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산업동향(기술동향)
항공우주산업 구조해석 소프트웨어 기술동향
임재혁
*
, 김경원**
, 김선원***
, 황도순**** 1)
Technology Trends on Structural Analysis Software in Aerospace Industry
Jae Hyuk Lim
*
, Kyung-Won Kim**
, Sun-Won Kim***
, Do-Soon Hwang****
ABSTRACT
Computer Aided Engineering(CAE) technology as well as Design(CAD) and Manufacturing(CAM) have been widely adopted in the aerospace industry in order to develop the structure of airplanes, satellites and launch vehicles. Among them, CAE softwares based on finite element methods such as NASTRAN, ABAQUS and ANSYS have gained many engineers' interest in various industries such as automobiles, civils, aircraft and spacecraft. The softwares usually consist of several modules: Static, Dynamic, Vibration, Impact etc.
that make analysis specific to meet the design goals of the structure systems. Recent enhancement in the computer hardwares and numerical algorithms enables us to perform complex analysis like multi-physics, optimum design. Also, they make it possible to deal with a large scale problem easily. This paper reviews structural analysis softwares in aerospace industry and gives a summary on its recent development.
초 록
항공우주산업과 관련된 항공기, 인공위성, 발사체 등의 구조체 개발을 위해서는 설계단계에서부터 해석 및 제 작에 이르기까지 다양한 전산기술(CAD/CAE/CAM)이 널리 적용되고 있다. 이 중 구조해석을 위해서는 NASTRAN, ABAQUS, ANSYS와 같은 유한요소법에 기반을 둔 CAE 소프트웨어가 개발되어 산업현장에 널리 보급되어 있으며, 정적해석, 동적해석, 진동해석, 충돌해석 등 해석목적에 맞게 모듈화가 되어있다. 최근에는 해 석알고리즘 및 컴퓨터성능의 발달에 힘입어 다중물리해석, 최적설계와 같은 난해하며 높은 계산량을 요구하는 문제의 적용과 및 다자유도문제의 해결이 진행되고 있는 추세이다. 본 논문에서는 항공우주산업분야에 주로 사 용되는 구조해석 소프트웨어의 최신기술동향을 살펴본다.
Key Words : Structural Analysis Software(구조해석 소프트웨어), Finite Element Analysis(유한요소 해석), Aerospace Industry(항공우주산업)
* 임재혁, 한국항공우주연구원 위성연구본부 위성기술실 위성구조팀 [email protected]
** 김경원, 한국항공우주연구원 위성연구본부 위성기술실 위성구조팀 [email protected]
*** 김선원, 한국항공우주연구원 위성연구본부 위성기술실 위성구조팀 [email protected]
**** 황도순, 한국항공우주연구원 위성연구본부 위성기술실 위성구조팀 [email protected]
1. 서론
현재 항공우주산업과 관련된 항공기, 인공위성, 발사체 등의 구조체 개발을 위해서는 전산기술(CAD/CAE/CAM) 이 널리 사용된다. 그 이유는 대량생산이 적용되는 대 다수의 기계산업과 달리 항공우주산업에서는 부품의 수가 많고 복잡하며, 매우 높은 정밀도를 요구하는 소 수의 제품만을 제작하기 때문이다. 또한 시제품 제 작에 통산 수십에서 수천억 가량의 예산이 소요되 기 때문에 시제품을 이용한 직접적인 검증시험이 매우 어려우며, 대신에 다양한 환경조건으로 해석을 수행하여 임무성공률을 높이고 있기 때문이기도 하 다. 특히, 구조해석을 수행하기 위해서는 세세한 부 품까지 정확하고, 정밀한 모델링 및 해석이 가능해 야 하는데, 이를 위해 1960년대 후반 미국항공우주국 NASA는 유한요소법에 기반을 둔 구조해석 소프트웨 어 NASTRAN(NAsa STRuctural ANalysis system)을 직접 개발함으로써 CAE기술을 처음 도입하였다. 이 프 로그램은 MSC (MacNeal Schwendler Corporation)사 에 의해 상용화되었으며, MSC.NASTRAN라는 이름 으로 항공우주분야 뿐만 아니라, 자동차, 토목 및 건 축, 해양산업 등의 분야에 널리 보급되기 시작하였다.
