지멘스 디지털 인더스트리 소프트웨어는 지멘스 엑셀러레이터(Siemens Xcelerator) 포트폴리오의 하나이자 신규 기능으로 강화된 주력 제품 엔지니어링 소프트웨어인 NX의 최신 업데이트를 발표했다. 이를 통해 모든 산업 분야의 설계자와 제조업체가 보다 우수하고 최적화된 제품을 빠르게 시장에 출시할 수 있도록 지원하는 것이 지멘스의 목표다. NX X 소프트웨어는 업계에서 수년 동안 사용해 온 NX 소프트웨어와 동일한 제품으로 클라우드에서 제공되며, 제품 수명주기 관리(PLM)를 위한 팀센터(Teamcenter) 포트폴리오 기반 내장형 데이터 관리 기능으로 더욱 강화된 제품이다. 지멘스의 서비스형 클라우드 소프트웨어 인프라에 정보가 저장돼 더 높은 유연성, 확장성, 협업을 제공하는 NX를 활용할 수 있다. NX X는 강화된 클라우드 기반 제품 엔지니어링으로, 원활한 협업을 위한 안전한 데이터 관리와 함께 데스크톱 설치 또는 아마존 웹 서비스(AWS)를 통한 브라우저 스트리밍을 지원한다. 또한 팀센터 X(Teamcenter X) 소프트웨어가 NX에 빌트인돼 데이터 관리 기능을 강화해 사용자에게 향상된 유연성과 기본 협업 기능을 제공하고 IT 관리에 낭비되는 시간을 줄여준다. 또한 유연하고 확장 가능한 라이선스를 통해 고객이 NX 기본 기능 외 애드온(Add-on) 모듈과 고급 NX 기능에 액세스할 수 있는 탄력적이고 비용 효율적인 방법도 제공한다. 110개 이상의 제품을 사용할 수 있으므로 고객의 워크플로에 가장 적합한 애드온을 탐색해 프로젝트의 요구 사항에 따라 유연하게 맞춤화할 수 있다. NX X는 새로 발표된 젤 X(Zel X) 소프트웨어와 연동해 사용할 수 있다. NX와 동일한 아키텍처를 기반으로 하는 젤 X는 지멘스의 차세대 브라우저 기반 엔지니어링 앱으로, NX 등 기타 엑셀러레이터 솔루션과 통합돼 제조 공정과 현장 운영을 간소화한다.     NX 이머시브 익스플로러(NX Immersive Explorer)는 데스크톱과 가상 현실 모두에서 높은 사실감으로 설계 검토, 가상 커미셔닝, 이해관계자 승인에 게이밍 수준의 환경을 제공한다. 2024년 12월에 출시되는 NX 이머시브 익스플로러는 주요 HMD 하드웨어 옵션을 지원하며, 사용자는 상호 작용 가능한 몰입형 포토리얼리즘으로 설계 프로세스 초기에 귀중한 인사이트를 얻을 수 있어 실제 프로토타입 제작에 드는 비용을 절감할 수 있다. 전체 어셈블리 관점에서 특정 부품에 집중하고, 개별 구성 요소를 검토하고, 마크업과 메모를 추가해 설계 검토 결과를 문서화할 수 있는 기능을 통해 완전히 새로운 관점에서 설계 프로세스를 수행할 수 있다. 한편, 지멘스는 NX의 AI 지원 설계 도구로 프로세스를 개선하고 가속할 수 있다고 소개했다. 토폴로지 최적화, 퍼포먼스 프레딕터(Performance Predictor), 자이로이드 모델링을 비롯한 새로운 AI 지원 도구가 명령 예측, 선택 예측 등 기존 도구와 결합돼 효율성을 높인다. 퍼포먼스 프레딕터는 개별 부품의 재질 선택에 의한 구조적 해석 결과에 중점을 둔 AI 기반 설계 시뮬레이션 도구이다. 설계자의 설계 변경에 의한 실시간 해석 결과를 통해 설계를 검증해 비용이 많이 드는 오류를 사전에 제거함으로써 혁신 프로세스의 속도를 높일 수 있도록 지원한다. AI 기반 토폴로지 최적화, 새로운 자이로이드 격자 기능을 활용한 내부 채우기 설계 기능과 2023년 도입된 디자인 스페이스 익스플로러(Design Space Explorer) 기능을 결합하면 설계자는 필요에 따라 성능을 발휘하는 최적의 부품을 만들 수 있다. 