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▶ 68호 : Ansys Granta Selector를 이용한 최적 재료 선정 프로세스

최귀진 매니저
태성에스엔이
kjchoi@tsne.co.kr

Ansys Granta Selector를 이용한 최적 재료 선정 프로세스

초기 제품 설계 단계에서 ‘더 가벼운 소재로 변경할 수 없을까?’, ‘공정 과정을 바꾸지 않고 제품의 강도를 유지하는 다른 소재로 변경할 수 없을까?’와 같은 대체 소재 탐색에 대한 필요성을 느끼게 됩니다. Ansys Granta Selector는 초기 제품 설계에서 재료 물성 데이터의 시각화를 체계적인 대체 소재의 비교/탐색을 위한 소프트웨어입니다.

이번 호에서는Ansys Granta Selector 주요 기능들을 이용하여 대체 소재 선택을 위한 탐색 과정을 수행하고, 이를 Ansys Workbench 환경에서 검증 해석을 수행하는 최적 재료 선정 프로세르를 소개합니다.

Ansys Granta Selector란?

Ansys Granta Selector는 초기 제품 설계 단계에서 제품에 적용할 소재를 선택하거나 기존 소재를 대체할 대안 소재를 손쉽게 탐색하기 위한 소프트웨어입니다. Ansys Granta Selector에서는 [그림 1]과 같이 데이터베이스에 저장된 소재의 물성 데이터를 ‘Ashby Charts’ 라고 불리는 그래프를 통해 시각화가 가능합니다. 이러한 물성데이터의 시각화를 통해 사용자로 하여금 소재 물성의 직관적인 비교가 가능하게 하여 여러 종류의 소재 비교를 가능하게 합니다. 또한, 제품 설계에서 요구 되는 설계 사양, 공정 조건, 제한 사항 등을 그래프에 단계별로 적용함으로써 [그림 2]와 체계적인 프로세스에 근거한 소재 탐색이 가능하도록 합니다.

[그림 1] Ansys Granta Selector 물성 데이터 시각화

[그림 2] Ansys Granta Selector 소재 선택 방법론

Ansys Granta Selector는 폭넓은 데이터베이스를 갖추고 있어 다양한 산업군에서 활용 가능합니다. 데이터베이스는 기본적으로 제공되는 ‘Core Data’ 데이터베이스와 사용 목적에 따라 별도로 구매가 가능한 ‘Metals’, ‘Polymers’, ‘Composites’, ‘Medical’ 등 번들 형태 데이터베이스가 제공되고 있습니다. 기본적으로 제공되는 ‘Core Data’ 데이터베이스에는 소재에 대한 일반적인 특성 데이터와 함께 가격, 탄소 배출량, 관련 법규 등 다양한 데이터를 포함하고 있으며, 해석에 활용 가능한 여러 종류의 비선형 데이터를 제공합니다.

[그림 3] Ansys Granta Selector 데이터베이스 목록

Ansys Granta Selector 주요 기능

Ansys Granta Selector에는 다양한 조건에 부합하는 최적 재료를 탐색하고, 이를 해석에 적용하여 검증하는 최적 재료를 선정하기 위한 일련의 프로세스를 수행할 수 있는 기능을 포함하고 있습니다.

1. 소재 물성 데이터 시각화 (Ashby Chart)

첫번째로 소개할 기능은 소재 물성 데이터의 시각화입니다. Ansys Granta Selector는 [그림 4]와 같이 데이터베이스의 모든 소재를 대상으로 물성 데이터를 그래프 형태로 시각화합니다. [그림 4]는 밀도(Density)와 탄성 계수(Young’s Modulus)를 대상으로 소재 물성 데이터를 시각화하여 나타낸 것이며, 이러한 그래프 형태를 ‘Ashby Chart’ 라고 하며 소재 물성 데이터의 직관적인 비교를 가능하게 합니다.

[그림 4] 재료 물성 데이터 시각화 (Density vs Young's Modulus)

2. 소재 물성 필터링

두번째 기능은 필터링 기능입니다. 필터링 기능은 최적 재료를 탐색하는 과정에서 제품의 설계 요구 사양 및 제한 사항 등을 탐색 과정에서 적용하여 조건에 적합한 결과를 나타내는 기능입니다. 필터링 조건을 만족하는 결과는 ‘Ashby Chart’에 반영되어 표시되며, 순차적인 필터링을 통해 설계 요구 사항 및 제한 조건을 적용할 수 있습니다. [그림 5] 은 밀도(Density)와 탄성 계수(Young’s Modulus)를 표현한 Ashby Chart에 설계 제한 사항(‘Yield Strength’ > 100MPa)을 적용한 결과입니다.

