앤시스 플루언트 IFSI를 이용한 풍하중 해석

앤시스 워크벤치를 활용한 해석 성공 사례

풍력발전기와 같은 대형 구조물은 구조적 안정성 측면에서 풍하중을 고려해야 한다. 이 때, 풍하중 해석은 유체 압력에 의한 구조물의 변형을 고려하기 때문에 FSI(Fluid-Structure Interaction) 해석을 수행해야 한다. 이번 호에서는 앤시스 플루언트(Ansys Fluent)만을 이용하여 FSI 해석을 수행할 수 있는 IFSI(Intrinsic FSI) 방법에 대해 알아보도록 하겠다.

■ 안홍석
태성에스엔이 FBU-F4팀의 매니저로, 중공업/제철/플랜트 산업군에서 Ansys Fluent 및 Discovery 등을 담당하고 있다.
이메일 | hsahn@tsne.co.kr
홈페이지 | www.tsne.co.kr

앤시스 제품군을 이용한 풍하중 평가방법

먼저, IFSI에 대해 알아보기 전에 앤시스 제품들을 이용한 풍하중 평가방법에 대해 알아보고자 한다.

일반적으로 풍하중과 같은 FSI 해석을 하기 위해서는 유동해석 프로그램인 앤시스 플루언트에서 계산한 데이터를 구조해석 프로그램인 앤시스 메커니컬(Ansys Mechanical)로 전달하여 해석하는 방법이 있다.(1-Way FSI 기준)

하지만, 이 방법은 두 개의 프로그램(앤시스 플루언트, 앤시스 메커니컬)을 사용할 수 있는 라이선스와 다룰 수 있는 지식이 필요하기 때문에, 비용과 시간이 많이 필요하다는 단점이 있다.

그림 1. 일반적인 1-Way FSI 해석 방법 및 결과

다른 대안으로는 유동해석의 압력 분포로부터 취약지점을 예측하는 방법이 있다.

앤시스 플루언트는 경계면에 작용하는 압력값을 이용해 특정 방향 및 지점을 기준으로 작용하는 Force와 Moment를 구할 수 있다. 하지만 이 방법을 이용해서 구조물에 걸리는 하중을 구해도 물성치를 초과하는 응력(Stress)을 확인할 수 없기 때문에, 직관적으로 풍하중을 평가하기에는 제약이 있다.

그림 2. 앤시스 플루언트를 이용한 압력분포 해석 결과

그림 3. 앤시스 플루언트를 이용한 Force report

또 다른 대안은 디스커버리 AIM(Discovery AIM)을 사용하는 방법이다. 디스커버리 AIM은 한 개의 플랫폼 안에서 구조, 유동, 전자기 등의 해석을 수행할 수 있고, 1-Way FSI와 같은 연성해석도 지원한다. 한 개의 플랫폼 안에서 사용하기 때문에, 사용법을 배운다면 플래그십 제품인 앤시스 플루언트와 앤시스 메커니컬의 해석 정확도에 준하는 결과를 얻을 수 있었지만, 아쉽게도 앤시스 2021 R1 버전을 마지막으로 현재 출시되고 있지 않다.

마지막은 이번 호에서 설명하고자 하는 IFSI를 이용한 방법이다. 앤시스 플루언트의 IFSI(Intrinsic FSI)는 앤시스 2019 R1 버전부터 지원하고 있는 기능이며, 앤시스 플루언트에 내장되어 있는 구조 모델(Structure Model)을 의미한다. 앤시스 플루언트 사용 환경에 익숙한 사용자가 별도의 라이선스 구매 없이 구조해석을 할 수 있다는 장점이 있다.

앤시스 플루언트 IFSI는 ▲유체 압력에 의한 구조물의 변형을 해석할 수 있는 1-Way FSI와 ▲그러한 구조물의 변형에 의해 유동장이 바뀌는 부분을 해석할 수 있는 2-Way FSI 모두를 지원하고 있다. 또한, Steady와 Transient 해석에서도 기능을 지원하고 있다.

그림 4. 앤시스 플루언트 IFSI를 이용한 1-Way FSI 해석 결과