문 성 수 한국알테어 대표이사ㅣ e-mail : [email protected]
CAE(Computer Aided Engineering, 전산공학해석, ‘해석’으로 약칭)의 영역은 날이 갈수록 그 범위가 점점 더 넓어 지고 있습니다. 기존의 해석은 제품을 설계하는 단계에 등장하여 설계자에게 보다 나은 설계안을 위한 방향을 제시해 주는 조연의 역할에 머물러 있지만, 지금은 제품개발의 시작단계인 디자인에서부터 중간단계인 설계, 그리고 끝단계 인 생산기술개발까지 모든 분야에 없어서는 안될, 제품개발의 주연이 되어가고 있습니다.
제품개발의 시작과 끝
글을 시작하며…
해석이란 컴퓨터를 사용하여 복잡한 공학적 문제를 간단한 수치연산의 집합으로 푸는 수치적 방법을 말합 니다. 복잡한 형태의 물체를 레고블럭과 같은 삼각형과 사각형 혹은 삼각뿔이나 각기둥 형태의 단순한 요소들 의 집합으로 나누고 각각의 요소들에 대한 간단한 계산 을 수행한 후 중첩하여 전체의 해를 구하는 유한요소 법, 부품들의 상대적인 거동을 수치적으로 계산해내는 다물체동역법 등이 대표적인 해석 기법들입니다. 이러 한 해석을 통하여 자동차, 비행기, 선박, 휴대폰 등의 제 품에 대한 충돌성능, 구조특성, 냉각성능, 승차감 및 조 향특성 등 다양한 특성들을 모의로 계산해낼 수 있게 되었습니다.(그림 1, 2)
눈부신 해석 기술의 발전과 적용범위의 확산은 학계 와 산업계의 다양한 연구성과와 솔루션 개발업체의 발 빠른 대응이 그 밑바탕이 되고 있습니다. 제품의 기획/
디자인/설계/생산 등 단계별로 최적화된 사용자환경을 제공하는 강력한 해석 솔루션들이 개발되고 있으며, 이 에 따라 보다 쉽고 보다 빠르고 보다 다양한 평가, 검증 및 최적화가 가능한 토털 해석 환경이 조성되고 있습 니다.(그림 3, 4)
디자이너를 위한…
컴퓨터를 사용한 제품 디자인은 흔히 CAS(Computer Aided Styling)라고 불리는 과정이며 제품개발의 첫 단 추입니다.
그림 1유한요소해석 수행과 분석
그림 2다물체동역해석 수행과 분석
5저널(1월호)3055.ok 2013.1.7 8:2 PM 페이지32 DK
디자이너는 제품기획으로부터 개발해야 할 제품의 컨셉트를 전달받고, 그에 걸 맞는 제품의 디자인을 진 행합니다. 외형 디자인의 좋고 나쁨이 제품의 성공과 실패를 결정하는 주요한 인자로 인식되어 왔기 때문에, 디자이너는 보다 아름답고 유행에 맞는 외형을 만들기 위해서 노력해 왔습니다. 하지만 최근에 고객의 구매욕 구에 새로운 변화가 생기고 있습니다.
시장의 무한경쟁을 경험하고 있는 고객은 단순히 예 쁘고 깔끔한 외형 디자인 만을 구매결정의 기준으로 삼 지 않고, 눈에 보이지 않는 제품의 성능과 품질까지도 제품 구매의 고려대상에 넣고 있습니다. 인터넷을 통하 여 제품에 대한 다양한 의견과 평가가 공유되고 있기 때문에, 이제는 예쁘고 깔끔한 외형 디자인 만으로는 더 이상 고객을 만족시키기 어려워졌습니다.
이제 디자이너는 지금까지의 해왔던 관행에서 벗어 나 제품의 성능과 품질을 고려한 최적의 예쁘고 깔끔 한- 형상 디자인을 고려해야 하는 시대가 되었습니다.
디자이너가 초기 제품 디자인 단계에서 더 많은 것을 고려해야 하는 책임이 생겼고, 그것을 충족하는 쪽으로 해석의 범위가 넓어지고 있습니다. 이 과정이 어렵고 불가능해 보이지만, 다행히도 이러한 목적을 만족시켜
줄 수 있는“디자이너를 위한 최적 디자인 툴”이 시장 에 등장하고 있습니다. 이렇게 제품의 성능과 품질을 고려해서 외형 디자인을 하다 보니, 오히려 나중에 설 계자에 의하여 외형 디자인이 임의로 변경되는 경우가 줄어들고 있고, 디자이너들의 업무 만족도도 높아지고 있습니다.(그림 5)
설계자를 위한…
컴퓨터를 사용한 설계는 흔히 CAD(Computer Aided Design)라고 불리는 과정이며, 디자인이 끝난 후에 제 품 생산을 위한 상세 설계를 진행하는 과정입니다. 전 에는 펜과 잉크, 그리고 T자와 삼각자를 사용하여 종이 상에서 진행하던 상세설계가 이제는 마우스와 키보드 를 사용하여 모니터상에서 다양한 CAD툴로 진행합 니다.