그 이후에 ABAQUS[1], ANSYS[2], LS-DYNA[3], ADINA[4], ALGOR[5], MARC[6] 등 헤아릴 수 없 이 다양한 구조해석 소프트웨어가 개발되어 널리 보급되었다. 이 소프트웨어들은 처음에 하나의 모 듈을 중심으로 개발되었으나, 범용화를 추구하여 정적해석, 동적해석, 진동해석, 충돌해석 등 모듈을 추가하였으며, 현재의 모든 상용소프트웨어들은 거의 비슷한 모듈을 공통으로 갖고 있다. 최근에 는 컴퓨터성능 및 해석알고리즘의 비약적인 발달 로 의해 둘 이상의 물리계가 연성을 일으키는 다 중물리시스템문제, 치수, 형상, 위상최적화 등의 최적설계 문제와 같은 많은 계산량을 요구하는 문 제와 무요소법(Meshfree method), ALE(Arbitrary Lagrangian Eulerian)유한요소법, 확장유한요소법 (eXtended Finite Element Method, XFEM)등 새로 운 해석알고리즘의 도입으로 기존의 유한요소법으로 는 해석이 어려운 문제의 해결이 상용프로그램을 통 해 진행되고 있다. 또한 1990년대 후반에서 2000년
대 초반에 이은 경기불황으로 작은 소프트웨어 개발 사들은 인수 및 합병을 통해 대기업화 되어가고 있으 며, 이를 통해 사용자 편의를 위한 GUI를 기능을 강화 하고, CAE와 CAD의 통합 솔루션을 개발하는 등 그 활용성을 극대화해 나가고 있기도 하다. 대표적인 예 로는 ANSYS Workbench 및 NX가 있다[2, 7]. 국내 에서도 다양한 범용소프트웨어가 개발되고 있으며, (주)마이다스아이티의 제품군[8], Visual FEA[9], 다 물체동역학 소프트웨어 RecurDyn[10], DAFUL[11]등이 있다.
본 논문에서는 다양한 구조해석 소프트웨어 중에 항공우주산업에 널리 활용되고 있는 상용소프트웨 어의 기술동향을 살펴보았다. 다양한 소프트웨어가 존재하는 관계로 설명의 편의를 위해 각 소프트웨 어 회사에서 배포 또는 작성한 기사를 일부를 발췌 및 인용하였음을 미리 밝혀둔다. 2장에서는 구조해 석 소프트웨어를 대표적인 해석모듈별로 분류하였 다. 앞서 언급하였듯이 이미 범용화 되어 있기는 하 지만, 초창기 개발의도에 따라 각 소프트웨어마다 해석의 편의성 및 계산속도 면에서는 고유한 강점 을 여전히 갖고 있기 때문이다. 3장에서는 다물체 동역학 소프트웨어에 대해 살펴보고 4장에서는 구 조최적설계 소프트웨어와 5장에서는 음향진동해석 소프트웨어 대해 간략히 살펴보도록 하겠다. 6장에 서 결론을 짓도록 한다.
2. 구조해석 소프트웨어
2.1 선형해석기 : NASTRAN
NASTRAN은 1960년대 항공우주산업에서의 정밀한 모델링 및 해석의 필요성에 의해 NASA의 주도로 개발되었으며, MSC사에 의해 상용화되어, MSC.NASTRAN 이름으로 항공우주산업의 기준 소프트웨어로 자리를 잡고 독보적인 위치를 유지 하였다. 그러다 2002년 미국의 독과점 금지법에 의해 제재를 받아 NASTRAN의 소스코드를 오픈 하였으며, 이때 몇몇 회사들이 독자적으로 수정하 여 현재는 MSC외에 NEi, MD, NX, FX 등의 이름 으로 다양한 버전의 소프트웨어로 판매되고 있다.
표 1에 나타난 바와 같이 선형/비선형 정적해석 및 동적해석의 다양한 모듈이 잘 개발되어 있으며, 특히 선형해석에 대해서는 업계 최고의 성능을 자랑한다.
또한 내부언어인 DMAP(Direct Matrix Abstraction Program)을 통해 계산된 행렬을 직접수정이 가능하 기 때문에 산업현장 뿐만 아니라 학계에서도 다양한 활용이 이루어지고 있다[6, 12].
