성공적인 유동 해석을 위한 케이던스의 CFD 기술 (10)   이번 호에서는 CFD에 유한요소법을 활용해 더 적은 요소 수로 해석 정확도를 높일 수 있는 곡선형 혼합 오더 메시(Mixed Order Mesh)를 생성하는 방법을 살펴본다.   ■ 자료 제공 : 나인플러스IT, www.vifs.co.kr   High-Order 메시 커브는 전산유체역학(CFD) 솔버 커뮤니티에서 유한요소법(FEM)을 활용하는 사람들에게 큰 도움이 될 새로운 기술이다. 유한요소기법은 유한 체적 및 유한 미분 방법과 같은 기존 CFD 방법보다 적은 요소 수로 정확도를 높인다. 선형 요소의 가장자리, 면, 내부에 버텍스(새로운 자유도)를 추가로 도입하여 정확도를 높일 수 있다. 곡선 지오메트리에 인접한 요소의 경우 이러한 새로운 자유도가 지오메트리에 위치해야 하므로 원래 선형 요소의 모양이 변경된다. 메시가 점성이 있는 경계를 향해 요소들이 모여 있는 경우 이 과정은 더 어렵다. 또한 내부 요소의 가장자리와 면은 요소 반전을 방지하기 위해 경계 요소 곡률에 따라 곡선을 만들어야 한다. 케이던스 피델리티 포인트와이즈(Cadence Fidelity Pointwise)에서 사용하는 WCN 스무딩에 대한 연구를 통해 혼합 오더 메시(Mixed Order Mesh)를 사용하여 지오메트리 곡률을 해결할 수 있다. 요소는 곡률이 심한 지오메트리 근처에서는 최대 4차 다항식(quartic)까지 올라갈 수 있으며, 곡률이 심한 지오메트리에서 멀리 떨어진 곳에서는 선형을 유지한다. 메시 평활화 방법은 비용 함수를 사용하여 원하는 요소 모양과 양의 자코비안을 각 요소에 적용한다. 요소가 지오메트리 근처에서 곡선이 될 때 점성 메시 간격이 유지된다. 결과는 복잡한 3D 구성에 대해 표시된다.   지오메트리 선형 메시를 올리고 표면 곡률에 따라 곡선을 그리려면 지오메트리에 쉽게 액세스하고 강력한 초기화 및 평활화 프로세스가 필요하다. 초기화 중에 고차 노드가 지오메트리에 정확하게 배치되고 메시 평활화 중에 표면에 유지되도록 하려면, 지오메트리에 대한 표면 검색작업이 필요하다. 엘리베이트 및 스무딩을 위한 지오메트리 액세스는 메시링크 API¹) 를 통해 제공된다. 메시링크는 지오메트리 및 메시 데이터를 관리하기 위한 라이브러리로, 메시 생성 및 메시 적응 애플리케이션과 관련된 함수를 쿼리할 수 있는 간단한 인터페이스를 제공한다.   혼합 오더 커브 프로세스 혼합 오더 메시 커브는 유효한 선형 메시로 시작하는 프로세스를 사용한다. 프로세스의 주요 구성 요소는 <그림 1>의 순서도에 나와 있다. 이 백서 전체에서 요소의 차수 또는 다항식 차수는 선형, 이차, 입방체와 같은 Q1~4 명명법을 사용하여 표시되며, 이차 요소는 각각 Q1, Q2, Q3, Q4이다. 고차 요소는 라그랑지안 기저 함수를 사용하여 요소의 가장자리, 면, 내부에 고차 노드를 고르게 분포시킨다. 이러한 물리적 노드는 하위 요소와 요소 모양을 적용하기 위해 WCN 방식에 필수이다.   그림 1. 혼합 오더 메시 커브 프로세스의 순서도에는 가장 안쪽 고도 루프를 통과하는 여러 경로가 포함되어 있다. 진입 지점에 따라 색상으로 구분된 화살표를 따라가게 된다.   고도 프로세스는 입력된 선형 메시에서 시작하여 사용자가 요청한 최종 차수인 Qfinal에 도달할 때까지 최대 차수인 Qmax를 한번에 하나씩 증가시킨다. 각 차수 패스동안 먼저 표면 요소와 볼륨 요소의 편차를 테스트한다. 고차 점이 지오메트리에서 너무 많이 벗어나는 서피스 요소(허용 오차 기준)는 높이가 올라가고, 그 섭동이 볼륨에 퍼진다. 마지막으로, 요소 반전을 수정하고 엘리베이션 프로세스에서 생성된 요소의 품질을 개선하기 위해 WCN 메시 스무딩이 수행된다. 각 스무딩 반복 후 각 볼륨 요소의 편차를 다시 테스트하여 추가 높이 조정이 필요한지 여부를 결정한다. 이 프로세스는 모든 요소가 편차 기준을 충족하거나 최종 정도에 도달할 때까지 반복되며, 메시 평활화 프로세스가 수렴한다. 품질 제약 조건은 인접한 요소가 한 차수 이상 차이가 나지 않도록 보장한다. 최종 출력은 같은 차수의 요소 간에 공유되는 고차 노드가 포함된 메시이다. 