[그림 5] 설계 제한 사항 필터링 적용 결과

3. 소재 물성 해석 적용 (Export)

마지막으로 소개할 기능은 Ansys Granta Selector를 이용하여 선택한 최적 소재의 물성데이터를 해석에 적용하는 기능입니다. 최적 소재로 선택된 재료들을 실제 설계에 반영하기에 앞서 해석을 통해 사전에 빠른 검토를 수행하도록 합니다. Ansys Granta Selector에서 지원 가능한 ‘Export’ 소프트웨어 목록은 [그림 6]과 같습니다. ‘Export’된 소재 물성 데이터는 소프트웨어에서 사용 가능한 특정 텍스트 파일 형식으로 저장됩니다.

[그림 6] Ansys Selector Export 기능 지원 소프트웨어

Ansys Workbench를 사용하는 경우에는 [그림 7]과 같이 Component system에 위치한 ‘Granta Selector’를 이용하여 Project Schematic을 구성함으로써 텍스트 파일형식을 이용하는 방법에 비해 더욱 손쉽게 해석에 적용할 수 있습니다.

[그림 7] Ansys Workbench에서 Ansys Selector 활용 방법

예제를 통한 Ansys Granta Selector를 활용한 소재 변경 해석 프로세스

앞서 설명한 Ansys Granta Selector 주요 기능을 이용하여 기존 제품의 소재 변경을 위해 최적 소재를 탐색하고, 이를 Ansys Mechanical로 검증하는 제품 초기 설계 과정을 살펴보겠습니다. 준비된 예제 모델은 Valve와 Flange로 구성되어 있으며 [그림 8]에 나타낸 것과 같습니다. 예제에서는 전체 모델의 초기 소재를 ‘Structural Steel’로 가정합니다.

[그림 8] 예제 모델 (Valve+Flange Assembly)

1. Ansys Mechanical로 초기 해석 수행하기

초기 소재를 ‘Structural Steel’로 지정하여 모델에 대한 구조 해석을 진행합니다. 이 과정에서는 모델에 하중 및 경계 조건을 부여하여 구조물의 안정성을 확인하고, 이를 토대로 설계 요구 사항을 산정합니다. 예제 모델에 적용한 하중 및 경계 조건은 [그림 9]과 같이 적용하였고, 모든 접촉 조건은 ‘Bonded’ 조건으로 가정하여 수행합니다.

[그림 9] 선형 정적 해석을 위한 하중 및 경계 조건

구조 해석에 대한 결과는 [그림 10]과 같습니다. 초기 소재로 선택된 ‘Structural Steel’에 대한 해석 결과에서 Max. Equivalent Stress는 138.72 MPa이며, 이를 기준으로 안전율(Safety Factor)을 적용한 설계 요구 사양은 [표 1]과 같습니다. 본 예제에서는 최소 설계 요건(Minimum)을 기준으로 최적 재료를 선정합니다.

[그림 10] 예제 모델에 대한 해석 결과

[표 1] 해석 결과 기반의 설계 요구 사양

2. Ansys Workbench에서 Project Schematic 구성하기

최적 재료 선택 과정에서 Ansys Workbench를 이용하는 경우, [그림 11]에서와 같이 ‘Toolbox’ 탭에서 ‘Granta Selector’를 선택하여 Project를 구성할 수 있습니다. ‘Granta Selector’에서 선택한 최적 재료의 물성 데이터는 ‘Engineering Data’을 통해 시스템 간 공유되며, 특정 텍스트 파일 형식으로 데이터를 내보내지 않아도 해석 재료의 물성 데이터를 바로 이용할 수 있습니다. 초기 해석 모델과 최적 재료 해석 모델의 비교를 위하여 구성한 Project는 [그림 13]에 나타낸 것과 같습니다.

[그림 11] Ansys Workbench에서 Granta Selector를 이용한 Project 구성하기

3. Ansys Granta Selector를 사용하여 최적 재료 선정하기

Ansys Granta Selector에 설계 요구 사항을 적용하여 최적 소재를 선정하는 단계입니다. Ansys Granta Selector의 주요 기능인 소재 물성 데이터 시각화, 소재 물성 필터링을 사용하여 최적 소재 후보군을 탐색합니다. 최적 소재를 선정하기 위한 예제 모델에서의 설계 요구 사항 및 목적 함수는 [표 2]에 나타낸 것과 같습니다.

