제조 산업의 설계와 가공 혁신을 위한 기술   지금의 제조업은 빠르게 변화하는 시장 환경 속에서 설계의 정밀성과 품질을 유지하면서도, 생산 단가를 낮춰야 하는 이중 과제에 직면해 있다. 고객의 요구는 점점 더 다양해지고 복잡해지는 반면, 시장 경쟁은 격화되며 생산성 향상이 절실한 상황이다. 이러한 변화 속에서 공장을 원활히 운영하고 수익성을 확보하기 위해서는 단순한 설계 도구를 넘어 효율적인 엔지니어링 설루션의 필요성이 날로 커지고 있다.    ■ 자료 제공 : 지더블유캐드코리아, www.zwsoft.co.kr   ZWCAD(지더블유캐드) LM, ZWCAD MFG, 그리고 ZW3D CAD/CAM은 이러한 제조업의 까다로운 요구를 충족시키는 강력한 도구로 자리잡았다. 이들 설루션은 정밀한 설계 품질을 유지하면서도, 작업 속도를 높이고 설계 및 가공 과정의 효율성을 극대화하여, 단가 절감과 품질 관리라는 상반된 목표를 동시에 달성할 수 있도록 지원한다. ZWCAD 제품군은 설계 데이터의 통합과 생산 공정 최적화를 통해 제조업체들이 경쟁력을 유지할 수 있는 기반을 제공하며, 공장 운영의 효율성을 새로운 차원으로 끌어올린다.   ZWCAD LM : 효율적인 2D 설계의 새로운 기준 ZWCAD LM은 2D CAD에 특화된 기능을 통해 제조업 설계의 생산성을 극대화한다. 6만 개 이상의 표준 부품과 기계 도구 라이브러리를 탑재해 설계자는 반복 작업의 부담을 줄이고 설계 품질의 표준화를 손쉽게 달성할 수 있다. 특히 100MB 이상의 대용량 도면 처리 능력은 대규모 프로젝트에서도 빠른 작업 속도를 제공하며, 안정적인 설계 환경을 보장한다. 설계 데이터를 체계적으로 관리할 수 있는 기능을 제공하여 설계자가 데이터의 일관성을 유지하며 효율적으로 작업할 수 있도록 돕는다. 이는 단순한 도면 작성에서 그치는 것이 아니라, 제조 공정과 긴밀히 연계될 수 있는 설계 환경을 구축하는 데에 필수이다.   그림 1. 프레임 도곽 영역 설정   ZWCAD MFG : 기계 설계를 위한 특화된 도구 ZWCAD MFG는 ZWCAD LM의 기반 위에 제조업 설계를 위한 고급 엔지니어링 도구가 추가된 제품으로, 특히 정밀성과 효율성이 중요한 기계 설계 분야에서 강력한 성능을 발휘한다.  프레임 도곽 기능 : 설계 초기 단계부터 표준화된 도면 구성을 지원하며 도면의 크기, 축척 등의 요구 사항을 사전 설정하여 설계 오류를 줄이고 작업 속도를 높인다. 파워 치수와 기계 주석 : 공차, 끼워맞춤, 데이텀, 상세도 기능 등 기계 설계에서 필수인 주석 요소를 간편하게 추가하고 편집할 수 있어 정밀한 설계를 가능하게 한다. BOM 테이블 자동화 : 부품 번호를 기반으로 재료 목록을 생성하며, 설계 데이터와 제조 데이터를 통합적으로 관리할 수 있도록 지원한다.   그림 2. STEP 파일 불러오기     ■ 자세한 기사 내용은 PDF로 제공됩니다.

초보자에서 전문가까지 만족시키는 유동 해석 프로그램 시메릭스MP   시메릭스MP(SimericsMP)는 FVM 기반의 유동 해석 프로그램으로 cartesian 격자를 이용하여 정확하고 빠른 격자 생성 시간, MGI(mismatched grid interface)를 이용한 인터페이스 면 처리, 그리드 디포메이션(grid deformation)을 통한 고체의 움직임 모사 등의 특징을 가지고 있다. 그리고 널리 사용되는 CAD 프로그램에 애드인(add-in)되어 있어, CFD를 많이 접하지 않은 초보자부터 유동 해석을 전문으로 하는 엔지니어까지 넓은 범위를 만족시킬 수 있는 유동 해석 프로그램이다.    ■ 자료 제공 : 케이더블유티솔루션, www.kwtsolution.com   프로그램 구성 시메릭스MP 유동 해석 프로그램은 기능에 따라 다양하게 구성되어 있어 사용자가 사용 범위에 따라 다양하게 선택할 수 있다. 시메릭스MP : 기본 유동 해석 프로그램 시메릭스MP+ : 용적식 펌프를 전문으로 해석하는 유동 해석 프로그램 CAD 애드인 : 다양한 CAD 프로그램 내에서 직접 시메릭스MP 구동 시메릭스MP는 다양한 유동 해석에 적합하다. 