표 1. MSC.NASTRAN의 해석 모듈
ID Analysis
101 Linear Static 103 Modal 105 Buckling
106 Non-Linear Static
107 Direct Complex Eigenvalue 108 Direct Frequency Response 109 Direct Transient Response 110 Modal Complex Eigenvalue 111 Modal Frequency Response 112 Modal Transient Response 129 Nonlinear Transient 144 Linear Aerodynamics 145 Flutter
153 Non-Linear static coupled with heat transfer
159 Nonlinear Transient coupled with Heat transfer
187 Dynamic Design Analysis Method 200 Design Optimization and Sensitivity analysis
400
Non-Linear Static and Dynamic (implicit) (MSC.NASTRAN native, supersedes 106, 129, 153 and 159)
600 Non-Linear Static and Dynamic (implicit) (front end to MSC.Marc)
601 Implicit Non-Linear (Adina for NX Nastran) 700 Explicit Non-Linear (LS Dyna) 701 Explicit Non-Linear (Adina NX Nastran)
2.2 비선형해석기 : MARC 및 ABAQUS
MSC.Marc는 런던대학과 브라운 대학에서 연구, 교육했던 P. V. Marcal 교수에 의해 미국에서 개발되 어 1971년 상용화된 이후, 항공 산업, 자동차 산업, 전기/전자 산업 등 여러 산업 분야의 구조해석과 제 조공정의 시뮬레이션에 활용되고 있는 소프트웨어이 다. 1977년 미국원자력위원회(NRC), 미국항공우주국 (NASA)에 채용되어 널리 사용됨으로써 프로그램 신 뢰성이 증명되었다. 특히 접촉, 재료의 탄소성 및 대 변형과 같은 비선형 해석에 탁월할 해석성능을 보이 고, 영역분할법을 이용한 탁월한 병렬처리기능은 대 규모 모델에 대한 빠른 해석이 가능하다.
범용 유한요소해석 소프트웨어 ABAQUS를 개 발한 H.K.S. Inc.는 1978년에 설립되었으며 회사 명은 Dr. David Hibbitt, Dr. Bengt Karlsson과 Dr. Paul Sorensen 3인의 이름으로부터 유래하였 다. Dr. Hibbitt외 2인은 미국 브라운 대학 출신으 로 Marc개발에 참여 한 후 ABAQUS를 개발하였 으며, Dr. Hibbitt은 Marc개발자인 P. V. Marcal 교수의 제자이기도 하다. H.K.S. Inc.는 2005년 10 월 다쏘시스템 시뮬리아로 합병되었다. 주요기능은 ABAQUS/Standard, ABAQUS/Explicit, 전후처리 소프트웨어ABAQUS/CAE로 나뉜다. ABAQUS/
Standard는 다양한 분야에 대한 고급 해석을 위해 만 들어진 내연적 시간적분법(implicit time integration), ABAQUS/Explicit는 외연적 시간적분법(explicit time integration)을 이용한 유한요소해석 소프트웨어이다.
ABAQUS/Explicit을 이용하여 비선형성이 강한 과 도동적해석 문제와 접촉이 주된 준정적 비선형 문 제들을 해석할 수 있다. ABAQUS/CAE를 이용하면 ABAQUS 해석 작업의 전 과정을 모니터링 할 수 있 고, Python 언어를 이용하면 사용자의 편의에 맞게 GUI 및 일부 기능 등을 수정할 수도 있다. 두 소프트 웨어 모두 다양한 user subroutine을 보유하고 있어 소프트웨어에서 지원하지 않는 새로운 요소의 개발 및 재료의 구성방정식 등의 구현이 가능하다. 그림 1 은 ABAQUS의 user subroutine을 이용해 확장유한 요소법을 구현하고 요소망의 재구성이 없이 균열진전 해석을 수행한 예이다.
자료 :http://dilbert.engr.ucdavis.edu/~suku/xfem/papers/xfem-abqefm.pdf 그림 1. ABAQUS의 user subroutine으로 구현한 요소망의 재구
성이 없는 균열진전해석 및 시험결과 비교
2.3 다중물리시스템 해석기 : ANSYS, ADINA 및 COMSOL Multiphysics
다중물리시스템은 작동을 위하여 두 개 이상의 물 리계가 서로 연성이 되어 있는 복합 물리계 시스템을 일컫는다. 대표적으로 기계 분야에서 일반적으로 많 이 연구돼 왔던 열탄성과 유체/구조 연성시스템뿐만 아니라 의료기기나 지능형자동차와 로봇 등에서 사용 되는 다양한 센서와 액추에이터 등을 다중물리시스템 의 특별한 예로 들 수 있다. 이러한 문제의 해결을 위 해서 최근에 ANSYS, ADINA, COMSOL 등에서 기능 을 강화해 나가고 있다[2, 4, 13, 14].
