Contact : Prof. Jeong Sam Han Department of Mechanical Robotics Engineering Andong National University, Andong, Korea Tel: +82 54 820 6218 E-mail: jshan@andong.ac.kr

ANSYS Workbench를 이용한 VDI 2230 기반의 볼트 체결부 설계 및 최적화 도구 개발

Development of VDI 2230-Based Design and Optimization Tool for Bolted Joints using ANSYS Workbench

서희원1 한정삼2†

1 안동대학교 기계설계공학과, 2 안동대학교 기계로봇공학과

한국전산구조공학회 2021년도 정기학술대회

• 볼트 체결부 설계는 실제 하중조건하에서 파손 가능성을 최소화 하도록 볼트 형상 및 수량 그리고 볼트 체결력 등을 제한된 설계 공간 내에서 결정하여야 한다. 또한, 이러한 설계변수 변화에 따른 반복해석 및 최적설계가 수행되어 볼트 체결부 및 그 대상의 안전성 및 내구성이 확보되어야 한다.

• 본 연구에서는 VDI 2230을 바탕으로 유한요소해석을 통한 볼트 체결부 구조해석 및 안전성평가 그리고 이를 바탕으로한 최적설계를 수행하였다. 또한, 모든 과정을 지원하는 볼트 설계 도구를 개발하여 대부분의 단계를 자동화하였다.

• 개발된 볼트 설계 도구는 상용유한요소해석 프로그램인 ANSYS의 ACT(Application Customization Toolkit)를 활용하여 Wizard 형태의 ANSYS Workbench용의 정형화된 볼트 체결부에 대한 모델링 및 구조해석 그리고 최적화를 지원하도록 하였다. 이를 바탕으로 볼트 설계 도구 개발 및 구현에 대한 내용을 설명하고자 한다.

Introduction

• 본 연구에서는 정형화된 볼트 체결부에 대하여 상용유한요소해석 프로그램인 ANSYS Workbench용 볼트 설계 도구 Wizard GUI를 개발하였다.

• 볼트 조인트 모델링에서부터 구조해석 및 최적화까지의 모든 과정을 지원하며 입력변수의 입력만으로 빠르게 볼트 조인트에 대한 반복해석 또는 최적화 수행이 가능하도록 하였다.

• 볼트 체결부 설계 시, 초기 설계단계에서부터 볼트 설계 도구를 통한 유한요소해석을 바탕으로 볼트 체결부 설계 시간 및 비용을 줄이는데 기여할 것으로 판단된다.

Conclusion

Design and Optimization Tool

• 볼트 체결부 해석 및 최적화 도구 개발

- 정형화된 형태의 볼트 체결부에 대하여 VDI 2230 기반의 모델링 구조해석 안전성평가 최적화 과정

- ANSYS ACT를 활용 ANSYS Workbench용 Wizard 형태의 GUI를 구현

XML, Python, HTML 언어 사용

• 볼트 조인트 모델링

- VDI 2230 Part2, Model class II 기반 볼트 조인트 모델링.

플랜지(flange): Solid element 사용

볼트(bolt): Beam element의 등가모델 사용 및 Line body를 분할하여 Bolt head, Shank, Thread, Nut 각각의 직경을 모두 고려하여 모델링 되도록 구현

플랜지간 접촉조건: 비선형 마찰 조건(frictional contact)

플랜지와 볼트 접촉조건: 강체 연결(rigid connection)

FE Analysis of Bolted Joints

TTJ(tapped thread joint) TBJ(through-bolt joint)

Prismatic single-bolted joint

Circular plate multi-bolted joint

Rectangular multi-bolted joint

- Flange parameters

• 입력 변수

- Bolt parameters

• 출력 변수

- Yield safety margin(SF, VDI 2230)

𝐒𝐅 =𝐑𝐩𝟎.𝟐𝐦𝐢𝐧

𝛔𝐜𝐨𝐦𝐛𝐢𝐧𝐞𝐝≥ 𝟏, 𝛔𝐜𝐨𝐦𝐛𝐢𝐧𝐞𝐝 = 𝝈𝒙

𝟐 + 𝟑𝝉𝟐, 𝝉 =𝐓𝐐𝐫

𝐉

Rp0.2min: Yield stress, combined: Combined stress, x: Axial direct stress, : Section shear stress, TQ: Torsional moment, r: Bolt radius, J: Moment of inertia

- Fatigue Safety Margin(SD, VDI 2230)

𝐒𝐃 =𝛔𝐀𝐒

𝛔𝐚𝐛≥ 𝟏, 𝛔𝐀𝐒 = 𝟎. 𝟖𝟓

𝟏𝟓𝟎

𝐝+ 𝟒𝟓 , 𝛔𝐚𝐛 =

𝚽𝛔𝐱

𝟐, 𝚽 =

𝐅𝐒𝐀

𝐅𝐀

AS: Stress amplitude of the endurance limit of bolt, d: Bolt diameter, ab: Continuous alternating stress acting on the bolt, : Load factor, x: Axial direct stress, FSA : Axial additional bolt load, FA: Axial working load

- Beam element output item: axial load, axial stress, torsional moment

- Bolt pretension, External load, Material properties, Coefficient of friction,

Wizard

- 볼트 설계 도구 적용 및 절차: 모델링, 구조해석, 최적화

1. Wizard 실행 2. 시스템 생성 3. 물성정보 입력 4. 형상치수 입력 5. 유한요소모델링

6. 경계조건 입력 7. 구조해석 수행 8. 결과생성 9. 결과 출력/평가 10. 최적화

- 최적화 결과 (Minimize Bolt diameter, SF 1, SD 1)

Yield Safety Margin(SF) 및 Fatigue Safety Margin(SD)을 만족하는( 1) 하는 최소볼트 직경 약 6.54 mm를 도출

Extension Structure

• 볼트 설계 도구를 활용한 구조해석 및 최적화

- 적용 모델(TTJ & Circular plate multi-bolted joint) 입력 변수

Input Parameters Geometry

Optimization Data & History Chart

사사 : 이 논문은 2020년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임 (No. 2020R1I1A3073275)