그러나 차수가 다른 요소 간에 공유되는 면과 가장자리는 동일한 인터페이스 노드를 공유하지 않다. 따라서 내보내기 전에 이러한 인터페이스에서 형상 적합성을 적용한다.   요소 편차 메트릭 편차 메트릭(Deviation Metric)은 엘리먼트 엘리베이션 프로세스 및 메시 스무딩 프로세스의 일부로, 엘리먼트 엘리베이션 프로세스를 제어한다. 편차 메트릭은 곡선 경계 또는 다른 볼륨 요소에 인접한 요소의 가장자리와 면에 있는 테스트 노드의 변위를 측정한다. 이러한 테스트 노드의 변위가 임계값 거리를 초과하면 해당 요소에 상승 플래그가 지정된다. 높이를 트리거하는 임계값은 요소 내의 최소 선형 에지 길이에 입력 편차 임계값 파라미터(일반적으로 1~5%)를 곱한 값이다.   서피스 요소 편차 곡선 경계에 인접한 요소의 경우 편차 메트릭은 6차 가우스 구적법 점 위치에 배치된 테스트 노드를 사용한다. 그런 다음 테스트 노드를 지오메트리에 투영하고, 원래 위치와 투영된 위치 사이의 거리를 측정한다. 편차량은 <그림 2>에서 선형 삼각형의 중심(청록색)에 있는 테스트 노드를 곡선 지오메트리 표면(주황색)에 투영하여 보여준다.   그림 2. 지오메트리에 투영된 표면 요소의 중심에 있는 테스트 노드     ■ 자세한 기사 내용은 PDF로 제공됩니다.

성공적인 유동 해석을 위한 케이던스의 CFD 기술 (1)   전산 유체 역학(CFD)의 메시 생성은 사용자의 전문 지식과 독창성에 의해 메시 유형, 토폴로지 및 셀 품질이 선택되며, 이것은 솔루션의 수렴 및 정확도에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 메시 생성 작업을 자동화하기 위해서는 적절한 제어 방법이 필요하다.   ■ 자료 제공 : 나인플러스IT   메싱을 자동화할 수 있는 범위 옥스퍼드 사전에 따르면 자동의 정의는 ‘사람이 조작할 필요 없이 작동하는 컨트롤을 갖는 것’이다. 이는 NASA의 CFD 비전 2030 연구와 일치하며, 저자는 “궁극적으로 메시 생성 프로세스는 CFD 사용자에게 보이지 않아야 한다”고 말한다. 그러나 ‘자동’이라는 문자 그대로의 정의를 기술에 적용하는 것은 권장되지 않고 실현 가능하지도 않다. 어떤 경우에 자동화 방법은 메시 생성이 90% 진행된 시점에서 불가피한 장벽에 도달한다. 마지막 10%는 완료하기가 사실상 불가능하거나 며칠 또는 몇 주를 소비한다.   그림 1   피델리티 포인트와이즈(Fidelity Pointwise)는 자동화가 잘못된 방향으로 진행될 때 백업 역할을 하는 수동 제어 기술을 자동화와 결합하여 안정적인 메시 자동 생성기를 만들었다. 이번 호에서는 CAD 모델 가져오기를 시작으로 피델리티 포인트와이즈에서 자동화가 어떻게 구현되었는지 살펴보겠다.   자동화된 솔리드 모델 어셈블리 CAD의 가져오기와 기하학적 정리는 메시 생성의 골칫거리이다. 가져오기 및 기하학적 정리 과정에서 주요 문제는 인접한 표면들 사이의 간격과 겹침이다. 이러한 간격과 겹침으로 인해 메셔는 각 표면을 분리된, 떨어져 있는 조각으로 인식하게 되며 전체 기하학의 일부로 보지 못한다.(그림 2) 만약 부주의하게 구성된 CAD를 메싱한다면 구성 메시들이 표면 경계를 통해 일치하지 않을 가능성이 있다.   그림 2. 이 발사체는 IGES 파일에서 가져왔다. 색상은 서로 관계가 없는 개별 표면을 나타낸다.(위) 전체 발사체 지오메트리는 단일 위상 솔리드 모델로 가져오는 동안 자동으로 조립되었다.(아래)   피델리티 포인트와이즈는 CAD 파일을 가져올 때 자동으로 CAD 파일의 표면을 하나의 토폴로지 솔리드(그림 2)로 조립한다. 이 결과로 생성된 솔리드 모델은 간격도 없고 겹침도 없다. 솔리드 모델을 메싱하는 중요한 점은 모델을 메싱할 때 모든 구성 메시(각각 하나의 CAD 표면에 대응하는 메시)가 원활하게 연결되고 기하학적 의도를 준수하며 표면 메시들이 즉시 부피 메싱에 적합하도록 한다는 것이다. 반면, 솔리드 모델 조립이 가져오기 과정에서 완전하게 작동하지 않을 때 포인트와이즈는 사용자가 허용 오차와 조립할 표면을 제어하면서 수동으로 조립 작업을 수행할 수 있도록 해 준다.   ■ 기사 상세 내용은 PDF로 제공됩니다.