더불어 경량화 연구를 수행하고 적절한 경우 적층 제조를 활용할 수 있다. 이외에도 지멘스는 ▲정밀한 공구 경로 제어를 제공해 최적화된 가공과 우수한 표면 마감을 지원하는 고급 홀메이킹(holemaking)을 비롯해 부품 제조 속도와 제어 극대화를 위한 NX CAM 및 NX 에디티브 매뉴팩처링(AM) ▲NX, 캐피탈(Capital), 익스페디션(Xpedition), 팀센터를 통합해 전자와 기구 설계 팀 간 원활한 데이터 흐름과 협업을 가능케 하는 Managed Environment for Electronics Design을 비롯해 전기, 반도체 산업을 위한 향상된 기능 ▲건축, 엔지니어링, 건설(AEC) 워크플로를 위한 단일 다분야 플랫폼을 지원하는 종합적인 건설 정보 모델링(BIM) 도구 세트를 제공하는 NX BIM 기능 등의 업데이트를 소개했다.

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이에이트는 글로벌 이차전지 기업과 중요 생산 공정에 대한 시뮬레이션 적용 확대를 위한 검증을 성공적으로 완료했다고 밝혔다. 이에이트는 2023년 이차전지 제조공정에 시뮬레이션을 적용하였고, 올해는 적용 범위 및 수주 규모를 확대하여 솔루션을 납품하게 된다. 이에이트는 배터리 제조 관련 연구개발을 위해 다중 유체의 거동, 농도 확산에 의한 공침 현상을 해석하여 이차전지 품질 최적화 솔루션을 도출하였다. 이에이트의 입자 기반 시뮬레이션 소프트웨어인 NFLOW LBM(Lattice Boltzmann Method)을 통해 시간에 따른 유동장, 농도장, 화학 반응을 모사하는 거시적 솔루션을 얻을 수 있으며, 침전물의 핵 생성, 이동, 성장, 응집 모사 등 미시적 솔루션도 가능하다. 이에이트는 “기존의 수치해석 솔루션은 2~3개 화학종의 농도, 유동 해석에 국한되어 있었지만, 이에이트의 이차전지 시뮬레이션 솔루션은 4개 이상의 화학종을 다룬다. 또한 별도의 시드 포인트(seed point) 설정이 필요 없이 침전물이 생성되고 성장하는 양상을 자유롭게 모사할 수 있다”고 설명했다. 그리고 “LBM 기반의 유체 해석은 시스템의 규모가 증가해도 계산량을 줄이면서 정확한 결과를 도출할 수 있어 기존 솔루션들보다 뛰어난 성능을 보였다”고 덧붙였다.     이에이트는 이 솔루션에 대한 특허를 출원하여 지적재산권을 강화하였다. 이에이트 LBM 연구팀은 앞서 출원한 이차전지 시뮬레이션 기술의 연계법 등을 추가로 연구해 고도화된 시뮬레이션 기술을 후속 특허로 준비하고 있다. 또한 최근에는 적용 가능성 확대를 위하여 다상 유동의 시뮬레이션 안정성을 증대시킬 수 있는 연구를 수행하였다. 이 연구를 통해 다상 유동을 보다 안정적으로 해석하고 계산 비용 또한 절감할 수 있게 되었다. 이를 통해 냉난방 장치 내부 상변화, 시추에서 LNG/응축물 거동과 같은 현상을 보다 안정적으로 해석할 수 있으며, SCIE 저널인 Journal of Statistical Physics에 게재가 결정되었다. 이에이트의 김진현 대표는 “이차전지 분야 진출을 통해 입자 시뮬레이션의 확장성을 입증할 수 있었다. 이차전지는 성장성이 무한한 산업으로 실제 다수의 이차전지 제조기업으로부터 관련 문의를 접하고 있다. 또한 화학, 식품, 화장품, 제약 등 다양한 제조분야 산업 군에서 시뮬레이션 기술 문의가 이어지고 있다. 당사의 기술을 통해 제조 효율성과 품질을 개선함으로써, 고객사들이 더욱 경쟁력 있는 기업으로 거듭날 수 있도록 지원하겠다”고 전했다.

