해 다양한 산업군에서 재료 검색에 많은 시간을 허비하게 되는 해석 엔지니어에게 유용한 도구로서 도움이 될 것으로 생각됩니다.