ANSYS는 1970년 공학 분야의 모든 문제를 컴퓨 터를 이용하여 해석하기 위해 John Swanson박사가 개발한 범용 유한요소해석 프로그램이다. 지금은 ANSYS, Inc. 에서 S/W를 개발, 유지보수를 계속하고 있다. 최 초에는 주로 전력산업과 기계 산업에 이용하기 위해 개발된 제품이었으나, 광범위한 적용을 위해 구조, 열 전달, 유체, 전자기장, 음향, 비선형해석 등의 해석기 능뿐만 아니라 솔리드 모델링 등을 포함한 전처리기, 후처리기, 해석기능이 일체형으로 작성되어 완벽한 프로그램 체계를 구축하고 있다. 유체에 대한 전문적 인 해석 툴은 ANSYS-CFX와 FLUENT 소프트웨 어를 가지고 있으며, 이와 같은 ANSYS의 제품군을 하나의 통합된 시스템에서 실행시키기 위한 환경을 ANSYS Workbench를 이용하고 제공하고 있다[2].
M.I.T. 교수로 재직 중인 Bathe교수에 의해 1986 년
부터 개발된 ADINA(Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis)는 하나의 프로그램으로 구조, 유 체, 열, 유체/구조 연성, 열/구조 연성 문제를 해석할 수 있는 범용 유한요소 해석 프로그램이다. 특히 유체 /구조 연성문제에 매우 강력한 해법을 제공하는데 ADINA-FSI 모듈을 이용하면 유체와 구조의 경계면 에서의 압력과 변위의 연속조건을 내장된 알고리즘을 통해 자동으로 만족시키고, 유체해석을 통해 구해진 유체력을 구조해석 영역에 전달하고 구조해석을 통해 얻은 구조물의 변형정도를 다시 유체영역으로 전달해 주기 때문에 서로 다른 해석영역을 연관성을 가진 해 석으로 수행할 수 있다.
이런 연성해석을 통해 실제 물리적 현상과 비슷한 해석적 접근이 가능해지고 제품 개발이나 개선에 있어 좀 더 치밀한 설계가 가능하다. 또한 Bathe교수의 명 성으로 결과의 안정성 등에서 높은 평가를 받고 있다.
1998년에 개발된 COMSOL은 스웨덴 출신의 수 학자 Germund Dahlquist와 그 대학원생이 주축이 되어 개발하였으며, 기존의 Fortran을 기반으로 한 소프트웨어와 달리 Matlab에 기반한 프로그램이 며, BLAS와 LAPACK같은 Matlab의 다양한 해석 Library 및 Simulink등과 연동이 되어 그 해석속도가 매우 빠르고, 응용이 광범위하다. 특히, 미리 정의된 식 외에도 사용자가 정의한 편미분방정식으로 구현된 물리현상을 시뮬레이션 할 수 있는 강력한 기능을 제 공한다. 그림 2와 같은 반도체 공정의 고주파유도가 열문제, MEMS 구조물의 해석 등 다양한 다중물리문 제의 해석이 가능하다[14].
자료:http://www.comsol.com/showroom/animations/972/
그림 2. COMSOL을 이용한 반도체공정의 고주파유도 가열해석
2.4 충돌해석기 : LS-DYNA 및 DYTRAN
보통 충돌해석은 짧은 시간에 두 개 이상의 물체가 접촉 및 동적 대변형을 하는 비선형이 매우 강한 복 잡한 문제이기 때문에 해석시간 및 수렴성이 매우 취 약하다. 이를 해결하기 위하여 특별한 해석기법이 요 구되며, 주로 외연적시간적분법에 기반을 둔 방법들 이 주로 사용된다. LS-DYNA는 1976년 미국의 국립 연구소 Lawrence Livermore에 John O. Hallquist 박사에 의해 주도적으로 개발된 해석프로그램으로 개 발당시 이름은 DYNA3D로 비선형성이 강한 폭발, 접 촉해석 등을 하기 위해 개발되었다. 1988년 LSTC (Livermore Software Technology Corporation) 를 설립한 이후에 LS-DYNA로 명칭을 정정하였고 최근에는 최신해석기법인 SPH(Smoothed Particle Hydro Dynamics), EFG(Element Free Galerkin) 을 도입하여, 그 적용분야를 더욱 확장하였다(그림 3 참조).