알테어가  HP와 재료 데이터 독점 공급 계약을 체결했다고 밝혔다. 이를 통해 HP가 제공하는 재료 데이터가 ‘알테어 머티리얼 데이터 센터(Altair Material Data Center)’에 추가된다. 알테어 머티리얼 데이터 센터는 설계자와 엔지니어가 다양한 재료 데이터를 검색하고 비교할 수 있도록 지원하는 데이터베이스이다.   양사는 3D 프린팅 부품의 설계와 생산 간의 단절을 해소하고, HP의 3D 프린터인 멀티젯 퓨전(MJF)과 메탈젯(MJ)의 부품 설계 정확도를 향상시키기 위해 협력하기로 했다. 이를 통해 알테어 머티리얼 데이터 센터를 이용하는 엔지니어는 HP 재료 데이터를 사용하여 효율적인 부품을 설계하고, 유한요소해석 기반 구조해석 수행을 비롯해 생산 전에 제조 결함을 예측하고 수정할 수 있게 되었다. 한편, 알테어는 HP와의 이번 협력으로 3D 프린팅 부품 설계 및 공정 시뮬레이션 기술을 한층 강화할 수 있을 것으로 기대하고 있다. ‘알테어 인스파이어 프린트3D(Altair Inspire Print3D)’는 금속 바인더 제팅 기술로 제작된 부품의 설계와 그 설계가 실제로 잘 작동하는지 시뮬레이션하는 기능을 제공한다. 이를 통해 구조적으로 효율적인 적층 제조 부품의 생성, 최적화 및 연구도 가속화할 계획이다.     알테어의 예시완트 멈마네니(Yeshwant Mummaneni) 데이터 관리 및 분석 수석 엔지니어는 “HP와 함께 3D 프린팅 부품 설계 및 생산 과정에서 정확한 재료 속성 데이터에 접근하는 문제를 해결하여, 고객들이 더 나은 결과를 얻을 수 있도록 지원할 수 있게 되었다”면서, “앞으로 더 많은 사람이 3D 프린터를 도입할 수 있도록 솔루션과 데이터베이스를 계속 제공할 예정”이라고 전했다.   HP의 아르빈드 랑가라잔(Arvind Rangarajan) 소프트웨어 및 데이터, 개인화, 3D 프린팅 글로벌 책임자는 “3D 프린팅은 전 세계 모든 기업과 산업에 새로운 기회를 제공하고 있다”면서, “알테어와의 협력은 기업이 더 나은 제품을 개발하고, 개발 시간 단축과 시제품 제작 과정을 최소화하는 데 큰 도움이 될 것”이라고 말했다.