기본적인 유동, 열전달, 캐비테이션 등을 쉽게 해석할 수 있으며 복잡한 형상의 유동 해석에 적합하다. 시메릭스MP+는 시메릭스MP에 다양한 템플릿(template)을 적용하여 용적식 펌프 해석, Marine을 통한 선박 해석 등 특수한 목적의 유동 해석에 적합하다. 예를 들면 <그림 1>과 같이 체적을 변형시켜 유동을 발생시키는 다양한 용적식 펌프의 경우, 격자의 생성과 체적의 변형 그리고 움직임에 대한 경계 조건 생성 등이 매우 복잡하고 어려운 것이 현실이다. 하지만 시메릭스MP+의 템플릿은 정지한 부분과 움직이는 부분의 경계 조건과 펌프 내부의 격자를 자동으로 생성해 주어 빠른 세팅을 가능하게 해 준다.     그림 1. 용적식 펌프 해석 예제   마지막으로 시메릭스MP는 다양한 CAD 프로그램에 포함되어 있다. NX, 크레오(Creo), 그리고 라이노(Rhinoceros) 등에 포함되어 있다. CAD 프로그램에 포함되어 있기 때문에 익숙한 GUI(그래픽 사용자 인터페이스) 화면에서 해석이 가능하며, 해석에 익숙하지 않은 설계 엔지니어가 CFD를 시작할 때 유용하다.   프로그램 특징 시메릭스MP 프로그램의 특징은 다음과 같이 정리할 수 있다.  빠른 격자 생성 MGI 정확한 Cavitation 모듈 시스템 전체 해석   빠른 격자 생성 <그림 2>는 자동차 전체와 엔진 내부의 격자 형태를 보여주고 있다. 자동차 전체 내부 격자를 생성하는 시간은 일반 PC에서 1시간 30분 정도로 짧은 시간에 가능하다. 이렇게 짧은 시간에 격자 생성이 가능한 이유는 격자의 밀집을 위한 조건 설정이 간단하고 바이너리 트리(binary tree) 형식을 이용하여 직교형 격자를 빠르게 생성하기 때문이다. 그리고 격자를 만든 후 벽면 부분을 잘라내기 때문에, 아무리 좁은 격자의 틈이라도 격자 생성이 어려운 복잡한 고체의 형상에도 격자를 빠르게 만들 수 있다.    그림 2. 시메릭스MP를 이용한 자동차 내부 격자 생성   MGI(mismatched grid interface) 다른 유동 해석 프로그램은 두 개의 다른 볼륨(volume)이 연결되어 격자를 이동시키며 해석하거나 다른 이종 격자를 통해 접합되어 있는 경우, 일반적으로 두 볼륨이 접합한 경계 면에서 양해적 방법(explicit method)으로 속도, 밀도 등의 물리량을 구하기 때문에 질량과 운동량이 보존되지 않아 수렴성이 나빠지고 결과의 정확도가 낮아지게 된다. 하지만 시메릭스MP는 두 볼륨의 접합면에서 매 반복(iteration)마다 접합면의 단면적을 계산하고 질량과 운동량 flux를 음해적 방법(implicit method)를 통해 정확히 계산하기 때문에, 수렴성과 정확도가 향상된다. 특히 유량의 변화를 정확히 해석해야 하는 경우 경계면에서의 양해적 방법(explicit method)으로 인한 에러를 최소화할 수 있다.     ■ 자세한 기사 내용은 PDF로 제공됩니다.

모델 기반 개발의 추진 방법과 적용 사례   모델 기반 개발(MBD)이란 컴퓨터에 의한 시뮬레이션을 적극적으로 도입한 제품 개발의 수법이다. 이는 기존에 실물의 시제품 등에서 행해지던 동작이나 성능의 검증을 컴퓨터상에서 모델화해 시뮬레이션을 실시하는 것으로, 실기 검증의 횟수 삭감이 가능하게 되어, 제품 개발에 있어서의 기간 단축, 코스트 삭감, 품질 향상을 도모할 수 있다. 특히 자동차 분야와 항공 우주 분야를 중심으로 도입이 확산되고 있지만, 최근 가전·조선·산업기계 등의 각종 제조업에서도 도입이 진행되고 있다.   ■ 오재응 한양대학교 명예교수, LG전자 기술고문   MBD 도입과 추진의 어려움 여러 제조 기업에서는 개발의 효율화를 주 목적으로 모델 베이스 개발(MBD)을 도입하고 있다. 한편으로 MBD 도입 추진 과정에서 툴의 도입이나 조직 체제의 정비를 실시했지만, 생각대로 추진할 수 없다고 하는 제조사의 어려움도 나타난다. MBD 도입 추진의 어려움은 어떤 곳에 있을까?  MBD 도입의 목적이 정해져 있지 않다 : 개발 기간의 단축, 비용·피드백의 삭감이라고 하는 MBD 도입 효과만을 목적화하고 있다. 