MSC.DYTRAN은 91년 6월에 공식 상용화 된 패 키지로써 ALE유한요소법을 이용한 고체 유체 및 상 호간의 작용문제 그리고 각종 부품의 동적, 비선형 거 동을 해석하는 3차원 해석 프로그램이다. 외연적시간 적분법을 사용하며 재질과 형상의 비선형성에 대한 시뮬레이션을 가능하게 해준다. 자동차 및 항공우주 산업 충돌문제에 널리 적용되며, 비행기-비행기 충돌 및 비행기-새 충돌 문제 등에 적용된다[6].
자료:http://www.cranfield.ac.uk/soe/departments/simd/stru ctures/impact/page12269.jsp
그림 3. EFG기법을 이용한 Bird-Airplane Strike 해석
3. 다물체동역학 소프트웨어
다물체동역학은 Lagrange Equation을 바탕으로 운동방정식을 구성하여 시간적분을 통해 물체의 위 치, 속도, 가속도 그리고 조인트에서 발생하는 반력을 계산하는 해석법이다. 초기에는 대상물의 변형을 고 려하지 않고 강체로 가정하여 시스템을 분석하는 강 체동역학(rigid multibody dynamics)에 입각한 해석 을 주로 하여 왔으나, 최근의 컴퓨터성능의 발달 및 엔지니어의 요청에 의해 다물체동역학은 대변형을 다 루는 유연체동역학(flexible multibody dynamics)으 로 발전하고 있다. 이에 따라 소프트웨어의 구성이 유 한요소법에 기반을 둔 구조해석 소프트웨어와 상당부 분 같아지고 있다. 다물체동역학은 1970년대 초부터 본격적인 연구가 시작되었으며, 미국 쪽에서는 이 시 기에 DRAM, DYMAC 등의 프로그램들이 개발되어 사용되다가, 이후 기능이 보완된 ADAMS, DADS, SIMULINK, SIMPACK등의 소프트웨어 개발되어 자 동차회사에 보급되면서 널리 사용되기 시작되었다.
대상물의 변형을 고려한 기계시스템의 동역학을 다루 는 유연체동역학분야의 연구는 1980년대부터 시작되 었으며 1990년대 후반에 들어오면서 대변형 문제를 다루기 시작하였다. 이로 인해 선형이론에 입각한 모 드좌표는 자연적으로 절점좌표의 사용으로 바뀌어져 갔다. 대변형을 다루면서 절점좌표로 시스템을 모델 링하게 되자 학문의 영역이 구조동역학과 접목되게 된다. 국내에서는 1980년대 후반부터 국외에서 공부 를 마친 연구자들이 귀국하여 이 분야의 연구를 선도 하고 있으며, 한양대학교에서 개발한 RecurDyn이나 DAFUL과 같은 다물체동역학 소프트웨어가 대표적인 예이다. 최근에는 제어시스템의 영향을 고려하기 위 해서 콘트롤러와 다물체동역학을 결합한 연성해석기 술이 도입되고 있는 추세이다. 항공우주산업에는 무 중력상태에서의 로봇팔 및 태양전지판의 전개거동 및 착륙장치의 거동분석에 쓰이고 있다[15, 16].
3.1 ADAMS
가장 사용자가 많은 다물체동역학 프로그램인 ADAMS는 Automatic Dynamics Analysis of Mechanical
System의 약자로 1977년 미시간대학의 연구진에 의해 개 발되었으며, Euler angle method를 이용해 운동방 정식을 구성한다. 비슷한 시기에 개발된 DADS는 Euler parameter method와 함께 초기에 시장 을 주름잡았으나, 1990년대 중반 사용자 중심의 GUI환경과 Euler angle method가 가지는 해석 속도 및 구속조건 구성방법의 자율성 등의 이점을 살려 독보적인 프로그램으로 발전하였다. ADAMS Aircraft모듈(그림 4 참조)은 항공기 랜딩기어를 모 델링 및 해석이 용이하게 구성되어 있으며, 2005버 전부터 다양한 주행환경을 taxi mode를 이용해 구현 할 수 있게 되어 있다[6].