이에이트는 2023년에 이어 국내 금융기관 데이터센터를 대상으로 재난재해 시뮬레이션 및 예방 대책 수립 용역을 수행했다고 밝혔다. 대상 지역은 인근에 산림과 하천이 인접한 곳으로 장마 및 국지성 폭우 시 침수 피해가 우려되는 지형이다. 이 사업에서 이에이트는 대상 건물과 주변 건물의 지하와 지상 층수 및 층고를 모두 반영하여 3D 모델링의 정확도를 높였다. 폭우에 따른 최악의 조건을 산정하기 위해 모든 건물에 대해 우수 관로를 반영하지 않고 시뮬레이션 해석을 진행하였으며, 최근 30년간 기록된 1시간 최다 강수량(92mm)과 이상기후를 고려한 집중호우(120mm)가 지속될 경우의 건물 침수 영향을 분석하였다. 동사의 자사의 시뮬레이션 솔루션인 NFLOW를 통해 강우량과 물의 흐름, 하수도 및 배수관 유입 등을 3D로 가시화하여 도심지 침수의 주요 원인 중 하나인 배수시설의 용량 부족을 확인하고, 이에 대한 보완책을 마련하였다. 재난재해 시뮬레이션 해석을 통해 고객사는 ▲폭우침수 피해 범위 확인 ▲차수벽 설치 등 대책 수립 ▲침수 발생 시 대피 경로 확보 ▲반복 시뮬레이션을 통한 이상기후 예방 프로토콜 마련 등 재난재해로부터 데이터센터의 취약점을 발견하고 예방책을 수립하였다.     AI와 클라우드 기술의 보편화로 데이터센터의 중요성이 더욱 커지면서, 기업들은 안전한 데이터센터를 구축하기 위해 재난재해 시뮬레이션에 많은 관심을 보이고 있다. 이에이트는 폭우·침수 시뮬레이션뿐만 아니라 군중 밀집 시뮬레이션, 화재 경로 시뮬레이션 등 다양한 분야에서 디지털 트윈을 적용하고 있다. 이에이트 관계자는 “비용 대비 기대 효과가 큰 디지털 트윈은 우리 일상에 필수 기술로 진화하고 있다”면서, “이에이트는 생성형 AI 기술을 접목하여 시뮬레이션의 정확도를 고도화하고 있다”고 사업 마무리 소감을 밝혔다.

문화유산 분야의 이미지 데이터베이스와 활용 사례 (7)   지난 호에서는 우리나라의 인쇄문화와 인쇄기술사를 이해하는데 고서 자형(字型) 데이터베이스가 얼마나 중요한지에 관해서 살펴보았다. 1448년에 인쇄된 ‘동국정운’, 1377년에 인쇄된 ‘직지’, 1239년에 인쇄된 ‘남명천화상송증도가’의 금속활자 인쇄본과 16세기에 목판으로 번각된 목판인쇄본의 글자의 크기와 모양도 비교해 보았다. 지난 십 수년간 이어진 금속활자를 둘러싼 각종 논란에 관해서도 간단하게 살펴보았다. 고서 자형, 활자의 크기, 모양, 특징 등에 관한 종합적 데이터베이스 구축의 중요성과 문화유산, 역사, 기술사, 인문학 분야에서의 활용 사례 및 활용 가능성에 관하여 살펴 보았다.  이번 호에서는 필사본 고서에 나타난 서체와 필사본 고서에 관한 데이터베이스의 중요성과 인문학 및 문화유산 분야에서의 활용 사례에 관하여 살펴보도록 한다. 한글의 창제와 반포에 사용된 판본체를 시작으로 한글 서체의 변화, 15세기부터 19세기까지의 다양한 한글 글자체를 소개하고 현대 한글 서체의 형성에 이르기까지의 변화를 살펴본다.   ■ 연재순서 제1회 이미지 데이터와 데이터베이스의 중요성 제2회 서화, 낙관, 탁본 데이터베이스 제3회 옛 사진 데이터베이스 제4회 한지 데이터베이스 제5회 고지도 데이터베이스  제6회 고서 자형 데이터베이스 제7회 필사본 고서 데이터베이스  제8회 목판본 고서 데이터베이스  제9회 금속활자본 고서 데이터베이스  제10회 근대 서지 데이터베이스  제11회 도자기 데이터베이스 제12회 안료 데이터베이스   ■ 유우식 웨이퍼마스터스의 사장 겸 CTO이다. 동국대학교 전자공학과, 일본 교토대학 대학원과 미국 브라운대학교를 거쳐 미국 내 다수의 반도체 재료 및 생산설비분야 기업에서 반도체를 포함한 전자재료, 공정, 물성, 소재분석, 이미지 해석 및 프로그램 개발과 관련한 연구를 진행하고 있다. 