수치화하기 쉬운 모델의 목표를 설정하고 그 효과를 검증해야 하는 중요성이 결여되어 있다. 어떤 제품을 개발하고 싶은지가 분명하지 않다. MBD가 무엇을 하는 것인지가 결정되지 않음 : MBSE(모델 기반 시스템 엔지니어링) 또는 MBD라는 단어는 널리 알려져 있지만, 정확한 이해가 부족하다. MBD에서의 플랜트와 제어 모델의 연계가 어렵다 : MBD는 제어 개발에 적용(제어 로직 및 제어 대상 모델링)하는 것으로 시작한다. 플랜트 설계자에게는 1D-CAE 모델 제작에 있어서 ‘형상을 생각하지 않고 기능을 생각한다’는 것이 어렵다. 이 글에서는 세 번째의 포인트인 MBD, 그 중에서도 1D-CAE 영역에 있어서 플랜트와 제어의 연계 어려움을 해결하기 위한 사고방식을 에어컨의 설계 사례를 통해 소개하고자 한다.   제조기업에서 MBD를 도입하는 이유 플랜트와 제어 모델의 연계성은 제조기업에서 MBD의 도입과 추진을 어렵게 하는 포인트이다. 특히 1D-CAE 영역에서는 플랜트와 제어의 연계의 어려움을 해결하기 위한 사고방식을 도입하는 것이 핵심이다. 설계의 상류로 플랜트의 사양을 결정하고, 그 플랜트의 사양을 전제로 제어의 사양을 결정하는 이른바 ‘플랜트의 사양 존재의 제어 설계’가 되고 있는 현상이다. 또한 개발 후기에 플랜트의 사양 변경을 수반하는 피드백을 피하기 위해, 비교적 비용과 시간이 걸리지 않는 제어의 사양 변경을 강요하는 경우도 많다. 플랜트에 비해 제어의 자유도는 높을지 모르지만, ‘제어라면 무엇이든 할 수 있다’는 것은 아니고 한계가 있다. 그 한계를 고려하고 플랜트와 동등하게 제어의 목표를 배분함으로써 문제의 해결에 가까워지면, 제어 설계자에게도 MBD에 있어서 플랜트 설계자와 제휴하는 것의 장점은 크다고 생각한다.    MBD의 에어컨 설계 적용 사례 에어컨 설계의 사례를 이용한 MBD는 다음과 같은 진행 방식으로 실천하는 것을 염두에 두어야 한다.  어떤 모델을 만들면 좋을까(요구)를 생각한다.  요구사항을 충족하는 기능을 생각하고 기능을 모델링한다. 모델을 이용한 시뮬레이션을 통해 요구를 만족시키기 위한 시나리오(설계 구상)를 구축한다.  특히 기존 제품의 형상에 갇히지 않고 제품에 요구되는 기능을 생각하고 그 기능을 모델화한다는 생각이 중요하다. 앞에서 소개한 진행 방법에 따라 먼저 제품에 대한 요구 사항을 명확히 한다. 사용자의 다양한 목소리를 바탕으로 요구 사항을 정리해 나간다.(그림 1)   그림 1. 사용자의 다양한 목소리를 바탕으로 요구 사항을 정리   기능을 고려한 개발 기능 엔지니어링 ‘기능으로 생각하는 개발’이란, 기존과 같이 ‘목표 성능’을 기점으로 하는 것이 아니라 목표로 하는 ‘원 기능(있어야 할 모습, 본질적인 기능)’에 주목한 개발 수법이다. 제품 개발에 착수하기 전 ‘기능 개발’의 단계에서 물건의 형태에 얽매이지 않고 물리의 원리 원칙에 근거하는 모델의 작성·검증을 반복함으로써, 시스템·부품의 요구 기능을 실현하는 근거 있는 기술 시나리오(성공 시나리오)를 구축한다. 제품 개발 단계에서는 그 시나리오에 따라 시스템·부품의 형상·특성을 만들어낸다.(그림 2)   그림 2. 기능 엔지니어링 프로세스   기능 개발에서는 <그림 3>에 나타낸 요구조건의 문서를 작성하고 기능을 정의하여 기능에 대한 가설을 특정화하여 물리 특성〮상태량의 파악(해석실험〮시뮬레이션)을 실시한다. 이후에 기능을 검증한다. 또한 배분된 기능에 대해 타당성을 평가한다. 결과를 문서화하는 과정을 반복해서 검토한다. 즉 이 과정은 제품의 구체적인 형상이 없는 단계에서 근거가 있는 목표를 결정하는 구상설계를 반복하는 것에 해당한다.  한편 제품 개발에서는 시스템 요건을 명확히 하고 기구〮전기〮소프트웨어에 대한 시스템을 설계하여 프로토타입을 제작함으로써 기구·전기·소프트웨어 기능 수준의 달성을 확인한다. 또한 시스템 기능 수준 달성 여부를 확인하며 동시에 시스템 요건의 달성을 확인한다. 이렇게 실시함에 따라 제품의 목표를 달성할 수 있는 시나리오를 따라서 피드백 없이 개발을 추진한다.   그림 3. 기능을 고려한 개발 프로세스     ■ 자세한 기사 내용은 PDF로 제공됩니다.