개발 : Cadence Design Systems 주요 특징 : CFD 전문 소프트웨어로 시간과 비용을 절약하며 프로젝트의 완성도 향상 지원, 다양한 유형의 격자 생성, 빠르고 정확한 전처리 지원, 타사 솔버 및 지오메트리와 호환, 스크립트/반복 작업 자동화/커스터마이징 지원 등  사용 환경(OS) : 윈도우, 리눅스 자료 제공 : 나인플러스IT   그림 1   케이던스 디자인 시스템즈(이하 케이던스)는 지난 30년 간 전자 설계 분야의 주요 업체로서 입지를 굳혀왔고, 설계 소프트웨어는 물론 하드웨어와 IP 분야에서도 고객 만족을 극대화할 수 있는 서비스를 제공하고 있다. 일반 소비자용/하이퍼 스케일 컴퓨팅, 5G 커뮤니케이션, 자동차, 항공, 헬스케어 등의 산업에 필수적인 칩, 보드, 시스템을 위한 최적의 솔루션을 제공한다. 또한, 케이던스는 완성도 높은 유동해석(CFD)에 반드시 필요한 격자(mesh) 생성 솔루션을 제안한다. 격자 생성은 모든 유동해석 엔지니어에게 숙제와 같은 일이다. 케이던스의 ‘포인트와이즈(Pointwise)는 어떠한 복잡한 형상이라도 고품질의 격자를 생성해준다. 그리고 ‘피델리티 오토메쉬(Fidelity Automesh)’는 빠르고 정확하게 자동으로 격자를 생성해준다. 두 소프트웨어를 통해 시간과 비용을 절약하며 프로젝트의 완성도를 더욱 높일 수 있다.   포인트와이즈 포인트와이즈는 과거 그리드젠(Gridgen)의 새로운 제품명이며, 2020년 케이던스와 한 가족이 되었다. 포인트와이즈는 격자 생성 솔루션 중 최고 수준을 지향하고 있으며, 전처리(pre-process)를 위한 대안으로 업계에서 자리잡아 왔다. 복잡한 형상, 특히 곡면 상의 격자를 더욱 매끄럽게 생성해주는 하이오더(High-Order) 기술은 엔지니어가 원하는 다양한 수준의 고품질 격자 생성에 대응하고 있다.   그림 2   그림 3   포인트와이즈의 주요 특징 하이브리드(hybrid), 오버셋(overset) 그리고 하이오더(high-order) 격자 생성 간편한 유저 인터페이스 타사 솔버(solver) 및 형상(CAD geometry)과 매끄러운 호환 글리프(glyph)를 통한 스크립트 및 템플릿 커스터마이징   피델리티 오토메쉬 피델리티 CFD(Fidelity CFD)는 회전체(turbomachinery) 유동해석 특화 소프트웨어인 누메카(NUMECA)가 2020년 케이던스와 한 가족이 되면서 향상된 인터페이스와 강력해진 기능과 함께 새로운 이름으로 선보이는 CFD 종합 솔루션이다. 특히, 피델리티의 격자 생성 전용 팩키지인 피델리티 오토메쉬는 어떠한 복잡한 형상에 대해 자동으로 빠르고 정확한 전처리 및 격자 생성이 가장 큰 특징이다. 그리고 케이던스의 강점 중 하나인 컴퓨팅 기술을 바탕으로 한 병렬 처리 기능을 이용하면, 수백만 개의 격자를 단 몇 분 안에 생성할 수 있다.    그림 4   그림 5   피델리티 오토메쉬의 주요 특징 피델리티의 단일 환경 안에서 모든 모듈을 간편하게 사용 형상의 빈틈을 자동으로 탄탄하게 채워주는 오토씰(AutoSeal) 모듈 격자 생성 모듈인 오토그리드(Autogrid)와 헥스프레스(Hexpress)를 통해 정렬 격자(structured mesh)와 비정렬 격자(unstructured mesh) 모두 생성 가능하며 서로 매끄럽게 결합된다. 