[표 2] 최적 재료 선정을 위한 설계 요구 사항 및 목적 함수

[표 2]에 제시된 목적 함수 ‘Max Strength’와 ‘Minimum Cost’는 ‘Chart/Select’ 기능을 사용하여 [그림 12]와 같이 ‘Ashby Charts’로 생성할 수 있습니다. ‘Ashby Charts’의 X축은 ‘Price per unit volume’으로 지정하고, Y축은 ‘Tensile Strength’로 설정합니다. 해당 설정에 대한 ‘Ashby Charts’ 결과는 [그림 13]과 같습니다.

[그림 12] ‘Chart/Select’ 기능으로 목적 함수 적용

[그림 13] Price per unit volume vs. Tensile Strength에 대한 ‘Ashby Charts’

[그림 13]의 ‘Ashby Charts’를 통해 X축 값이 작아질수록 Cost가 감소하고, Y축 값이 커질수록 Strength가 커짐을 확인할 수 있으며, 이를 토대로 ‘Ashby Charts’에서 좌상단에 위치한 소재가 최적 소재가 될 가능성이 높다는 것을 확인할 수 있습니다.

[표 2]의 설계 요구 사항은 ‘Ashby Charts’에 ‘Limit’와 ‘Tree’ 기능을 사용할 수 있으며, 순차적으로 적용함으로써 최적 소재 후보군의 범위를 줄여갈 수 있습니다. 먼저, ‘Tree’ 기능을 통해 설계 요구 사항 중 ‘Casting’ 공정이 가능한 소재로 후보군을 선정합니다. ‘Tree’ 기능을 이용하는 과정은 [그림 14]와 같고, ‘Casting’ 공정 조건이 적용된 결과는 [그림 15]과 같이 ‘Ashby Charts’에 적용되어 표시됩니다. ‘Casting’ 공정이 불가능하여 최적 소재의 후보군에서 제외된 항목들은 [그림 15]에서와 같이 회색으로 비활성화 되는 것을 확인할 수 있습니다.

[그림 14] ‘Tree’ 기능으로 설계 요구 사항 적용 (Casting Process)

[그림 15] ‘Tree’ 기능이 적용된 ‘Ashby Charts’ 결과 (684개 소재 후보군)

공정 조건을 제외한 나머지 설계 요구 사항은 ‘Limit’ 기능을 통해 순차적으로 적용 가능합니다. ‘Limit’ 기능으로 최적 소재 후보군에서 제외된 소재들은 ‘Tree’ 기능을 사용한 결과와 동일하게 ‘Ashby Charts’ 상에서 비활성화되어 회색으로 표시됩니다.

각 설계 요구 사항을 ‘Limit’ 기능으로 적용하는 과정은 [그림 16]에 나타낸 것과 같습니다. 설계 요구 사항은 데이터베이스에 저장되어 있는 물성 항목을 기반으로 설정 가능합니다. 설계 요구 사항까지 모두 반영한 ‘Ashby Charts’ 결과는 [그림 17]과 같습니다.

[그림 16] ‘Limit’ 기능으로 설계 요구 사항 적용

[그림 17] ‘Limit’ 기능이 적용된 ‘Ashby Charts’ 결과 (58개 소재 후보군)

[표 2]의 모든 설계 요구 사항이 적용된 ‘Ashby Charts’를 기반으로 58개의 소재 후보군 중 최소 Cost 및 최대 Strength를 만족하는 조건(그래프 상 좌상단에 위치)에 대한 3가지 소재(EN GJL 250, EN GJL 300, EN GJS 400 18 LT)를 [그림 18]과 같이 ‘Ashby Charts’에서 선택할 수 있습니다.

[그림 18] Ansys Granta Selector를 이용한 최적 소재 선택 결과

4. Ansys Mechanical에서 소재 변경하여 재해석 수행

Ansys Granta Selector로 선정된 최적 재료들은 [그림 19]과 같이 ‘Export’ 기능을 통해 ‘Engineering Data’에서 바로 사용 가능합니다. Ansys Granta Selector를 통해 공유된 소재 물성 데이터를 Ansys Mechanical에서 파라미터로 지정하여 수행하였고, 소재 변경에 따른 해석 결과는 [그림 20]에 나타낸 것과 같습니다.

[그림 19] Ansys Granta Selector를 이용한 최적 소재 선택 결과

[그림 20] Ansys Granta Selector를 이용한 최적 소재 선택 결과

맺음말

이번 호에서는 Ansys Granta Selector의 주요 기능을 소개하면서, 소재 변경 및 최적 소재 선정하는 과정에서 Ansys Workbench와 Ansys Granta Selector을 이용하여 예제를 수행했습니다. 이를 통해 최적 재료 선정 과정에서 Ansys Granta Selector가 어떤 방식으로 최적 재료를 탐색하고, 선정 과정을 얼마나 체계적으로 수행할 수 있는지 확인하였습니다.