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▶ 68호 : 용접 해석 및 잔류 응력 평가 방법 알아보기

신주경 매니저
태성에스엔이
jgshin@tsne.co.kr

용접 해석 및 잔류 응력 평가 방법 알아보기

용접 기술은 자동차, 선박, 건설 그리고 에너지 산업에 이르기까지 다양한 산업 분야에서 지속적으로 핵심 기술 중 하나로 활용되고 있다. 또한 기술이 발전함에 따라 적용 분야도 점차 확대되고 있으며, 그로 인해 용접에 대한 해석적인 요구도 증가하고 있다. 이에 이번 호에서는 Ansys Mechanical에서 용접과 그에 따른 잔류 응력 해석을 수행하는 방법에 대해 소개하고자 한다.

용접 해석

용접은 금속 재료에 열을 가해 결합하는 방법으로, 이 때 재료가 녹아붙고 식으면서 다양한 응력과 변형이 발생한다.

용접 해석은 이러한 과정에서 발생하는 물리적인 현상을 시뮬레이션을 통해 이해하고 예측하는 작업이다. Ansys Mechanical과 같은 시뮬레이션 도구를 사용하여 실제 시험 없이도 용접 과정에서 발생하는 온도 분포, 재료의 변형 및 응력 분포를 예측할 수 있으며, 이를 통해 재료의 강도, 내구성, 그리고 부품의 구조적 안정성을 평가하고 개선하는 데 도움을 줄 수 있다.

ACT 설치 및 사용 방법

ACT는 ‘Ansys Customization Toolkit’의 줄임말로, 사용자 정의된 기능들을 활용하여 특정 목적을 위한 환경을 구축할 수 있도록 도구와 환경을 제공해 준다. 이를 통해 기존에 Ansys에서 제공하고 있던 기능을 개선하거나, 특별한 요구사항에 맞게 솔루션을 확장하고 적용할 수 있다.

이번 예제에서는 용접 해석 관련 ACT 중 WeldingDistortion이라는 ACT를 활용하였으며, 이 ACT는 그림 1과 같이 Ansys App Store에서 무료로 다운로드 받아 사용할 수 있다. (다운로드 링크: https://catalog.ansys.com/?q=Welding)

참고로 이 ACT는 2022 R2 버전까지는 사용 가능한 것으로 확인되었으며, ACT의 특성 상 버전이 업그레이드 될 경우 지원되지 않을 수 있다. 만약 2022 R2 버전보다 상위 버전을 쓰는 경우에 ACT가 정상적으로 작동하지 않으면 2022 R2 이하의 버전을 사용하는 것을 추천한다.

[그림 1] ACT 다운로드 위치: Welding Distortion

ACT 설치 및 실행 방법은 아래와 같다.

Ansys App Store에서 ‘Welding Distortion’ 다운로드 및 압축 해제

Workbench 실행

Extensions > Install Extension… > Welding Distortion.wbex 파일 열기(그림 2)

Extensions > Manage Extensions… > Welding Distortion 체크 박스 활성화(그림 3)

[그림 2] Workbench에서의 ACT 설치 방법

[그림 3] Extension에서의 ACT 활성화 방법

ACT가 정상적으로 설치되었는지는 Mechanical 창을 실행해 보면 알 수 있다. 그림 4와 같이 Mechanical 창에서 Automation 탭을 선택하고, 가장 오른쪽에 있는 Open Wizard 버튼을 클릭하면 Wizard 목록에서 Welding Distortion ACT를 확인할 수 있다.

[그림 4] Wizard 목록에서 ACT 확인

그리고 Wizard 목록에서 Welding Distortion을 클릭하면 그림 5와 같은 설정창을 확인할 수 있다.

[그림 5] Welding Distortion Wizard 설정 창

각 설정 칸에 알맞은 값을 입력해주면 ACT 내부 알고리즘을 통해 용접 해석에 필요한 기능들이 자동으로 사용된다. 이를 통해 용접 해석을 처음 접하는 사용자들도 아주 쉽게 해석을 수행할 수 있다. 각 설정에 대한 자세한 설명은 Wizard 창에 서 확인할 수 있으며, 그림 6을 통해서도 확인할 수 있다.

[그림 6] Welding Distortion 설정 별 세부 설명

ACT를 활용한 용접 해석

용접 해석을 위한 모델로 일반적으로 가장 많이 사용되는 T-Joint 모델을 선정하였으며, 간단한 해석 진행을 위하여 T-Joint 중 한 쪽만 해석 모델로 사용하였다. 그리고 이 모델에는 Ansys Mechanical 기본 제공 재료인 Structural Steel이 적용되었다.