각 격자 생성 모듈에 멀티코어를 지원한다. Surface to Volume(S2V)과 Volume to Surface(V2S) 방식 모두 적용 가능 타사 솔버 및 형상과 매끄러운 호환 파이썬(Python API)을 통해 반복되는 작업 자동화 및 커스터마이징   나인플러스IT 나인플러스IT는 케이던스의 국내 공식 채널 파트너이다. 2009년 설립 이후 케이던스의 소프트웨어와 엔지니어링 서비스를 국내 교육 기관, 산업체 그리고 연구소 등에 제공하고 있다. 오랜 기간의 경험과 축적된 기술력, 고객의 입장에 한 발 더 다가선 서비스로 국내 EDA, CFD 산업 발전에 밑거름이 되기 위해 최선을 다하고 있다.     ■ 기사 내용은 PDF로도 제공됩니다.

  15　THEME. 항공우주 산업 현황과 디지털 전환 트렌드 항공우주 산업 현황과 전망 / 최경화 항공우주 산업을 위한 디지털 혁신 지원 솔루션 / 김종국 디지털 엔지니어링 환경 구현으로 항공 우주 및 방위 역량 강화 / 임석용 디지털 전환을 통한 항공우주·방위 산업의 공급망 관리 효율화 / 오병준   Infoworld   Case Study 28　역사 보호를 위한 디지털 문화 보존 프로젝트　리얼리티캡처와 언리얼 엔진으로 유럽 왕실의 유산을 보존하다 32　‘아바타 : 물의 길’을 탄생시킨 물 표현 기술　물방울부터 파도까지 사실적으로 시각화하기 위한 시뮬레이션   People&Company 36　앤시스 스티브 블레이마이어 항공우주 및 방위 부문 CTO　디지털 전환 전략 통해 항공우주 및 방위 산업 시장 적극 공략 38　모라이 정지원 대표　자율주행 개발 위한 시뮬레이션의 가능성에 주목   New Products 41　다양한 산업에서 고폼질 시각화와 강력한 리얼타임 경험 제작 지원　트윈모션 2023.1 46　오토캐드와 동일한 사용법 및 호환성 제공하는 범용 CAD　프로지캐드 2024 프로페셔널 50　격자 생성 고민에 대한 솔루션 제안하는 CFD 소프트웨어　포인트와이즈 / 피델리티 오토메쉬 52　AI 기능 강화로 성능 높이고 전력소비 줄인 GPU　지포스 RTX 4070   Focus 55　에픽게임즈코리아, 언리얼 엔진 비즈니스 성과 및 신기술 발표 58　지멘스 DISW, 디지털 제조 혁신 위한 솔리드 엣지 2023의 신기능 및 활용법 소개 60　트림블 코리아, 디지털 건설을 위한 혁신 전략과 기술 소개 62　빌딩스마트협회, 빌드스마트 포럼 2023 통해 디지털 AEC 재조명 64　지멘스 EDA, “반도체 산업의 불확실성 극복 및 성장을 혁신 기술로 뒷받침한다” 66　SAP 코리아, 공급망의 회복탄력성을 위한 도전과제와 솔루션 제시 68　델, 하이브리드 환경에서 업무 효율 높이는 기업용 PC 제품군 소개   Column 71　책에서 얻은 것 No.16 / 류용효　디지털 치료제 혁명 76　디지털 지식전문가 조형식의 지식마당 / 조형식　챗GPT 온톨로지   On Air 80　캐드앤그래픽스 CNG TV 지식방송 지상중계　디지털 전환의 가치와 디지털 엔지니어링의 역할 / 애플리케이션 개발의 패러다임 바꾸는 로코드·노코드   78　New Books   CADPIA   Plant 81　KOEN의 디지털 트윈 발전소 구축 사례 / 김명규　인공지능과 3D 시각화, 초연결로 발전 운영 시스템의 통합 및 표준화 구현   AEC 86　BIM 칼럼니스트 강태욱의 이슈 & 토크 / 강태욱　드론 자율비행 제어 지원 플랫폼 픽스호크의 소개 및 사용 방법 92　