경북대학교 인문학술원 객원연구원, 국민대학교 산림과학연구소 상임연구위원, 문화유산회복재단 학술위원이다. 홈페이지 | www.wafermasters.com   그림 1. 월인석보 권1에 수록된 ‘훈민정음언해’의 판본체(국립한글박물관 소장)   판본체 지난 호에서 소개한 바와 같이, 인쇄술의 발명은 대량의 정보 공유와 지식의 보급을 가능하게 하여 인류 문화사 및 기술사적 측면에서 가히 혁명적인 사건이라고 할 수 있다. <그림 1>에 국립한글박물관이 소장하고 있는 ‘월인석보’ 권1에 수록된 ‘훈민정음언해’의 이미지를 소개하였다. 인쇄 기술로 인쇄하여 기성품처럼 동일한 글자 크기, 모양, 패턴으로 인쇄된 것으로 이러한 글자를 판본체(版本體/板本體)라고 하며, 손으로 쓰거나 이미 쓰여진 글을 손으로 옮겨 적은 필사본(筆寫本)과 구별된다. 한글 판본체는 한자의 전서(篆書)나 예서(隸書)의 획을 본으로 삼아서 쓴 것으로 획의 굵기가 일정하고 사각형에 가까운 틀을 가지고 있으며, 문자의 중심을 가운데에 두고 좌우가 비슷한 특징을 가지고 있다. 개인적인 의견이지만, 훈민정음 반포 당시의 15세기부터 나타난 글자체이지만 시각적으로 무게감과 안정감을 가지고 있다. 한글 판본체는 초성에 사용되는 자음과 함께 쓰는 모음에 따라 자음의 폭이 넓거나 좁게 변하고 받침의 유무에 따라서 초성과 중성의 크기가 달라진다.  ‘판본체’라는 이름은 목판인쇄와 활판인쇄에서 많이 사용하였다고 하여 붙여졌으며, 고체 또는 반포체라고 부르기도 한다. 훈민정음이 고안되고 반포될 당시의 서적에서 많이 사용되었다. 글자가 반듯하고 획이 굵은 서체로, 가독성도 좋고 비석이나 활자를 조각할 때에도 유리한 점이 많으나 붓글씨로 쓰기에는 불편한 점이 있다. 훈민정음 반포 후에 여인들이 붓글씨를 많이 쓰면서 궁서체가 확립되어 갔다.    한글 서체의 변화 지난 2019년 4월 30일부터 두 달간 문화재청 궁능유적본부 세종대왕유적관리소가 세종대왕역사문화관 기획전시실에서 세종대왕 탄신 622돌을 기념하여 ‘조선시대 한글서체의 아름다움’ 기획전을 개최했다. 한글 서체의 변화를 살펴볼 수 있도록 조선 전기·중기·후기로 나누어 시기별 대표 유물을 선보였다. 조선 전기 서체는 판본체 혹은 판각체(板刻體)라고 불리는 정사각형에 가까운 틀 속에서 동일한 두께와 각진 획의 모습으로, 필기보다는 인쇄를 전제로 한 것이었다. 한글 창제 당시 한글의 형태는 당시 일반적인 필기도구인 붓으로 쉽게 쓰기 어려운 기하학적 모양을 가지고 있었다. ‘용비어천가’와 지난 호에 소개한 ‘동국정운’ 등의 고서에는 당시 한글 서체의 특징이 잘 나타나 있다.  조선 중기 한글 서체의 특징은 보물로 지정된 17세기의 편지를 모아 놓은 ‘숙명신한첩’을 통해 알 수 있다. ‘숙명신한첩’의 글씨는 다음 절에서 시대순으로 정리한 한글 문서의 그림에서 볼 수 있다. 임진왜란(1592~1598)과 병자호란(1536~1537)을 거치면서 한글 서체는 궁체를 중심으로 자리잡게 된다. 조선 초기의 판본이나 활자본의 기본 형태에 붓으로 쓴 느낌이 가미되기 시작하여, 17세기 후반에서 18세기 초에는 궁체의 전형(典型)이 만들어지게 된다. 궁체는 주로 왕실의 필사본 서적에서 빼어난 모습을 볼 수 있다. 정조의 부인 효의왕후가 필사한 한글 소설 ‘곽자의전’과 ‘만석군전’의 이미지도 그림으로 소개한다. 붓의 꺾임과 부드러운 흐름이 매우 조화롭게 구현되어 있다.  한글 서체는 조선 후기에 들어서면서 국문학의 융성으로 필사가 늘어나던 영조와 정조 대를 거치며 정제되었고, 이후 순조부터 고종 대에 이르기까지 발전을 거듭하게 된다. 정조의 원손, 세손 시절부터 재위기간에 쓴 한글 편지글, 순조 비인 순원왕후, 순조의 셋째 딸 덕온공주의 글씨, 명성황후의 편지 글은 조선 왕실의 한글 문화를 보여주는 대표적인 자료이다. 