Ansys Composite PrepPost를 활용한 필라멘트 와인딩 기법

 

Introduction

복합재는 우수한 강도와 내구성, 낮은 밀도 등의 특성으로 경량화와 고강도가 동시에 요구되는 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다. 이러한 특성 덕분에 복합재는 항공, 우주, 방위, 자동차 산업 등 경량화와 파괴 안전성이 중요한 부품에 필수적인 소재로 활용되고 있다. 복합재는 다양한 성형 방법이 존재하는데, 그 중 회전하는 형태의 복합재 구조물을 제작할 때 필라멘트 와인딩 공법이 자주 사용된다. 필라멘트 와인딩 기술은 복합재 압력 용기의 제조에서 중요한 역할을 하며, 고압 환경에서 사용되는 부품들의 경량화와 고강도 특성을 동시에 충족시킬 수 있는 뛰어난 성능을 발휘한다. 이러한 필라멘트 와인딩 기법을 더욱 효율적으로 적용하기 위하여, 이번 호에서는 Ansys Composite PrepPost(ACP)를 활용한 세 가지 주요 방법을 제시하고자 한다.

 

■ Ansys에서 제공하는 필라멘트 와인딩 기법

필라멘트 와인딩 공법은 복합재를 일정한 경로에 따라 감아서 구조물을 형성하는 방식으로, 특히 압력 용기나 탱크와 같이 고압 환경에서 사용되는 부품에 적용하는 것이 적합하다. Ansys는 필라멘트 와인딩 구조물의 설계를 지원하기 위해 ACP Python Scrip를 사용하는 방법, ACP Winding Wizard를 이용한 방법 그리고 CADWIND, CADFIL과 같은 외부 도구를 사용하는 방법 이렇게 3가지 주요 기법을 제공한다. 

■ ACP Python Script 사용

ACP는 파이썬 스크립트를 사용하여 필라멘트 와인딩 프로세스를 자동으로 처리하고, 사용자 요구에 맞게 제어할 수 있는 기능을 제공한다. 이를 통해 복합재 적층 모델을 정확하게 생성하고, 반복적인 작업을 효율적으로 수행하도록 해준다. 

[그림 1]은 금속 라이너 외부에 필라멘트 와인딩 기법을 통해 복합재가 감겨지는 복합재 탱크 구조물과 금속 인서트가 결합된 복합재 압력 용기의 예제 모델로, 스크립트를 활용하여 복합재 와인딩 적층 모델을 자동으로 생성하고자 한다.

 

그림 1. 복합재 압력 용기 예제 모델 형상 단면

 

먼저 스크립트를 사용하여 복합재 모델을 생성하기 위해 [그림 2]와 같은 Project 시스템을 구성한다.

 

 
그림 2. 복합재 모델을 생성하기 위한 시스템 구성

 

 

[그림 2]에서 surface body로 모델링된 압력 탱크(B: Mechanical Model 시스템)는 ACP(Pre)에서 와인딩 기법을 사용하여 solid composite 모델로 생성하고, 금속 인서트는 solid body로 모델을 생성한다(G: Mechanical Model 시스템). 이후 Solid body로 생성된 복합재 탱크 모델과 금속 인서트 모델을 해석 시스템(D: Static Structure)에서 결합시켜 해석하면 된다.

위 과정 중 ACP(Pre)를 사용하여 복합재 모델을 생성할 때 와인딩 기법을 사용하는데, 이때 라이너 위에 복합재가 감겨지도록 만들기 위해 파이썬 스크립트를 사용하며, 적층 정보의 정의는 [그림 3]과 같은 순서로 진행한다.

① ACP (Pre) 메뉴바에서 File > Run Script… 클릭
② 적층 패턴을 정의한 스크립트 선택

 

그림 3. ACP (Pre)에서 스크립트 파일 선택

 

 

[그림 3]에서 선택한 스크립트에는 [그림 4]에 보여지는 매개변수로 lay-up 정보를 정의한다.