설계자는 디자이너로부터 받은 제품 디자인 정보를 받아서 CAD툴의 형태로 변환하고, 그 위에 보다 자세 한 형상, 표면처리, 재질, 두께, 색깔 등의 구체적인 항 목들을 표현하기 시작합니다. 선배로부터 물려받은 노 하우와 몇 년 간 쌓아놓은 경험을 바탕으로 제품설계를 꼼꼼히 진행해갑니다. 필요하면 해석을 전문적으로 수 행하는 해석자의 도움을 받아서 보다 경쟁력 있는 제품 을 설계합니다. 그런데 해석자의 도움을 받기 위해서는
그림 3기존 해석 프로세스
그림 4토털 해석 프로세스
그림 5디자인 볼륨의 설정만으로 최적화를 진행하고 최적형 상을 바탕으로 디자인을 진행하는 과정
해석자와의 업무연락과 협의를 위하여 수시로 회의를 가져야 하고, 설계마감시간에 쫓기다 보면 해석을 통한 검증 없이 경험만으로 설계도면을 마무리하는 경우도 많습니다.
빠른 제품개발 주기에 대한 시장의 압박은 설계자가 직접 해석을 해야 하는 필요성을 증가시키고 있습니다.
제품의 상세 사양을 잘 알고 있는 설계자가 직접 해석 을 진행하면서 생기는 이점은 무엇보다 설계시간 단축 입니다. 또한 제품의 각종 제한조건을 누구보다 훤히 알고 있는 설계담당자가 직접 최적화 해석을 수행하면 해석자에 의한 최적화 해석보다 시행착오를 훨씬 줄일 수 있습니다. 설계자가 해석을 직접 진행하면서, 시장 이 요구하는 빠른 제품개발 주기를 만족시키게 되고 아 울러 보다 좋은 제품을 만들 수 있게 되었습니다. 해석 이 낯선 설계자들을 위한 쉬운 해석 환경이 필요하게 되었고, 마우스 클릭 몇 번만으로 원하는 성능 평가와 검증이 가능한“설계 친화적 선행 해석 환경”이 다양하 게 개발되고 있습니다.
해석자를 위한…
제품 설계 단계에서는 설계자와 해석자 간에 협업을 통한 보다 구체적인 설계가 진행됩니다. 설계자는 해석 결과를 바탕으로 최초 설계안을 개선하고, 해석자는 개 선된 설계안에 대하여 해석을 통한 성능 평가 및 2차 개 선, 그리고 다양한 설계안 재검토 과정을 통한 최적화된
설계안을 도출합니다. 설계자는 이러한 최종 개선안을 제품 설계에 최종적으로 반영합니다. 이러한 전통적인 CAD와 CAE의 상호협업은 제품의 완성도를 높이고 최 적 제품 설계의 기술 습득 및 축적을 가능하게 합니다.
해석은 단순히 시험의 횟수를 줄이는 차원이 아닌, 시험으로 구현이 쉽지 않은 다양한 형태의 성능 평가를 가상으로 가능하게 해줍니다. 각종 소음진동성능평가, 공력성능평가, 강성강도평가, 피로내구성능평가, 열유 동성능평가, 충돌안전성능평가 등을 복잡한 형태의 평 가들을 가상적으로 모의 시험하게 해줍니다. 냉장고의 정숙성을 확보하고, 공기저항을 줄여서 항공기의 비행 성능을 개선하고, 얇지만 더 튼튼한 휴대폰을 개발하 고, 수십 년 동안 바다를 누벼도 물이 새지 않는 선박을 제조하고, 폭발물이 터져도 유독가스와 열기를 빨리 배 출하는 흡입기를 만들고, 충돌사고가 발생해도 운전자 의 생명은 안전하게 보장되는 승용차를 개발하는 등의 공학적 과제는 이제 해석의 도움이 없이는 불가능해지 고 있습니다.(그림 6, 7)
점점 보편화되고 있는 각종 최적화 해석 기법들은 설 계의 수준을 한 차원 더 올리고 있습니다. 첨단 위상 최 적화 해석 기법을 통하여 부품이 차지할 공간과 성능 조건만 설정해주면 최적의 형상과 최적의 비드 패턴을 쉽게 얻을 수 있습니다. 다양한 조건과 다양한 해석에 따른 제품의 두께, 재질, 형상 등도 어렵지 않은 과정을 통하여 얻을 수 있습니다. 설계치수들의 산포나 여러 가지 노이즈 인자들을 고려한 강건설계 해석 기법도 보 제품개발의 시작과 끝
그림 6흡입기에 대한 전산유체해석 그림 7충돌해석과 해석결과의 실사렌더링
5저널(1월호)3055.ok 2013.1.7 8:2 PM 페이지34 DK
다 쉽게 구현되고 있습니다.(그림 8, 9)
다양한 생산기술에 대한 해석을 통하여, 설계한 제품 의 생산 적합성도 가상적으로 선 검토할 수 있습니다.