앤시스 워크벤치를 활용한 해석 성공 사례   앤시스 플루언트(Ansys Fluent)의 iFSI 기능은 구조 연성 해석에서 매우 유용한 기능이다. 이번 호에서는 Thermo-elasticity Model을 적용한 바이메탈 열변형 해석 사례를 통해, 플루언트 iFSI 기능의 장단점을 살펴보고자 한다.    ■ 정세훈 태성에스엔이 FBU-F5팀의 수석 매니저로 유동 해석 기술 지원 및 교육, 용역 업무를 담당하고 있다. 홈페이지 | www.tsne.co.kr   앤시스에서 제공하는 FSI(Fluid-Structure Interaction : 유동-구조 연성 해석) 해석 방법은 크게 ‘extrinsic FSI’와 ‘intrinsic FSI’로 나뉜다. Extrinsic FSI는 CFD 및 메커니컬 솔버의 결과(유체-구조 상호작용 경계면에서의 압력, 열 및 변위)를 시스템 커플링 또는 External Data와 같은 별도의 프로그램을 통해 특정 반복(iteration)/시간(time)마다 주고받는 연성 해석 방법이다. 반면, ‘intrinsic FSI(iFSI)’는 별도의 커플링 프로그램 및 FEA 솔버 없이 앤시스 플루언트 솔버 단독으로 FSI 해석을 수행하는 방법으로, 앤시스 2019R1 버전에서 베타 기능으로 처음 소개되었으며 2020R1 버전에서 정식 기능으로 추가되었다. 2024R2 버전 기준으로, iFSI 해석 시에는 다음과 같은 제한 및 주의 사항이 있다. 다면체(polyhedral) 셀을 지원하지 않음 FSI 솔루션이 초기화 또는 시작된 경우 격자를 교체할 수 없음 유체와 고체 영역은 반드시 양면 벽(즉, wall/wall-shadow)에 의해 분리되어야 함 구조 모델을 활성화하려면 도메인에 적어도 하나의 고체 영역이 있어야 함 다음 동적 메시 옵션은 지원되지 않음 : in-cylinder, six DOF, 접촉 감지(contact detection)  Dynamic Mesh Zones 대화 상자에서 양면 벽(즉, 벽 또는 벽 그림자) 바로 옆의 유체 셀 영역(벽 대화 상자의 Adjacent Cell Zone 필드에 의해 표시됨)에 대해서만 선택 가능 DEFINE_PROFILE과 같은 다른 경계 조건 프로파일 또는 UDF는 사용할 수 없음 shell conduction, mesh adaption, mesh morpher, optimizer, adaptive time stepping 기능은 사용할 수 없음 구조 모델은 앤시스 워크벤치에서 앤시스 플루언트를 실행할 때 사용할 수 없음 선형 탄성(linear elasticity) 구조 모델은 고체 재료의 항복 강도를 초과하지 않는 응력 하중에 적합함   Thermal-elasticity Model thermal-elasticity model은 앤시스 플루언트 솔버에 탑재된 다음과 같은 구성 방정식을 통해 열하중에 의한 구조물의 변형을 예측하는 기능이다.   εt = total strain vector ∆T= T – Tref , Tref = Starting(reference) temperature  {α} = vector of coefficients of thermal expansion  {β} = vector of thermos elastic coefficients = [D]{α}  [D]  = elastic stiffness matrix <그림 1>에서 Energy Equation을 선택하고, <그림 2>와 같이 Structural Model에서 Thermal Effect 항목을 설정하면 해당 기능을 사용할 수 있다.   그림 1. Energy Equation 선택   그림 2. Structural Model 설정   바이메탈 열변형 해석 사례 <그림 3>은 유동장 내부의 바이메탈 변형량을 예측하기 위한 iFSI 해석 사례의 개략도이다.   그림 3. 바이메탈 연성 해석 개략도   이 사례에서 바이메탈 하부 재료(steel1)는 상부 재료(steel2)에 비해 더 높은 열팽창 계수를 가지고 있으며, 각 재료의 물성은 <표 1>과 같다. 유체는 이상기체로 가정했다. 바이메탈이 뜨거운 유체에 의해 가열되어 발생하는 열팽창과 굽힘 차이를 예측하기 위해 Thermal-elasticity Model을 적용한 iFSI 기법으로 해석을 진행했다.   표 1. 바이메탈 물성값     ■ 자세한 기사 내용은 PDF로 제공됩니다.

성공적인 유동 해석을 위한 케이던스의 CFD 기술 (17)   이번 호에서는 메시 어댑테이션(mesh adaptation)의 개념을 살펴보고, 피델리티 2024.1(Fidelity 2024.1)의 최신 메시 적응 기능을 소개한다. 또한 케이던스 피델리티(Cadence Fidelity)의 메시 어댑테이션의 장점과 모범 사례를 공유하고, 피델리티 2024.1에서 메시 어댑테이션을 사용할 때 중요한 고려 사항을 중점적으로 다룬다.    ■ 자료 제공 : 나인플러스IT, www.vifs.co.kr     항공우주 및 방위 산업은 설계 프로세스를 가속화하는데 필수인 정확하고 효율적인 시뮬레이션을 보장하기 위한 과제를 계속 해결해 나가고 있다. 유동장 예측을 향상시키기 위해 메시 생성 프로세스를 자동화하는 다양한 기술이 개발되었다. 