이 밖에도 사대부가 아내에게 보낸 편지와 궁체로 거침없이 쓴 글, 민간에서 베껴 쓴 필사본 소설 등에서 획의 변화와 강약이 느껴지는 선을 엿볼 수 있다.   16세기의 한글 손글씨 1998년 경상북도 안동시 정상동에서는 택지 개발이 한창이었다. 이 때 개발 구역 내에 있는 선산의 대대적인 묘지 이전이 이루어지고 있었다. 안동대학교에서도 만일의 발견에 대비해 관련 유물 조사에 나섰다. 그런데 한 문중이 조상의 묘를 찾기 위해 돌아다니던 중 한 무연고 묘지를 발견하게 되었다. 이 무덤이 고성 이씨 집안의 묘라는 것이 확인되어 고성 이씨 문중에게 이를 알리게 된다. 묘지의 이장과 함께 안동대학교 인문과학연구소 발굴팀도 발굴에 들어갔다. 해당 무덤의 피장자는 이응태로 밝혀졌으며 그의 신장은 185cm로 추정되는 거구였다. 1998년 4월 25일, 이 무덤의 발굴에서 75점의 유물과 함께 한글 편지가 출토되었다.     ■ 자세한 기사 내용은 PDF로 제공됩니다.

시뮤텐스 소프트웨어를 활용한 복합소재 해석 (4)   시뮤워프(SimuWarp)는 아바쿠스/CAE(Abaqus/CAE)의 플러그인 형태로 제공되어 후변형 시뮬레이션을 위한 자동화된 모델 설정을 제공한다. 이를 통해 시뮬레이션 작업 흐름을 촉진하고 속도를 높이며 모델의 모든 관련 측면이 올바르게 설정되도록 보장한다.   ■ 자료 제공 : 씨투이에스코리아, www.c2eskorea.com   정확한 재료 모델링은 정교한 복합재 후변형 시뮬레이션의 핵심이다. 시뮤워프에는 광범위한 재료 모델이 포함되어 있어, 열가소성 및 열경화성 재료의 안정적인 후변형 예측에 필수적인 모든 재료 특성을 고려할 수 있다.     시뮤워프의 주요 기능 후변형(구성 요소 및 어셈블리) 예측           후변형은 폴리머의 온도나 형태 변화로 인한 수축 변형으로 인해 발생된다. 적용된 열 경계 조건에 따라 두께 방향의 응력 구배로 인해 부품 모양이 변형된다. 복합재를 사용할 때 섬유의 분포와 방향은 응력 구배의 추가적인 원인이다. 결과적인 응력 상태를 계산하면 해당 부품 변형을 예측하고 규정된 공차가 충족되는지 확인할 수 있다. 후변형 구성요소가 더 큰 어셈블리의 일부인 경우, 장착 후 개별 구성요소와 연결된 부품의 변형이 발생한다. 이러한 변형은 비용이 많이 드는 실험을 수행할 필요 없이 어셈블리를 시뮬레이션 모델에 통합하여 예측할 수 있다.   후변형 최적화     후변형 시뮬레이션에는 부품 및 프로세스 설계 중에 정의된 여러 측면이 통합되어 있다. 따라서 이러한 설계 변수와 관련하여 결과 부품 형상의 민감도를 결정하는 데 활용될 수 있다. 무엇보다도 이를 통해 변형을 최소화하거나 부품 모양을 의도적으로 조정할 수 있다. 후자는 부품의 목표 적용에 유리한 특정 잔류 응력 상태를 유발하는 데 사용될 수 있다.   열운동 분석     가열 및 냉각 공정에 대한 정확한 분석은 공정으로 인한 잔류 변형을 예측하는 데 필수이다. 시뮤워프는 온도 분포를 정확하게 모델링하고 가교 결합(열 경화성) 또는 결정화(열 가소성)로 인한 수축 변형을 유도하는 정교한 모델을 포함하고 있다. 이 분석은 완전한 기능을 갖춘 변형 시뮬레이션의 일부로 수행되거나 독립형(예 : 냉각 시스템 설계에 대한 빠른 평가)으로 수행될 수 있다.   구조 성능 평가     공정으로 인한 잔류 응력을 예측하면 부품의 예상 성능을 더 잘 예측할 수 있다. 예를 들어 중요한 측면은 피로 또는 강도가 될 수 있다. 시뮤체인(SimuChain)을 사용하면 변형 시뮬레이션 결과를 다른 수치 모델로 전송할 수 있다.     ■ 자세한 기사 내용은 PDF로 제공됩니다.