[그림 7] 해석 모델: T-Joint

용접이 진행됨에 따라 변화하는 온도 분포와 그에 따른 열 응력 및 변형을 알아보기 위하여 Transient Thermal 시스템과 Static Structural 시스템을 연결해 열-구조 연성 해석을 수행하였다. 이번 예제의 경우에는 처음부터 두 시스템을 연결해 놓지 않으면 ACT 사용 시 에러가 발생할 수 있다. 그렇기 때문에 반드시 ACT를 사용하기 전에 먼저 두 시스템을 연결하고, 그 다음 과정을 진행해야 한다.

[그림 8] 해석 시스템 연결 방법

우선, ACT를 활용하기 위해서는 2개의 Named Selection이 필요하다. Weld Line에 해당하는 Body들을 선택하여 ‘WLINE1’이라는 이름으로 첫 번째 Named Selection을 추가하고, 용접이 시작되는 비드 1개를 선택하여 ‘B1_WL1’이라는 이름으로 두 번째 Named Selection을 추가한다. 참고로 해당 이름들은 ACT에 지정되어 있는 이름이며, 다른 이름을 사용할 경우 ACT가 인식하지 못한다. 따라서 Weld Line을 추가하고 싶은 경우에는 WLINE2, WLINE3의 순서로 추가해야 하며, 용접 비드 이름은 B1_WL2, B1_WL3의 순서로 추가해야 한다.

[그림 9] Named Selection: WLINE1

[그림 10] Named Selection: B1_WL1

Named Selection 설정이 완료되면 본격적으로 ACT를 사용한다. Mechanical 창 상단에서 Automation 탭을 선택하고 Open Wizard 버튼을 클릭하면 그림 11과 같이 Weld Distortion Wizard를 확인할 수 있다.

[그림 11] Weld Distortion Wizard 위치

Wizard를 실행하면 목적에 맞게 설정 값들을 변경할 수 있다. 이번 예제에는 그림 12와 같은 설정들이 사용되었다.

[그림 12] 예제에 사용된 ACT 세부 설정 값

그림 12에 나와있는 여러가지 설정 중 ‘N of welding bodies on each welding toes’는 유일하게 Table의 형태로 값을 입력하는 설정이다. 해당 설정의 경우 설정 칸 옆의 Edit 버튼을 누르면 그림 13처럼 Tabular Data를 입력할 수 있는 창이 추가적으로 열리게 된다.

[그림 13] Tabular Data 입력 창

Welding toes가 1개일 경우에는 그림 13과 같이 Table에 행을 1개만 추가해주면 되며, Welding Line을 이루고 있는 비드(Body)들의 총 개수를 입력하면 된다. 이번 예제의 경우에는 Welding toes가 1개만 존재하기 때문에 1개의 행만 추가하였으며, 해당 Weld Line에 포함되어 있는 Body가 10개 이기 때문에 Number of Bodies에 10을 입력하였다.

모든 설정 값 입력을 완료한 후 Finish 버튼을 누르면 ‘Executing current step…’이라는 메시지 창이 뜨는 것을 확인할 수 있다. 이 창이 떠 있는 동안 Mechanical에서는 입력된 설정 값들을 토대로 Named Selection, Element Birth/Death, Analysis Setting 등의 용접 해석에 필요한 해석 조건들을 자동으로 생성 및 설정해 준다.

[그림 14] 자동으로 설정되는 해석 조건들

ACT를 활용하여 용접 해석에 필요한 전반적인 해석 조건 설정을 진행하였다면, 마지막으로 고정 조건과 Convection 조건을 추가한다. T-Joint를 고정하기 위해 한 쪽 면을 선택하여 Fixed Support로 지정하고, Melting Temperature 조건이 적용되는 용접 비드 면들을 제외한 나머지 면들을 모두 선택하여 (Convection 조건 : Film Coefficient:10 W/m² )을 부여한다. 그리고 모든 해석 설정이 완료되었으면 Solve 버튼을 눌러 해석을 수행한다.

[그림 15] Fixed Support 조건

[그림 16] Convection 조건

해석이 완료되면 그림 17과 같이 용접이 진행됨에 따른 온도 분포 변화와 변형량, 응력 결과 들을 확인할 수 있다. 그리고 이 외에도 열 및 구조 해석을 수행했을 때 확인할 수 있는 결과들은 모두 확인 가능하다. 이 결과들은 Workbench 환경을 활용하면 굉장히 간단한 설정 만으로도 잔류 응력 해석의 Input Data로 사용하는 것이 가능하며, 이를 통해 용접에 의해 발생하는 잔류 응력에 대한 평가를 수행할 수 있다.