기존에는 전산 유체 역학(CFD)을 위한 메시를 생성하려면 물리학에 대한 깊은 이해와 복잡한 모범 사례를 준수해야 했기 때문에, 결과가 일관되지 않는 경우가 많았다. 이로 인해 특히 중요한 흐름 영역에서 성능이 과도하게 향상되거나 성능이 저하되는 그리드가 제대로 정제되지 않았다. 이 문제에 대한 잠재적인 해결책은 정확도를 개선하고 셀 수를 관리 가능한 수준으로 유지하는 아웃풋 기반 어댑티브 리메싱(Out-Put Based Adaptive Remeshing)이다.   메시 어댑테이션 소개 메시 조정에는 기존 메시를 변경하여 필수적인 흐름 특징을 보다 정확하게 캡처함으로써, 궁극적으로 계산 비용을 크게 늘리지 않고 시뮬레이션 결과를 개선하는 작업이 포함된다. 이 메시 조정 프로세스는 더 작은 셀 크기를 필요로 하는 중요한 흐름 특징이 있는 특정 영역을 타기팅하여 메시 개선 프로세스를 자동화한다. 이 최적화를 활용하면 정확도가 향상되고 관리 가능한 셀 수를 유지하여 전체 CFD 워크플로 처리 시간을 개선할 수 있다.   피델리티 2024.1의 메시 적용 피델리티 2024.1의 최신 업데이트는 피델리티 CFD의 밀도 기반 솔버(DBS) 기능을 향상시켜 피델리티 포인트와이즈(Fidelity Pointwise) 및 피델리티 헥스프레스(Fidelity Hexpress) 메시로 어댑티브 리메싱을 수행할 수 있도록 한다. 이 메시 개선 방식은 정확도와 성능을 개선하기 위해 절단 오차 추정치를 사용한다. 이는 포인트 클라우드 데이터 파일(pcd 파일)을 내보내면 메시를 수정할 위치를 알려주어 워크플로를 조정할 수 있다. 또한 리메싱 프로세스를 자동화하기 위해 새로운 파이썬 스크립트(Python Script)가 개발되었다. 시뮬레이션을 설정할 때 사용자는 특정 파라미터를 사용하여 메시 적응 기능을 활성화할 수 있다. 이 기능을 선택하면 시뮬레이션이 끝날 때 pcd 파일이 생성된다. 피델리티 CFD에는 리메싱 프로세스를 자동화하는 파이썬 스크립트가 포함되어 있어 메시 적응 워크플로를 간소화한다. 수동으로 리메싱을 수행하고 적응된 메시로 시뮬레이션 설정을 재설정하는 작업은 시간이 많이 소요되는 문제점이 있다. 케이던스 피델리티에서 이 문제점을 해결하기 위해 만들어진 파이썬 스크립트는 시뮬레이션부터 피델리티 포인트와이즈 또는 피델리티 헥스프레스의 리메싱까지 모든 메시 적응 단계를 자동화하여 이 과정을 간소화한다. 이 스크립트를 실행하는 방법은 일괄 실행 또는 GUI에서 실행하는 두 가지가 있다. 사용자는 수행할 총 리메싱 횟수를 지정하고 지정된 횟수 동안 워크플로를 실행할 수 있다.       ■ 자세한 기사 내용은 PDF로 제공됩니다.

제품 개발 혁신을 가속화하는 크레오 파라메트릭 11.0 (8)   지난 호에서 크레오 파라메트릭(Creo Parametric)의 기본 메커니즘 기능을 사용하여 어셈블리 모델에 연결 구속을 정의하고 메커니즘을 구현함으로써, 동작 간섭과 범위 등 모델의 운동학적 특성을 분석해 보았다. 이번 호에서는 크레오 파라메트릭의 메커니즘 다이내믹 옵션(MDO)을 사용하여 어셈블리의 이동 구성 요소에 스프링, 모터, 마찰 및 중력과 같은 동적 특성을 부여하고 힘과 가속도 등 동적 영향을 평가하여 구조 시뮬레이션을 진행하는 방법을 알아보자.   ■ 김성철 디지테크 기술지원팀의 이사로 Creo 전 제품의 기술지원 및 교육을 담당하고 있다. 홈페이지 | www.digiteki.com   메커니즘 다이내믹 옵션을 사용한 동적 시뮬레이션 다음 그림에서 항공기 램 에어 터빈 어셈블리는 사전에 동작 분석을 위한 메커니즘 연결을 정의하고 위치 및 운동학적 분석을 진행하였다.     크레오 파라메트릭에서 어셈블리의 동적 영향을 평가하기 위해 메커니즘 모드로 전환하고, 엑추에이터 모델에 스프링을 추가하여 동적 특성을 정의한다.     대시보드에서 ‘확장’ 스프링 유형을 선택하고 스프링 참조로 실린더 연결이 정의된 두 보디 사이에서 연결점을 선택한다. 대시보드에서 스프링 강성 계수(K)와 스트레치108 · 되지 않은 상태의 길이 값을 설정한다.     옵션에서 그래픽 화면에 표시되는 스프링 아이콘 지름을 정의하고 스프링 생성을 완료한다. 메커니즘에서 생성한 스프링은 모델이 동작하는 동안 그래픽 화면에 동적으로 애니메이션되며 어셈블리 피처로 생성되어 모델 트리와 메커니즘 트리 모두에서 확인하고 편집할 수 있다.     스프링에 추가된 실리더의 동작 축이 한계에 도달할 때 충격력을 시뮬레이션하기 위해, 동작 축에 복원 계수 및 마찰 등 동적 특성을 추가할 수 있다. 복원 계수는 동작의 한계점에 충돌 속도의 손실을 결정하는 계수 값이다. 0의 값은 모든 에너지가 흡수되고, 1의 값은 에너지가 손실되지 않고 완벽한 탄성력의 충돌로 가정한다.     필요할 경우 힘 모터, 토크와 댐퍼 등 동적 힘을 정의하고 중력과 시뮬레이션 초기 조건을 추가할 수 있다.     메커니즘에서 동적 속성 정의가 완료되면 메커니즘 분석을 생성하고 실행한다.     다음 그림의 메커니즘 모델은 별도의 힘을 적용하지 않고 스프링의 강성에 의한 동적 분석을 진행한다. 동적 분석은 힘에 대한 강체의 운동 관계와 강체의 평형 관계를 시뮬레이션하여 강체에 작용하는 힘, 강체의 질량과 강체의 운동에 대한 다양한 결과를 분석할 수 있다.       ■ 자세한 기사 내용은 PDF로 제공됩니다.