생산기술자는 해석자와의 협업을 통하여 박판성형해 석, 사출해석, 주조해석, 단조해석 등을 수행하고 성형 시 발행하는 제품의 성능변화나 결함 등을 사전에 예측 하여 설계에 반영할 수도 있게 되었습니다. 생산에 사 용되는 금형과 같은 각종 툴링에 대한 최적, 최경량 형 상을 해석을 통하여 얻을 수도 있게 되었습니다.
신속성과 일관성을 위한 해석 자동화
급격히 늘어나고 있는 해석의 활용성 덕분에 제품의 개발 사이클이 짧아지고 회사의 제품 경쟁력은 매우 좋 아졌습니다. 그러나 디자이너, 설계자, 생산기술자 들은 본인이 해오던 본업과 동시에 해석을 추가로 하려니 새 로운 업무가 늘어나게 되고, 저마다 조금씩 다른 해석
결과가 만들어지고 있는 것에 의아해 하게 되었습니다.
디자이너, 설계자, 생산기술자 등이 보다 적은 시간 으로 보다 신속하게 해석을 수행할 수 있도록 자동화된 해석 프로세스가 필요하게 되었습니다. 또한, 누가 해 석을 하더라도 동일하고 일관된 결과가 나올 수 있도록 표준화된 해석 방법도 필요하게 되었습니다. 이러한
“표준화 기반으로 만들어진 해석 자동화 프로세스”덕 에 제품개발에 전반적으로 도입된 해석 과정은 충분한 신뢰성과 생산성을 갖추게 되었습니다.(그림 10, 11)
이제 경험 많은 해석자의 개인적인 능력에 의존하던 전통적인 해석 과정 보다는, 표준화 기반으로 만들어진 자동화 프로세스가 간단한 클릭만으로 CAD 파일을 읽 고, 정리하고, 표준에 따라 해석을 위한 준비작업을 하 고, 회사 내의 유휴 컴퓨터에 계산을 시키고, 표준화된
그림 8위상 최적화 해석
그림 9FRP 복합재료의 다양한 최적화 해석
그림 10자동화된 기어 생성 프로세스
그림 11자동화된 다단계 성형 해석 프로세스
제품개발의 시작과 끝
보고서까지 생성하는 새로운 해석 환경이 더 필요하게 되었습니다.(그림 12)
해석정보를 체계적으로 관리해주는 해석 데이터 관리 서비스
제품개발 전 과정에 걸친 해석은 기존에 겪어보지 못 했던 데이터의 홍수를 초래하고 있습니다. 회사간, 부서 간, 인원간 협업을 위하여 이러한 대량의 데이터들은 체 계적으로 관리되고 클라우드에 저장되고 권한에 맞게 공유되어야 합니다. 이러한 필요를 만족시켜주기 위하 여“해석 데이터 관리 서비스”가 등장하게 되었습니다.
해석자는 다량의 데이터들이 언제 만들어지고 언제 사용되었으며 언제 업데이트가 되었는지, 누가 만들고 누가 업데이트를 하였는지에 대한 이력관리가 가능하 게 되었습니다. 관리자는 해당 제품개발에 참여하고 있 는 설계자나 해석자의 현재 업무 진행상황과 제품의 성 능, 개선 여부 등을 데이터 관리 서비스를 통하여 모니
터링 할 수 있게 되었습니다. 의사결 정을 하는 경영자는 회사가 진행하는 모든 제품들의 개발 상황을 한눈에 파 악할 수 있으며, 차기 제품 개발의 일 정을 결정할 수 있게 되었습니다.
제품개발과 CAE, 그리고 제품기획의 선순환
디자이너로부터 시작하여 설계자와 생산기술자까지 연결되는 해석의 적 용범위는 제품개발의 시작과 끝뿐만 아니라 경영자와 관리자의 제품개발 의 방향설정까지 아우르고 있습니다. 해석과 제품개발 은 이제 하나가 되었습니다. 해석은 제품개발의 주기를 획기적으로 단축시켜주며, 시험의 횟수를 줄임에 따라 제품개발비를 낮춰줄 뿐만 아니라, 동시에 제품의 성능 과 품질이 그 어느 때보다 향상될 것이며, 점점 높아지 고 있는 소비자의 눈높이를 만족시켜줄 수 있는 중요한 핵심기술이 될 것입니다. 또한 해석 기술 기반의 빅데 이터 분석은 지금까지 겪어보지 못한 차기 제품기획의 영감으로 연결되는 선 순환을 만들어낼 것입니다.
해석 솔루션을 개발하고 공급하는 회사들도 이러한 움직임에 발맞춰 다양하고 혁신적인 솔루션들을 개발 하고 있습니다. 더 나아가, 단순히 솔루션을 개발하고 판매하는 전통적 솔루션 공급자 역할이 아니라, 해석의 경험과 기술, 그리고 해석 솔루션을 고객의 상황과 현 실에 맞게 제공하는 토털 해석 컨설턴트로서의 역할을 수행하고자 노력하고 있습니다.
그림 12해석 데이터 관리 시스템 개략도