(a)온도 결과 (b) 변형량 결과 (c)응력 결과

[그림 17] 용접 해석 결과

잔류 응력 해석

잔류 응력이란, 외력에 의해 물체에 변형이 발생한 후 외력이 제거된 상태에서도 재료에 남아 있는 응력으로, 제조 과정에서 제품의 불균일한 가열 또는 냉각, 제조 공정(주조, 용접) 등에 의해 발생할 수 있다. 만약 제품에 잔류 응력에 남게 되면 이로 인해 피로 수명 및 파괴 강도가 저하될 수 있다.

이번 장에서는 용접에 의해 T-Joint 내부에 발생한 잔류 응력을 확인하는 예제에 대해 설명하려한다. 잔류 응력 해석을 수행하면 용접의 전체적인 과정 중 Cooling 이후의 최종 변형 형상과 응력 결과를 확인할 수 있다. 이를 위해서는 앞서 진행했던 용접 해석의 변형 형상과 응력 데이터가 필요하다.

우선, 앞선 용접 해석의 변형 형상을 가져오기 위해서는 두 시스템 간의 연결이 필요하다. 용접 해석과 잔류 응력 해석 시스템을 연결하는 방법은 아래와 같다.

Project Schematic 창에 새로운 Static Structural 시스템 추가

용접 해석(B 시스템)의 Solution 셀과 잔류 응력 해석(C 시스템)의 Model 셀 연결 및 업데이트

작업을 차례로 진행하면 그림 18과 같이 각 시스템들이 연결되는 것을 확인할 수 있으며, 이 과정을 통해 용접 해석의 최종 변형 형상을 업데이트 하는 것이 가능하다.

[그림 18] 잔류 응력 해석을 위한 시스템 연결 방법

두 시스템을 연결하는 것을 완료하면 잔류 응력 해석(C 시스템)의 Geometry로 용접 해석의 최종 변형 형상이 업데이트 된 것을 Geometry 탭에서 직접 확인할 수 있다. 그림 19와 같이 용접 해석 전 후 모델의 형상을 비교해보면 두 형상이 다른 것을 확인할 수 있다.

[그림 19] 용접 해석 전/후 모델 비교

변형 형상을 가져오는 것이 완료되었으면 해당 형상에 Mapping 시킬 용접 해석의 응력 데이터를 가져와야 한다. 그 방법은 아래와 같다.

용접 해석(B 시스템)의 Environment에 Command 추가

Command에 ‘INISTATE, WRITE, 1, , , , o, s’ 입력(그림 20)

Solve 버튼을 눌러 재 해석 수행

해당 해석의 Working Directory에서 ‘file.ist’ 파일 확인

잔류 응력 해석(C 시스템)의 Environment에 Command 추가

Command에 ‘INISTATE, READ, FILE, IST, file.ist 파일 저장 경로’ 입력(그림 21)

[그림 20] 응력 결과를 저장하는 Command

[그림 21] 응력 결과를 불러오는 Command

Command 설정을 마치면, 용접 해석과 동일하게 T-Joint를 고정하기 위해 한 쪽 면을 선택하여 Fixed Support 조건을 적용한다. 이렇게 해석을 설정하면 용접된 물체가 Cooling 과정을 거치며 탄성 복원되는 과정과 결과를 확인하는 것이 가능하다.

[그림 22] Fixed Support 조건

그림 23은 Mapping된 응력을 바탕으로 탄성 복원에 의한 변형량 및 응력 결과를 확인한 것이다. 변형량 결과를 통해 탄성 복원된 양을 확인할 수 있으며, 응력 결과를 통해 최종 잔류 응력이 얼마나 남았는지를 알 수 있다.

[그림 23] 잔류 응력 해석 결과

맺음말

지금까지 ACT를 활용하여 용접 해석을 수행하는 방법과, 용접 해석의 변형 형상과 응력 결과를 기반으로 잔류 응력 해석까지 수행하는 방법에 대해 알아보았다. 용접 및 잔류 응력 해석은 구조물의 안전성과 신뢰성을 확보하는 데 중요한 요소이며, ACT와 같은 도구를 활용함으로써 이러한 과정을 보다 효율적으로 수행할 수 있게 된다. 향후에도 이러한 분야에서의 기술적 발전과 함께, 더 나은 해석 방법과 도구들이 개발될 것으로 기대한다.

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