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.

앤시스 워크벤치를 활용한 해석 성공 사례   이번 호에서는 태성에스엔이의 자회사로 적층제조(AM) 전문 CAE 기업인 원에이엠이 한국항공우주연구원 우주발사체 엔진의 개폐밸브 하우징에 대한 L-PBF 방식 금속 적층제조 공정 중 발생한 과열 문제를 앤시스 워크벤치 애디티브(Ansys Workbench Additive)를 통해 검토하고 해결한 사례를 소개하고자 한다.   ■ 김재은 원에이엠 DfAM팀의 선임연구원으로 Ansys Additive 라이선스 및 다양한 적층제조 관련 교육을 담당하고 있으며, 적층제조 특화 설계를 통한 성공사례를 만들어가고 있다. 홈페이지 | www.oneam.co.kr   금속 적층제조 공정은 상대적으로 높은 설계 자유도 및 공정 자유도에 의해 항공우주, 모빌리티 등의 산업에서 고부가가치 제품의 생산 또는 개발 단계의 성능 검증과 제품 제작에 많이 이용된다. 특히 L-PBF(Laser-Powder Bed Fusion) 방식이 가장 널리 쓰이는데, L-PBF 방식의 금속 적층제조는 금속분말이 얇게 도포된 베드 위에 레이저로 고밀도의 에너지를 조사함으로써 제품을 생산하는 방법을 일컫는다. 균일한 두께로 얇게 도포된 금속 분말은 레이저에 의해 용융되고, 고화 및 분말 도포 과정이 반복되며 층별로 쌓임으로써 제품 형상을 구현한다. 이러한 생산 방식으로 인해 L-PBF 방식 금속 적층제조 공정에서는 필연적으로 열이 발생한다. 이 열을 안정적으로 해소하지 못한 경우 제품의 변형, 크랙(갈라짐) 등이 발생할 가능성이 높아지고, 심각한 경우 공정을 중단하는 사태에 이르게 될 수 있다. 따라서 제품의 개발 비용 손실 최소화 및 성능 만족 측면에서 적층제조 공정 중 문제를 일으킬 가능성이 높은 열 문제를 반드시 검토하고 해결해야 한다.    발사체 엔진 개폐밸브 하우징의 과열 탐색 필요성 한국항공우주연구원은 대한민국 항공우주 분야의 중심 연구기관으로, 항공기·인공위성·우주발사체의 종합 시스템 및 핵심 기술 연구 개발을 수행하고 있다. 최근에는 우리나라 최초의 달 궤도선 다누리의 개발과 국내 독자 기술로 개발한 한국형 발사체 누리호의 개발에 성공하였으며, 차세대 발사체 개발에 박차를 가하고 있다. 이러한 우주발사체의 추진력은 엔진의 점화와 연소 중단을 통해 얻는데, 이때 연소기 내에서 산화제(산소)와 연료의 공급/차단이 원활히 이루어지도록 하는 것이 개폐밸브이다.  개폐밸브는 액체산소(LOX)가 산화제로 사용되기 때문에 -183℃의 극저온 환경에서 안정적으로 작동하여야 하며 기밀, 열림 압력, 내구성 등 밸브 성능에 높은 신뢰성이 요구된다. 또한 밸브 크기 및 무게의 제한으로 인해 개발 요구조건 난이도가 높다. 이러한 개발 요구조건을 만족시키기 위해 개폐밸브 작동조건 및 환경을 고려한 설계와 함께, 극저온 취성을 포함한 우수한 성질의 소재로 제작하는 것이 필요하다.  