 

 

그림 4. 스크립트에서 매개변수로 정의되는 lay-up 정보

 

 

[그림 4]에서 정의된 매개변수를 사용하여 와인딩 각도와 두께 정보를 불러오면, [그림 5]와 같이 Look-Up Table과 Modeling Group이 자동으로 생성된다.

 

그림 5. Run Script 작업에 의해 자동으로 생성된 Look-Up Table과 Modeling Group

 

 

자동으로 모델링 정보가 생성되면 이 정보를 기반으로 solid composite 모델을 생성한다. [그림 6]에서 보여지는 것처럼 Solid Model에서 마우스 우클릭 후 Create Solid Model을 선택하면, [그림 7]과 같이 스크립트에서 정의한 적층 정보를 기반으로 solid composite 모델이 생성된다.

 

 

그림 6. Composite Solid 모델 생성

 

그림 7. Python Script를 사용하여 생성한 Composite Solid 모델

 

 

생성이 완료된 composite solid 모델은 솔버가 있는 해석 시스템([그림 2]에서 Static Structural)으로 전달하여 solid body로 생성한 금속 인서트 형상과 결합되며, 이후 해석을 수행하면 된다. 이 과정에 대한 자세한 내용은 ANZINE Vol. 39 ACP를 활용한 필라멘트 와인딩 복합재 압력용기 구조 해석을 참고하기 바란다.

 

 

■ ACP Winding Wizard 사용

Winding Wizard는 축대칭 구조물에 대해 winding lay-up을 생성한다. 이 Wizard는 경로가 측지선 [Geodesic] (표면의 두 지점 사이의 가장 짧은 경로를 나타내는 곡선)인 간단한 적층 모델을 생성하는데 유용하다. 만약 복잡한 winding lay-up 작업이 필요하다면 ACP의 “Import from HDF5 Composite CAE File…” 기능을 사용하여 winding 전용 툴에서 정의한 lay-up 정보를 가져오는 것이 좋다.

Winding Wizard는 [그림 8]과 같이 ACP(Pre)의 메뉴바에서 Tools>Winding Wizard를 클릭하여 작업창을 활성화할 수 있다.

 

그림 8. Winding Wizard 시작하기

 

Winding Wizard를 사용하여 축대칭 구조물의 lay-up을 생성하기 위해서 입력해야 할 주요 입력 Data와 계산 방법은 다음과 같다.

 

[주요 입력 Data]
1) Origin(기준점): 축대칭 구조물의 대칭축 상에 있는 점
2) Axial Direction(축 방향): 축대칭 구조물에서 축을 따라 정의된 방향
3) Reference Radius(참조 반경): 원통의 반경 크기
4) Radius(반경): 표면의 임의 점에서 축대칭 축까지의 최소 거리

 

[Lay-up 계산 방법]
Layer의 두께와 각도는 Reference Radius를 기준으로 두 개의 수식을 통해 계산된다.

1) Thickness Correction(두께 보정): 각 layer의 두께는 식(1)로 계산된다. 이 보정 값은 각 layer의 두께가 실제 구조물의 반경에 맞게 조정될 수 있도록 계산해준다.

2) Angle Calculation(각도 계산): Lay-up 각도는 “측지선 경로(geodesic path)”에 따라 계산된다. 측지선 경로(geodesic path)는 특정 기준을 따라가는 곡선 경로를 의미하는데, 이 경로는 반경에 따라 일정한 값이 유지되도록 계산된다. const/radius가 [-1,1] 사이인 경우는 식(2)로 계산되며, 그렇지 않을 경우 식(3)으로 계산된다. 식(2)에서 const=reference_radius*sin(nominal_angle)로 계산된다.

 

이러한 내용을 기반으로 [그림 9]와 같이 Winding Wizard를 사용하여 와인딩 작업에 필요한 속성들을 정의할 수 있다.