3.2 Recurdyn
RecurDyn은 한양대학교 배대성 교수에 의해서 개 발된 상용화된 구조동역학 소프트웨어로 프린터 종이 배급 문제를 해결하여 일본에서 호평 받은바 있고, 미 국과 중국에도 공급되어 많은 사용자를 확보하고 있 다. 주요 특징으로는, 다른 대부분의 프로그램이 절대 좌표계를 사용한 데 반해 상대좌표계를 사용한 최초 의 프로그램으로 월등한 해석능력을 가지고 단시간 내에 해석결과를 산출할 수 있다. 대표적인 장점으로 다양한 접촉을 정의할 수 있는 라이브러리를 제공하 고 쉽게 사용이 가능하다는 점, 동역학 분야에서 해석 접근이 어려운 track, chain, belt 분야 등을 쉽게 모 델링하고 빠른 시간 내에 결과를 얻을 수 있는 toolkit 제공 등을 들 수 있다[10].
자료:http://www.mscsoftware.com/support/library/conf/ada ms/euro/2000/Aermacchi_Landing_Gear.pdf 그림 4. ADAMS Aircraft를 이용한 Landing Gear해석
4. 최적설계해석 소프트웨어
구조해석분야에서 최적설계의 적용은 CAE기술을 이용해 주어진 물리적 조건에 대해서 구조물의 크기 를 결정해주는 것이다. 특히 항공우주산업에서는 무 게 대비 강성 및 강도가 높은 구조물을 사용해야 하 므로 최근 최적설계이론의 활용도가 높아지고 있다.
치수, 형상, 위상까지 설계변수로 취급이 가능하다.
대표적인 최적설계기능이 지원되는 소프트웨어로는 NASTRAN, ANSYS, Altair-Optistruct, Genesis와 복합재료의 중량절감을 위한 최적설계소프트웨어 HyperSizer가 있다[2, 6, 18, 19, 20].
4.1 Altair-OptiStruct
위상최적설계기법은 1980년도 후반에 Bendsoe 와 Kikuchi가 제안한 후에 여러 가지 물리계가 연성 되어 있는 최적화 문제에 적용되어왔다[17].
자료:http://www.soton.ac.uk/~jps7/Aircraft%20Design%20Re sources/manufacturing/airbus%20wing%20rib%20design.pdf
그림 5. Altair-Optistruct를 이용한 Airbus A380 날개 앞전의 위상최적설계
자료:http://www.soton.ac.uk/~jps7/Aircraft%20Design%20Resour ces/manufacturing/airbus%20wing%20rib%20design.pdf
그림 6. 위상최적설계를 통해 완성된 A380 리브
이 방법은 치수최적화나 형상최적화에 비하여 초기위상이 필요하지 않으면서 최적의 위상을 자 동으로 설계할 수 있기 때문에 치수최적화나 형상최 적화보다 더욱 좋은 설계를 할 수 있는 장점이 있다.
Altair-OptiStruct는 치수, 형상, 위상최적화 기능이 모두 지원되며, Altair Engineering에서는 Altair-OptiStruct 를 이용해 차세대 여객기인 A380의 날개앞전에 혁신적 인 리브설계를 통해 Airbus/BAE Systems사가 항공기 당 500kg의 중량을 감소시키는데 도움을 주었다(그림 5 와 6 참조).
4.2 HyperSizer
HyperSizer(그림 7 참조)는 1995년 미국항공우 주국에서 최적화기법을 이용해 항공분야의 복합재 료 중량절감을 위해 개발한 소프트웨어이다. 초기에 는 ST-SIZE라는 이름으로 개발되었으며, 이후 상 업화되었다. HyperSizer는 CAD 및 CAE 소프트웨 어와의 인터페이스를 통하여 제품의 강건설계를 위 한 최적화를 수행하며, 사용하기 쉽고 편리한 특징 이 있어 광범위한 구조부재의 최적화 설계에 적용 되고 있는 추세이다. 항공우주산업에 널리 사용되는 샌드위치 구조물과 같은 복합재료의 적층방법, 모 재 및 섬유의 종류, 적층각 등의 변수에 따른 구조 물의 무게 및 강성변화를 GUI를 통해 확인이 가능 하다[18].