제품 개발 혁신을 가속화하는 크레오 파라메트릭 11.0 (7)   크레오 파라메트릭(Creo Parametric)을 사용하여 설계 프로세스 초기에 메커니즘 디자인(MDX) 및 모션 분석의 핵심 기능을 활용할 수 있다. 어셈블리 모델에 핀/원통/슬라이드/볼 또는 기어/캠/슬롯과 같은 기계적 연결을 가상으로 표현하여 모델의 운동학적 동작을 분석하고, 간섭 및 모션 범위를 빠르게 확인할 수 있다. 크레오 파라메트릭의 확장 기능인 메커니즘 다이내믹 옵션(MDO)은 어셈블리의 이동 구성 요소에서 힘과 가속도를 시뮬레이션하고 스프링, 모터, 마찰 및 중력과 같은 동적 영향을 평가하고 분석할 수도 있다. 이번 호에서는 크레오 파라메트릭 11.0에서 항공기 램 에어 터빈 모델을 이용하여 어셈블리 메커니즘을 구현하고 분석하는 방법을 알아보자.   ■ 김성철 디지테크 기술지원팀의 이사로 크레오 전 제품의 기술지원 및 교육을 담당하고 있다. 홈페이지 | www.digiteki.com   메커니즘 연결을 사용하여 구성 요소 조립 크레오 파라메트릭에서 어셈블리 컴포넌트의 동작을 위해서는 연결 구속이 필요하다. 어셈블리 컴포넌트의 실제 동작 조건과 자유도를 고려하여 핀, 원통, 슬라이드 및 볼 등 다양한 유형의 연결 구속을 지정할 수 있다. 그림에서 프로펠러가 회전만 하는 경우 어셈블리 제약 조건에서 연결 유형으로 핀(Pin)을 선택하고, 회전 축과 수직한 변환 평면을 지정하여 축을 기준으로 회전 자유도를 가지는 컴포넌트를 표현할 수 있다.      유압 실린더나 엔진 피스톤과 같이 축 방향으로 직선 운동을 하는 컴포넌트는 연결 유형으로 슬라이더(Slider)를 선택하고, 중심 축과 고정 회전 평면을 지정하여 축 방향으로 하나의 직선 자유도를 가지는 연결을 정의할 수 있다.     연결 구속이 정의되면 그래픽 화면에 별도 아이콘이 표시되어 연결 유형과 동작 방향을 직관적으로 확인할 수 있다. 볼(Ball) 구속은 점과 점을 구속하고 3축을 기준으로 3개의 회전 자유도를 가지는 동작을 표현할 수 있다. 어셈블리 배치에서 새로운 세트를 클릭하여 다중 연결 구속을 정의할 수도 있다.     원통(Cylinder) 구속은 원통의 축과 축을 선택하여 고정하고 회전과 축 방향의 변환 자유도를 가지는 동작을 표현할 수 있다. 그림과 같이 다른 구속과 다중으로 연결을 정의하면 강체의 축 방향 이동이 제한되어 회전 자유도만 유지된다.     사전 정의된 고정 제약 조건에서 연결 전환을 클릭하여 연결 구속으로 자동 변환할 수 있다.      그림과 같이 두 축과 회전 방향이 고정된 구속을 전환하여 직선 자유도를 가지는 슬라이더(Slider) 연결로 빠르게 정의할 수 있다.       ■ 자세한 기사 내용은 PDF로 제공됩니다.

산업 디지털 전환을 위한 버추얼 트윈 (7)   이번 호에서는 다물체 동역학 해석(MBS) 소프트웨어인 심팩(Simpack)의 전반적인 기능과 성능 및 주요 적용 분야를 소개하고자 한다.  심팩은 이미 일본/미국/유럽과 같은 선진국 및 전 세계적으로 자동차, 철도, 풍력 등 핵심 산업에서 널리 사용되고 있으며, 국내에서도 점차 도입되면서 다물체 동역학계를 선도하려는 움직임을 보이고 있다. 심팩은 기존의 다물체 동역학 해석 프로그램이 수행할 수 없었던 복잡한 시스템에 대한 접근성을 높이고, 개념 설계부터 최종 제품까지 일관된 해석을 제공함으로써 비용 절감, 성능 예측, 제품 성능 향상 등의 다양한 가치를 제공할 수 있게 되었다.    ■ 임상혁 다쏘시스템코리아 시뮬리아 브랜드팀에서 다물체 동역학 해석 기술을 담당하고 있는 인더스트리 프로세스 컨설턴트이다. 한국항공대학교 학사와 석사 과정을 마쳤다.  홈페이지 | www.3ds.com/ko   다물체 동역학 해석(MBS : Multi-body Simulation)이란 자동차, 철도, 풍력 터빈 등 기계 시스템의 거동 및 하중을 구현, 예측 및 최적화하는데 사용하는 해석을 말한다. 보통 하나의 시스템은 여러 개의 단품으로 이루어지는데, 각각의 단품은 시스템의 일부가 될 때 단품 자체일 때와는 다른 거동 및 다양한 하중을 받는다. 전체 시스템의 거동 및 하중을 예측하기 위해서, 그리고 각 단품에 작용하는 하중을 예측하고 이를 최소화하기 위해서 시스템 전체에 대한 해석은 반드시 필요하다. 심팩은 1987년도에 독일 우주항공센터(DLR)와 MAN Technology에 의해 처음 개발이 시작되어 1993년도에 상용화를 개시하였다. 