앤시스 워크벤치를 활용한 해석 성공 사례
 

이번 호에서는 앤시스 플루언트(Ansys Fluent)에서 동적변형격자 기법(MDM)을 활용해 감속기 내부의 오일 순환 현상을 예측하고, 열전달 해석을 통해 감속기 내부의 온도 분포를 예측하는 과정을 살펴본다.

■ 김우택
태성에스엔이의 매니저로, 열/유동과 관련된 컨설팅과 기술 지원, 교육 등의 업무를 담당하고 있다.
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자동차나 선박, 기차를 비롯한 여러 기계장치에는 감속기가 널리 사용된다. 이 감속기 내부에는 여러 개의 기어가 서로 맞물려 축과 베어링이 함께 회전한다. 이 회전에 의해 마모와 발열이 발생하는데 이를 방지하기 위해 오일을 이용한다.
감속기 내부에는 일정량의 오일이 채워져 순환하도록 설계하는데, 이 오일의 윤활이나 냉각 성능의 확보는 감속기의 성능과 내구에 가장 중요한 요소이다. 때문에 오일 경로나 내부 구조 등을 설계할 때 초기 단계에서 다양한 검토가 이루어져야 한다. 하지만 모형을 통한 시험은 시간과 비용 측면에 있어 다방면으로 고려하기에는 다소 무리가 따른다. 
따라서 전산유체역학(CFD)을 통해 기존 시험의 단점을 극복하고 다양한 형상이나 작동조건 등에 따른 유동 특성을 예측할 수 있다. 이번 호에서는 감속기를 최대한 현실에 가깝게 모사함으로써 오일의 순환 구조를 평가하고, 기어의 동력손실에 의한 발열이 최종 온도분포에 미치는 영향을 예측하였다.

1. 해석 절차
오일의 비산과 발열 현상을 모사하기 위해 <그림 1>과 같은 프로세스로 해석을 수행하였다. 먼저 기어에 걸리는 토크나 오일 경로(path)에서의 유량, 외부 누유량, 모든 부품의 대류열전달계수를 비정상 유동해석을 통해 예측한다. 다음으로는 앞서 산출된 대류열전달계수와 수계산으로 얻은 동력손실(발열량)을 부품들의 열 경계조건으로 입력한 뒤 정상상태 열해석을 수행한다. 이렇게 얻은 결과를 토대로 최종 감속기의 온도 분포를 확인할 수 있게 된다.

그림 1. 해석 절차