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4.1 구조 해석: 부품-프로펠러

1. 형상​

그림 1. 프로펠러 형상 소스 선택

이 화면은 구조 부품 워크플로의 첫 단계를 보여줍니다. 3D 뷰어에 프로펠러 모델이 표시되고, 하단 단계 탐색 바에는 전체 해석 과정인 Create Propeller, Material, Constraints, Loads, Mesh, Run이 표시됩니다. 이 단계에서는 재료 특성이나 해석 조건을 지정하기 전에 프로펠러 형상을 준비합니다.

첫 단계에서 구조 해석에 사용할 프로펠러 형상을 생성합니다.

1.1. 파라메트릭 설계​

그림 2. 현재 워크벤치에서 생성된 프로펠러

이 그림은 파라메트릭 프로펠러 설계 창을 보여줍니다. 블레이드 수와 허브를 설정하고 블레이드 단면 파라미터를 입력할 수 있습니다. 화면 오른쪽에는 생성될 프로펠러 형상이 미리 표시되므로 최종 모델을 생성하기 전에 형상 변경이 올바르게 적용되었는지 시각적으로 확인할 수 있습니다.

파라메트릭 프로펠러 생성 화면에서는 단면 및 회전축 파라미터를 입력하여 프로펠러 형상을 정의합니다. 화면은 Root Section, Mid Section, Tip Section, Rotation Axis의 네 탭으로 구성됩니다.

Blade Count는 블레이드 수를 지정합니다.

1.1.1. 단면(Root, Mid, Tip)​

세 단면 탭은 블레이드 스팬 방향의 서로 다른 위치에서 같은 종류의 파라미터로 단면 형상을 정의합니다.

  • Width: 해당 단면의 시위 길이
  • Alpha: 시위선과 기준축 사이의 각도
  • Beta: 해당 위치의 스윕 또는 비틀림각
  • Leading Edge Radius: 앞전 곡률의 상대 반경
  • Trailing Edge Radius: 뒷전 곡률의 상대 반경
  • Thickness: 에어포일의 최대 두께
  • Max Thickness Position: 시위선을 따라 최대 두께가 위치하는 지점
  • Depth: 허브 중심에서 해당 단면까지의 반경 방향 거리

1.1.2. 회전축 파라미터​

  • Blade Count: 전체 블레이드 수
  • Use Cap: 허브 중심에 반구형 솔리드를 포함할지 여부
  • Hub Outer Diameter: 허브 외경
  • Hub Inner Diameter: 허브 내경
  • Hub Height: 회전축 방향의 허브 높이

필수 값을 입력한 뒤 Create를 클릭하여 프로펠러 형상을 생성합니다.


2. 모델: 재료 특성​

그림 3. 프로펠러 재료 특성

이 화면은 프로펠러 형상을 생성한 후의 Assign Material 단계를 보여줍니다. 뷰어에 프로펠러가 표시되고 오른쪽 재료 패널에는 Young's modulus, 밀도, Poisson's ratio, 인장 강도 및 항복 강도와 같은 기계적 특성의 편집 필드가 나타납니다. 선택한 프로펠러 요소가 Selected Elements 표에 표시되므로 재료가 올바른 솔리드 본체에 적용되는지 확인할 수 있습니다.

Assign Material 단계에서 선택한 프로펠러 요소에 재료를 지정합니다. 프리셋 재료를 선택하거나 다음 값을 직접 입력할 수 있습니다.

  • Material Name: 선택한 요소에 지정할 재료명
  • Young's Modulus: 재료의 탄성 강성
  • Poisson's Ratio: 축 방향 변형률에 대한 횡 방향 변형률의 비
  • Density: 단위 체적당 질량
  • Thermal Expansion: 열팽창 계수
  • Tensile Strength: 인장 파손 전 최대 응력
  • Yield Strength: 영구 변형이 시작되는 응력

캔버스에서 대상 프로펠러 요소를 선택하고 Selected Elements 표에 표시되는지 확인한 뒤 Assign을 클릭합니다.


3. 물리 조건: 구속​

그림 4. 프로펠러 구속 조건 추가

이 그림은 구속 조건 지정 인터페이스를 보여줍니다. 3D 뷰어에서 블레이드 영역이 강조 표시되고 오른쪽 패널에는 Fixed Support와 Enforced Displacement 두 가지 구속 옵션이 제공됩니다. 하단 구속 목록에서는 모델에 이미 추가된 경계 조건을 확인할 수 있습니다.

구속 조건은 Fixed Support와 Enforced Displacement를 지원합니다.

3.1. 고정 지지​

Fixed Support는 선택한 면이나 영역의 움직임을 완전히 구속합니다. 일반적으로 모터축에 연결되는 허브 또는 장착부에 적용합니다.

3.2. 강제 변위​

Enforced Displacement는 선택한 요소에 지정 변위를 적용합니다.

  • DX [mm]: X 방향 변위
  • DY [mm]: Y 방향 변위
  • DZ [mm]: Z 방향 변위

대상 요소를 선택한 뒤 선택 목록을 확인하고 Assign을 클릭합니다.