이후로 BMW, 다임러, JLR, 지멘스, 알스톰, 베스타스 등 자동차, 레일, 풍력 터빈 산업 관련 기업에 의해 선택을 받아왔으며 2014년도에 다쏘시스템의 일원이 되었다.   그림 1   심팩의 특징 실시간 시뮬레이션 심팩의 가장 큰 특징은 실시간(real-time) 시뮬레이션 능력이 탁월하며, 고유의 빠르고 강인한 솔버로 인해 경쟁 제품이 따라올 수 없을 정도의 실시간 시뮬레이션 수행 능력을 보여준다는 것이다. 심팩은 기존의 많은 제품들이 사용하는 사전 정의된(predefined) 템플릿 모델 방식이 아닌 3D로 구현된 상세 모델을 그대로 사용한다. 따라서, 실시간 구현을 위한 선형화와 같은 별도의 모델 단순화가 불필요하다. 실시간 시뮬레이션에는 유연체를 포함한 고주파 및 고자유도 모델도 사용 가능하며, 비선형 또는 주파수에 의존하는 부싱(bushing)이나 고무 마운트까지도 별도의 선형화와 같은 단순화 없이 사용이 가능하다. 이는 단순화 작업 시간을 줄여줄뿐만 아니라, 시뮬레이션 모델 검증 시 흔히 발생하는 모델 변수 외의 다른 경우의 수를 줄여주어 모델 검증을 용이하게 해 준다. 또한, 단순한 해석부터 전혀 다른 성격의 해석, 그리고 복잡한 해석까지 동일한 단일 모델을 이용하여 해석할 수 있게 되어 결과의 일관성을 보장한다.    그림 2    NVH 해석 심팩은 상세 드라이브트레인 모델링(기어, 베어링, 샤프트 등) 요소를 바탕으로 구동 시스템의 내부에서 발생하는 가진력 해석을 수행할 수 있다. 이와 더불어 고주파 영역에서의 정확한 해석이 가능한 솔버 및 다양한 라이브러리로 제공되는 분석 기법(주파수 분석, Campbell diagram 등)을 바탕으로 NVH 해석이 가능하다.    그림 3     ■ 자세한 기사 내용은 PDF로 제공됩니다.

SimericsMP for NX CAD의 해석 과정 소개   시메릭스MP(SimericsMP)는 FVM 기반의 유동 해석 프로그램이다. 직교형(cartesian) 격자를 이용하여 정확하고 빠른 격자 생성 시간, MGI(mismatched grid interface)를 이용한 인터페이스 면 처리, 그리드 디포메이션(grid deformation)을 통한 형상 변화 등의 특징을 가지고 있다. 그리고 널리 사용되는 CAD 프로그램에 애드인(add in)되어 있어, CFD를 많이 접하지 않은 초보자부터 유동 해석을 전문으로 하는 엔지니어까지 넓은 범위를 만족시킬 수 있는 유동 해석 프로그램이다.    ■ 자료 제공 : 케이더블유티솔루션, www.kwtsolution.com   시메릭스MP의 특징은 빠른 격자 생성과 손쉬운 경계 조건 대입으로 정리할 수 있다.   빠른 격자 생성 <그림 1>은 자동차 전체와 엔진 내부의 격자 형태를 보여주고 있다. 자동차 전체 내부 격자를 생성하는 시간은 일반 PC에서 1시간 30분 정도로 짧은 시간에 가능하다. 이렇게 짧은 시간에 격자 생성이 가능한 이유는, 격자의 밀집을 위한 조건 설정이 간단하고 바이너리 트리(binary tree) 형식의 격자이기 때문에 직교형 격자를 빠르게 만든다. 그리고 격자를 만든 후 벽면 부분을 잘라내기 때문에 격자의 틈, 고체의 형상에 상관 없이 격자를 빠르게 만들 수 있다.    그림 1. 시메릭스MP를 이용한 자동차 내부 격자 생성   쉬운 NX 애드인 세팅 과정  Simerics MP 애드인을 설치하면 NX 메뉴에 SimericsMP가 나타나게 된다. 이 메뉴를 사용하여 유동 해석이 가능하다. 해석 과정은 다음과 같다.    CAD 불러오기    그림 2    <그림 2>에서 보면, CAD를 불러온 후 메뉴의 ‘SimericsMP’를 선택하면 왼쪽에 SimericsMP 메뉴가 나타나게 된다. 이 메뉴를 통해 물리 모델, 경계 조건 등 해석 조건을 세팅할 수 있다.   시뮬레이션 도메인 선정    그림 3   <그림 3>처럼 ‘Select SIM Domains’를 선택하면 CAD 면이 나타나고 볼륨 메시(Volume mesh)에 필요한 면을 선택해 준다.   유동 영역 및 격자 설정   그림 4    <그림 4>의 메뉴에서 유동 공간을 선정하면 선정된 공간에 대해서 유동 해석을 위한 격자를 생성해야 한다. 유동 공간이 만들어지면 왼쪽 창에 고체와 유체 공간이 분리되어 표시된다. ‘Generate Mesh’를 선택하면 격자를 생성할 수 있는 창(Mesh Generation)이 나타난다. 격자 생성 모드는 노멀 모드(normal mode)와 어드밴스드 모드(advanced mode)로 나누어진다.     ■ 자세한 기사 내용은 PDF로 제공됩니다.