자료 : http://hypersizer.com/
그림 7. HyperSizer
5. 음향해석 소프트웨어
항공 및 자동차산업에서 승객의 청각적 편안함은 상품판매에 있어서 중요한 장점이 되었으나, 연료절 감을 위한 항공기와 자동차의 무게 절감 노력은 예기 치 않은 소음과 진동을 유발하게 된다. 이러한 소음을 구체화하고 개선하기 위해서 제품의 음향거동을 유발 하는 물리적 현상에 대한 통찰력을 파악하고 다양한 설계 대안을 평가할 수 있는 예측 도구가 요구되고 있다. 구조해석을 위해서 널리 쓰이는 유한요소법은 많은 자유도의 3D모델이 필요하고 방사소음해석을 위한 무한경계조건의 표현이 어려워 음향해석에는 잘 사용되지 않는다. 이러한 해석을 위해 경계요소법 및 통계적 에너지법에 기반을 둔 소프트웨어가 개발되었 다[15]. 대표적인 예로 LMS Virtual Lab acoustics 와 VA One SEA를 소개한다.
5.1 LMS Virtual Lab acoustics
LMS Virtual Lab acoustics는 음향해석을 위해 음 향경계요소법(acoustic Boundary Element Method, BEM), 다극경계요소법(Fast Multipole Boundary Element Method, FMBEM)을 이용한 해석기능을 제 공한다. 음향경계요소법은 복잡한 3D 문제를 2D 표 면 차원의 문제로 효과적으로 줄여 음향모델의 형상 과 경계조건(표면음압, 진동속도, 음향 임피던스)으로 부터 관심 있는 위치에서 음향특성(음압, 음향파워, 입자속도, 음향강도)을 예측하는 수치해석적인 방법 이다. 자동차 흡배기계의 소음저감특성, 기계구조물 의 방사소음, 차량실내소음 등 대부분의 음향문제에 쉽게 사용할 수 있다. 진동하는 구조물의 표면만이 음 향모델로 생성되므로 경계요소 모델의 크기는 전형적 으로 수천 개의 요소로 제한되며, 복잡한 3D유한 요 소 모델에 비해서 상대적으로 작아서 검증, 조작, 생 성이 쉽다. 이 감소된 모델은 보다 짧은 시간 내에 결 과를 도출하고 사용자가 음향 설계 성능을 빨리 평가 하도록 돕는다. 다극경계요소법은 이제껏 사용되어 왔던 BEM기술을 보완하여 매우 큰 BEM문제를 계산 할 수 있게 하는 경계요소 계산 기술이다. 즉 고전적 인 경계요소법은 2만 개까지의 절점을 가진 모델을
자료:http://www.cadgraphics.co.kr/instrument/mech_view.asp?seq=4 68&page=6&SearchPart=BD_SUBJECT&SearchStr 그림 8. VA One SEA로 작성한 hybrid FE-SEA모델 계산할 수 있었지만 FMBEM은100만 개 이상의 절점을 가지는 음향모델을 효과적으로 계산할 수 있다. 이 새로 운 계산 기술은 경계요소법의 범위를 확장하여 더 높은 주파수 영역의 큰 음향문제들을 다룰 수 있어 항공기, 잠 수함, 선박, 대형엔진, 터빈 등과 같은 큰 음향모델을 고 주파 영역까지 신속히 계산할 수 있다. 또한, 음원에 의 해서 구조진동이 발생하는 경량 구조물의 구조/음향 연 성현상을 유한요소법과 연성하중해석을 통해 정확하게 형상화 할 수 있다. 이 방법은 내부 또는 외부 음향 방사 뿐만 아니라 패널의 투과손실, 가전제품의 음질과 방사소 음과 같은 넓은 범위의 응용분야에 적용된다. 그리고, ABAQUS, ANSYS, CATIA, IDEAS, NASTRAN 등과 같은 CAE소프트웨어와 쉽게 연동되어 실행된다.
5.2 VA One SEA
초기 AutoSEA2라는 이름으로 불렸던 VA One SEA는 통계적 에너지 해석법(SEA: Statistical Energy Analysis)을 이용하여 고주파수 대역에서 복잡한 시 스템의 소음/진동 응답을 해석하는 상용 소프트웨어 이다. 유한요소법이나 경계요소법으로는 약 10kHz대 의 고주파수 대역에서 모드 사이의 상호작용을 분석 하기에는 너무 복잡하다. 특히 유한요소법의 경우 고 주파수 대역에서는 유한요소의 크기를 작게 하여야 함에 따라 계산시간이 매우 오래 소요되어 200Hz 이 상의 소음/진동 해석에 적용하기는 곤란하다. 따라서 모드 밀도가 높은 구조물이나 공진 모드의 수가 많은 주파수 대역의 해석을 위에서는 새로운 해석법이 요 구되었고 성공적인 해석법으로 인정된 것이 바로 통 계적 에너지 해석법이다[15, 21].