4. 물리 조건: 하중​

그림 5. 프로펠러 압력 하중 추가

이 화면은 하중 지정 단계를 보여줍니다. 뷰어에서 선택한 프로펠러 영역이 강조 표시되고, 하중 패널에서 분포 Pressure 또는 방향성 Facial Force를 적용할 수 있습니다. 이 단계에서 구조 해석 중 프로펠러에 작용할 외력을 정의합니다.

외력은 Pressure 또는 Facial Force로 정의합니다.

4.1. 압력​

Pressure는 선택한 면의 법선 방향으로 분포 하중을 적용합니다. 압력값을 N/m² 단위로 입력합니다.

4.2. 면력​

Facial Force는 선택한 면에 힘 성분을 직접 적용합니다.

  • FX [N]: X 방향 힘
  • FY [N]: Y 방향 힘
  • FZ [N]: Z 방향 힘

대상 면이 선택 목록에 표시되는지 확인한 뒤 Assign을 클릭합니다.


5. 해석: 격자와 정확도​

그림 6. 격자 옵션과 실행 중인 구조 해석

이 그림은 격자를 생성하기 전의 격자 설정 패널을 보여줍니다. 슬라이더로 Simulation Accuracy 수준을 조절하고, 향상된 격자, 고정밀 격자 또는 고급 격자 옵션을 선택적으로 활성화할 수 있습니다. 이러한 설정에 따라 생성되는 유한요소 격자의 상세 수준이 결정됩니다.

Simulation Setting 단계에서 해석 실행 전에 격자와 정확도 수준을 설정합니다.

5.1. 시뮬레이션 정확도​

Simulation Accuracy 슬라이더는 자동 격자의 해상도를 제어합니다. 높은 값은 더 세밀한 격자를 생성하여 결과 정확도를 높일 수 있지만 계산 시간도 증가합니다.

5.2. 격자 옵션​

  • Enhance mesh: 선택한 형상에 생성되는 격자의 품질을 개선합니다.
  • High-Fidelity Meshing: 사용 가능한 경우 더 세밀한 격자 생성 방식을 활성화합니다.
  • Enable Advanced Options: 격자를 세부적으로 제어하는 추가 설정을 엽니다.

설정을 마친 뒤 Generate Mesh를 클릭합니다.

Meshes 카드는 격자 생성 상태와 정확도를, Runs 카드는 실제 해석 상태를 별도로 보여줍니다. 형상, 재료, 구속 또는 하중이 변경되면 격자를 다시 생성합니다.


6. 해석 실행​

그림 7. 시뮬레이션 정확도와 가속 설정 및 실행

이 화면은 구조 해석 워크플로의 최종 실행 단계를 보여줍니다. 이전 설정 단계가 완료된 것으로 표시되고 Run Simulation 버튼이 활성화됩니다. 작업이 준비되면 지정한 재료, 구속 조건 및 하중에서 프로펠러의 구조적 응답을 계산할 수 있습니다.

이전 단계가 성공적으로 완료되었는지 확인한 뒤 Run Simulation을 클릭하여 구조 해석 작업을 시작합니다.

시뮬레이션이 끝나면 생성된 결과를 검토하여 지정한 구속 조건과 하중을 프로펠러가 견딜 수 있는지 평가합니다.


7. 결과​

그림 7. 프로펠러 변위 결과

Results 단계는 계산된 구조장을 프로펠러에 표시하며, 성공한 시뮬레이션 기록은 설정 패널에 계속 표시됩니다. Structure Analysis를 펼쳐 다음 결과를 확인합니다.

  • Displacement: 총 변위와 X, Y, Z축 방향 변위 성분
  • Equivalent Stress: 연성 재료 평가에 사용하는 von Mises 응력장
  • Principal Stress: 각 위치의 주응력 성분
  • Stress Tensor: 상세 검토를 위한 전체 응력 텐서 표현

실제 크기에서 물리적 변형이 잘 보이지 않으면 변위 결과에 Scale Factor를 활성화합니다. Play Animation을 사용하여 표시된 동작 주기 동안 변형 형상을 확인합니다. 영역을 비교하기 전에 항상 색상 범례와 단위를 확인합니다.


8. 리포트​

그림 8. 프로펠러 구조 해석 리포트

구조 리포트는 3D 결과를 직접 조작하지 않고도 검토할 수 있도록 시뮬레이션을 요약합니다.

  • Max Total Displacement: 최대 변위 크기와 발생 위치
  • Max von Mises Stress 및 Max Tresca Stress: 최대 등가응력 값과 발생 위치
  • Factor of Safety: 재료 항복 강도를 최대 von Mises 응력으로 나눈 값
  • Principal stresses: 임계점의 최대, 중간 및 최소 주응력
  • Conditions: 해석에 사용된 재료와 적용 하중
  • Insights and charts: 임계 절점의 변위 성분과 주응력 비교

리포트와 3D 결과를 함께 사용합니다. 안전율이 높더라도 구속 조건이 현실적인지, 하중 방향이 올바른지, 재료 데이터가 적절한지, 격자 해상도가 충분한지 반드시 확인해야 합니다.


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