- Reference Radius: 반경 크기
- Axial Direction: 축 방향 지정
- Fabric: 생성해둔 Fabric 선택 (Stackups, Sublaminates 지원하지 않음)
- Ply limits: “Has limits=True”인 경우, “Upper Limit”과 “Lower Limit” 열에 정의된 위치에서 ply가 끝남
- Add mirrored ply: True로 설정할 경우, 동일한 속성이지만 음의 각도가 있는 추가 layer가 생성됨
- Import From CSV: CSV로 저장된 layer 정보 가져오기

 

 

그림 9. Winding Wizard 설정창

 

 

그리고 Winding Wizard을 통해 와인딩 작업을 수행하면 Wizard에는 다음과 같은 항목들이 자동으로 생성된다.

- Cylindrical Rosette
- 축 방향을 따라 참조 방향을 정의하는 Oriented Selection Set
- 두께 보정 및 각도 정보가 포함된 Lookup Table
- Limits가 정의된 경우 Template Selection Rule
- Plies가 포함된 Modeling Group

 

다음으로 2.1절과 같이 자동으로 생성된 모델링 정보를 기반으로 solid composite 모델을 생성하면,  [그림 10]과 같이 적층 정보를 기반으로 solid composite 모델이 생성된다.

 

그림 10. Winding Wizard를 사용하여 생성한 Composite Solid 모델

 

 

■ CADWIND, CADFIL과 같은 외부 도구 사용

Ansys는 Composite CAE H5 인터페이스를 통해 CADWIND, CADFIL, μWind(Mefex GmbH)와 같은 외부 소프트웨어에서 생성된 복합재 적층 정보를 Ansys 환경으로 손쉽게 가져올 수 있다. 이 기능을 통해 사용자는 외부 툴에서 설계한 필라멘트 와인딩 데이터를 Ansys로 불러온 후, 후속 분석 및 최적화를 원활하게 진행할 수 있으며, 설계의 유연성과 효율성을 크게 향상시킬 수 있다.

ACP(Pre)에서 CADWIND, CADFIL, μWind와 같은 소프트웨어에서 생성된 복합재 적층 정보를 가져오는 방법은 다음과 같다.

 

[적층 정보 내보내기]
CADWIND, CADFIL, μWind 등의 소프트웨어에서 설계된 복합재 적층 정보와 관련된 파일을 *.HDF5 형식으로 내보낼 수 있다. 내보내진 적층 정보에는 stackup 정보, winding 각도, layer 두께, material type 등을 포함하고 있으며, ACP(Pre)에서 사용 가능하다.

[적층 정보 가져오기]
[그림 11]과 같이 *.HDF5 형식으로 저장된 파일은 ACP(Pre)에서 file import 기능을 사용하여 가져올 수 있다. HDF5 Composite CAE는 서로 다른 CAE 패키지 사이에 복합재 layup 정보를 정확하게 전달하며, ply, fiber 방향, 두께, 적층 순서 및 재료 정보 등이 포함되어 있다. 파일을 불러오는 작업이 완료되면 [그림 12]와 같이 적층 정보가 포함되어 있는 복합재 모델을 확인할 수 있다.

 

그림 11. 외부 소프트웨어에서 작업한 복합재 적층 정보 가져오기

 
그림 12. 적층 정보가 포함된 복합재 모델

 

 

맺음말

Winding 기법은 복합재의 여러 가지 성형 방법 중 축대칭 복합재 구조물 제작 시 널리 사용되고 있는 기술이다. 따라서 제품의 선행 해석을 진행하기 위해 Ansys ACP(Pre)의 파이썬 스크립트를 사용한 자동화된 해석 모델링, Winding Wizard를 통한 해석 모델링, CADWIND/CADFIL/μWind와 같은 외부 소프트웨어에서 생성한 적층 정보 기반의 모델링 방법을 사용하여 winding 복합재 모델을 효율적으로 생성하고 분석할 수 있다. 이러한 다양한 방법들을 활용한다면 Filament winding 기술이 점점 더 고도화되고 있는 때에 복합재의 품질과 생산성을 향상시키는데 기여할 수 있을 것으로 생각된다.