성공적인 유동 해석을 위한 케이던스의 CFD 기술 (16)   터보 기계는 흐르는 유체와 회전하는 요소 사이에서 에너지 전달이 일어나는 기계에 초점을 맞춘 기계공학의 한 분야이다. 이러한 장치는 많은 산업 분야에서 중추적인 역할을 한다.이번 호에서는 지오메트리 준비를 위한 팁과 메시의 생성/변형/세분화에 대한 내용을 소개한다.    ■ 자료 제공 : 나인플러스IT, www.vifs.co.kr   효과적인 지오메트리 준비를 위한 팁 지오메트리 생성 후에는 안정적인 터보 기계 시뮬레이션을 달성하기 위해 효과적인 모델 준비가 필수이다. 이 프로세스를 관리하는 데 도움이 되는 팁을 다음과 같이 소개한다.  지오메트리 정리 및 수리 : CAD 모델에서 틈새, 겹침 또는 중복된 가장자리를 복구한다. 양질의 메시를 생성하려면 깨끗하고 빈틈없는 지오메트리가 필요하다.  메시 최적화 : 날카로운 모서리나 모서리에 필렛을 추가하고 지오메트리를 분할하여 로컬 메시를 세분화할 수 있도록 한다.  가능한 경우 단순화 : 연구 중인 유동 물리학에 필수적이지 않은 작은 피처와 디테일을 제거한다.  매개변수화 : 설계 연구를 위해 치수를 쉽게 변경할 수 있도록 지오메트리를 매개변수화한다. 이러한 팁을 따르면 엔지니어는 터보 기계 형상이 최고 수준의 표준에 맞게 준비되었다고 확신할 수 있다.   메시 생성 지오메트리 생성 및 준비 외에도 전처리에는 복잡한 형상을 위한 메시 생성이 포함되며, 이는 종종 터보 기계 CFD 워크플로의 병목 현상이 된다. 터보 기계 구성 요소의 복잡성과 작동의 동적 특성으로 인해, 정확한 시뮬레이션 결과를 얻기 위해서는 정밀하고 잘 구성된 메시가 필요하다. 자동화 및 템플릿 기반 접근 방식을 활용하면 이 단계의 효율성을 높이고 전반적인 생산성을 높일 수 있다.   메시 생성의 기본 사항 메시 생성은 계산 영역을 셀 또는 요소라고 하는 작은 영역으로 세분화하여 그 위에 지배 방정식을 푸는 프로세스이다. 잘 구성된 그리드는 필수적인 흐름 특징과 물리적 현상을 포착하는 정확하고 효율적인 터보 기계 시뮬레이션을 보장한다. [참고] 피델리티 오토메시를 통한 향상된 터보 기계 메싱 피델리티 오토메시(Fidelity Automesh) 소프트웨어 패키지는 회전 기계 메싱을 위한 툴로, 피델리티 오토그리드를 통한 자동화된 멀티블록 구조형 메싱과 피델리티 헥스프레스를 통한 비정형 메싱 기능을 제공한다. 모든 유형의 터보 기계 애플리케이션을 위한 템플릿을 갖춘 이 설루션은 메시 프로세스를 간소화하여 복잡한 지오메트리를 손쉽게 처리하고 고품질 메시를 빠른 시간 내에 제공한다. 피델리티 오토메시로 시뮬레이션 워크플로를 가속화하여 설계 혁신과 최적화에 집중할 수 있다.   그림 1. (a) 풍력 터빈의 구조화된 메시, (b) 로터 블레이드 팁의 하이브리드 메시   메시 유형 터보 기계 시뮬레이션에 사용되는 주요 메시 유형과 기법은 다음과 같다.  Structured : 일정한 간격의 그리드 포인트로 구성된 구조화된 메시(그림 1-a)는 일관된 패턴을 사용하며, 종종 격자형 구조와 유사하다. 예측 가능한 흐름 패턴이 있는 영역에서는 고품질 해상도를 제공하지만, 복잡한 지오메트리에서는 구현하기가 어려울 수 있다.  멀티블록 : 계산 도메인은 구조화된 격자로 개별적으로 메시 처리된 여러 개의 간단한 블록으로 나뉜다. 이 방법을 사용하면 복잡한 도형에 대해 국소적인 세분화가 용이하고 그리드를 쉽게 생성할 수 있다.  Unstructured : 이러한 메시는 불규칙한 패턴으로 구성되며 2D에서는 삼각형, 3D에서는 사면체로 구성되는 경우가 많다. 복잡한 형상에 적합한 비정형 메시는 복잡한 모델에 쉽게 적용할 수 있지만, 중요한 흐름 영역에서 해상도가 저하되는 경우가 있다.  Hybrid : 구조화된 메시와 구조화되지 않은 메시의 장점을 결합한 하이브리드 메시(그림 1-b)는 경계 레이어와 같이 더 높은 해상도가 필요한 영역에는 구조화된 그리드를 사용하고, 복잡한 기하학적 영역에는 구조화되지 않은 그리드를 사용한다.  Conformal : 이 기술은 지오메트리의 여러 부분에 걸쳐 메시가 연속되도록 하여 인접한 메시 블록 사이의 간격과 중첩을 제거한다. 컴프레서나 터빈의 블레이드와 같이 간격이 좁은 구성 요소 사이의 흐름을 정확하게 캡처하는 데에 필수이다.     ■ 자세한 기사 내용은 PDF로 제공됩니다.