VA One SEA는 자동차를 비롯하여 철도차량, 항공 기, 선박, 우주선, 발사체, 건축물, 가전제품 등의 다 양한 분야에서 성공적이고 실용적으로 적용되고 있 다. 또한 FEM과 SEA를 연성시키는 hybrid FE-SEA 기법이 세계최초로 개발되어 탑재됨으로써 구조물과 연성된 소음/진동 해석에 있어서도 다양하고 실용적 인 적용이 가능하다(그림 8 참조).
6. 결 론
본 논문에서는 표 2와 같이 항공우주산업에 널리 사용되는 구조해석 소프트웨어의 최신기술동향에 대 해 살펴보았다. 비약적인 컴퓨터 자원 및 알고리즘의 발전에 따라 기존의 항공우주산업에서 수행해오던 선형 및 비선형구조해석, 진동해석, 음향 및 충격해 석, 강체동역학해석 외에 다중물리해석, 유연체동역 학해석, 최적설계기법을 적용한 다양한 설계 및 해석 이 가능해졌다. 이러한 해석기술의 발전은 고제작비 용으로 검증시험에 제약을 받는 항공우주산업에서 보다 다양한 하중조건 및 환경조건에서 시제품의 안 전성 평가가 가능하게 함으로써 임무의 성공확률을 높이는 데 기여를 할 것으로 기대된다. 이러한 새로 운 해석기술의 도입을 위해선 현재 급속도로 바뀌고 있는 구조해석 소프트웨어 동향을 인지 및 분석하고, 항공우주산업의 적용분야를 잘 파악해 사용방법 및 관련 지식을 습득하여 조속히 실무에 적용하는 것이 필요하다.
참고문헌
1. http://www.simulia.com 2. http://www.ansys.com 3. http://www.lstc.com 4. http://www.adina.com 5. http://www.algor.com 6. http://www.mscsoftware.com
7. http://www.plm.automation.siemens.com/en_us/produ cts/nx/index.shtml
8. http://www.midasit.com 9. http://www.visualfea.com
해석분야 명칭 판매업체 홈페이지
선형해석 NASTRAN MSC.Software외 다수
[6]
[7]
http://www.nenastran.com/
http://www.nastranfx.co.kr/
비선형해석 ABAQUS Dassault System http://www.3ds.com
MARC MSC.Software [6]
다물체동역학 ADAMS MSC.Software [6]
RecurDyn FunctionBay [10]
충돌 및 충격 LS-DYNA Livermore Software
Technology Corporation [3]
Dytran MSC.Software [6]
다중물리
COMSOL-Multiphysics COMSOL, Inc [14]
ADINA ADINA R&D, Inc [4]
ANSYS ANSYS, Inc [2]
최적설계 HyperSizer Collier Research
Corporation [18]
Altair-OptiStruct Altair Engineering, Inc [19]
음향해석 LMS Virtual Lab acoustics LMS International http://www.lmsintl.com
VA One SEA ESI-group [21]
표 2. 항공우주산업의 구조해석 소프트웨어 10. http://www.functionbay.co.kr
11. http://www.virtualmotion.co.kr
12. http://femci.gsfc.nasa.gov/femcibook.html
13. 김현규, “멀티피직스 시스템 해석 및 설계”, 대한기계 학회지, 제49권, 제6호, 2009, pp.28-61.
14. http://www.comsol.com
15. 정진태, “동역학과 소음/진동 분야의 상용프로그램 소개”, 대한기계학회지, 제49권, 제7호, 2009, pp.25-57.
16. 유완석, “다물체동역학의 리뷰”, 대한기계학회 2009년 도 동역학 및 제어부문 춘계학술대회 논문집
17. Bendsoe, M. P. and Kikuchi, N., “Generating Optimal Topologies in Structural Design Using a Homogenization Method,” Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Vol. 71, 1988, pp. 197-224.
18. http://hypersizer.com 19. http://www.altair.com
20. http://www.vrand.com/Genesis.html
21. http://www.esi-group.com/services/training/Training Catalogue/Vibro-Acoustics/SEA-A