데스크톱/모바일/클라우드를 지원하는 아레스 캐드 2024 (1) / 천벼리　아레스 캐드 2024의 신규 기능 96　새로워진 캐디안 2023 살펴보기 (7) / 최영석　Express Tools, 문자 기능 소개   Reverse Engineering 99　포인트셰이프 디자인을 사용한 역설계 사례 / 드림티엔에스　엔진 기어박스 스캔 데이터 역설계 작업 과정 102　이미지 정보의 취득, 분석 및 활용 (5) / 유우식　시간 측정   Mechanical 114　제품 개발 혁신을 가속화하는 크레오 파라메트릭 9.0 (10) / 김주현　향상된 인체 공학 설계   Analysis 120　앤시스 워크벤치를 활용한 해석 성공 사례 / 송채영　앤시스 디지털 트윈과 하이브리드 애널리틱스   Cloud Computing 125　산업 현장에서 활용할 수 있는 AWS IoT 서비스 (1) / 조상만　AWS IoT를 활용한 스마트 공장의 구현   Machine Learning 130　자율주행의 인지 성능 향상을 위한 데이터셋 생성 기술 (2) / 김은정　모라이 심의 데이터셋 생성 기술 소개   PLM 133　제조기업의 미래를 위한 PLM 이야기 (4) / 김성희　상품 기획과 PLM      

케이던스가 포괄적인 전산유체역학(CFD) 솔루션 제품군인 케이던스 피델리티 CFD(Cadence Fidelity CFD) 소프트웨어를 출시했다. 케이던스는 2021년 NUMECA(뉴메카) 및 Pointwise(포인트와이즈)의 인수를 바탕으로 CFD 엔지니어가 간소화된 워크플로에서 다중물리(멀티피직스) 시스템의 성능을 시뮬레이션할 수 있는 기술 통합을 진행해 왔다.  피델리티 CFD에는 폭넓은 유동 타입을 해석하기 위한 범용 유동 솔버와 함께 해양 및 터보 기계 분야를 위해 특화된 유동 솔버가 포함되어 있다. 특히 NUMECA와 Pointwise의 기술을 활용한 통합 메시 생성 기술은 항공우주 분야의 주요 고객에게 핵심적인 역량을 제공한다. 케이던스는 "유체 난기류에 대한 고급 시뮬레이션을 갖춘 피델리티 CFD의 차세대 고차 유동 솔버는 기존 CFD 솔버보다 최대 10배 더 정확하게 자동차의 공기역학적 항력을 예측할 수 있으며, 정확한 시뮬레이션을 위한 처리 시간을 몇 주에서 하루 이하로 줄일 수 있다"고 설명했다.     자동차, 터보 기계, 해양, 항공 우주 등 수직 시장을 겨냥한 피델리티 CFD는 고차 숫자, 스케일 분해 시뮬레이션 및 대규모 하드웨어 가속을 특징으로 하는 차세대 유동 솔버를 도입하여, 정확도를 희생하지 않으면서 성능을 높이고 처리 시간을 단축한다는 점을 특징으로 내세운다. 케이던스는 피델리티 CFD가 ▲도로 차량 주변의 풍력 소음 해결 ▲차세대 항공기 설계의 비행 범위 확대 ▲풍력 및 가스 터빈에서 발생하는 전력 최적화 ▲해양 선박의 연료 소비 감소 등의 작업에서 정확도를 유지하면서 처리 시간을 줄일 수 있게 돕는다고 소개했다. 케이던스의 커스텀 IC 및 PCB 그룹의 톰 베클리(Tom Beckley) 수석 부사장은 "피델리티 CFD는 모든 산업 분야에서 유체역학의 성능과 정확도를 향상시킨다"면서, "자동차, 터보 기계 및 항공우주를 포함해 난기류를 정확하게 모델링해야 하는 고급 애플리케이션을 위해 피델리티 CFD 소프트웨어의 차세대 유동 솔버는 시스템 성능에 대한 엔지니어링 통찰력을 빠르게 얻을 수 있는 새로운 기회를 열어준다"고 소개했다.