앞선 요구조건을 만족하도록 연구개발 및 해석을 통해 개폐밸브 하우징은 위상최적화 기법을 도입하여 설계되었고(그림 1) 위상 구조가 복잡해짐에 따라 L-PBF 방식의 금속 적층제조 공정으로 제작이 결정되었다.   그림 1. 한국항공우주연구원의 개폐밸브 하우징   L-PBF 방식의 금속 적층제조 공정은 얇은 금속 분말 층을 레이저로 용융한 뒤 고화시키는 과정을 반복하여 쌓음으로써 제품을 생산한다. 때문에 금속 적층제조 공정 중에 필연적으로 열이 발생한다. 이렇게 발생된 열의 대부분은 전도를 통해 제품의 하단, 즉 베이스플레이트 쪽으로 이동하며 배출된다. 그런데, 이때 열을 충분히 해소시키지 못하는 경우 과열 문제가 발생할 가능성이 높다. 주로 베이스플레이트 쪽으로 열을 전도시키는 매개체가 부족하거나, 제품의 단면적 변화가 급격하여 열 전달의 병목 구간이 존재하는 경우 나타난다. 이러한 과열 및 적층 레이어 간의 높은 열 구배는 잔류응력을 유발하는데, 이는 제품의 과도한 변형 및 크랙(갈라짐)을 일으키거나 제조 공정이 중단되는 사태에 이르게 될 수 있다. 따라서, 금속 적층제조 공정에 들어가기 앞서 문제를 초래할 가능성이 있는 과열 영역에 대해 사전 검토가 필요하다.   그림 2. 과열에 의한 파트 변형 예   추가로, 금속 적층제조 공정에서 열 전도도가 낮아 열 배출이 용이하지 않은 소재를 사용할 경우 과열에 더 유의해야 한다. 대표적으로 철 합금, 니켈 합금, 티타늄 합금 등이 있는데, 이 소재들은 고강도, 극저온, 인체 적합성 등 특수한 사용 환경 및 조건에 의해 항공우주, 모빌리티, 의료 등의 분야에서 활용도가 높다.    그림 3. Ansys Additive Manufacturing Materials의 열전도도 비교   한국항공우주연구원의 개폐밸브 하우징도 마찬가지로 -183℃의 액체산소(LOX) 산화제를 사용하고 내압, 진동, 열변형을 견뎌야 한다는 운용 환경에 의해, 니켈 합금인 Inconel 소재로 금속 적층제조 공정을 수행하게 되었다. 따라서, 위상최적설계를 통해 형상 복잡도가 높아 열 배출이 어려워진 것에 더해, 열전도도가 낮은 Inconel 소재 적용으로 과열에 대한 위험성이 높아졌다. 또한 제품의 크기가 커서 대형 장비로 제작해야 되기 때문에, 소형 대비 제작 실패 시 발생 비용이 높다. 그러므로 개폐밸브 하우징은 금속 적층제조 공정 제작 난이도가 매우 높고 제작 실패 시 발생 비용이 크기 때문에, 사전 검토 단계에서 과열 영역 탐색을 도입하고 문제 발생 가능성이 높은 부분에 대해 예방할 필요가 있다. 따라서 이번 호에서는 앤시스 워크벤치 애디티브를 활용하여 해석적으로 과열 영역을 확인하고, 실제 제작된 제품과 비교함으로써 신뢰성을 확보하고자 하였다.     ■ 자세한 기사 내용은 PDF로 제공됩니다.

지멘스 디지털 인더스트리 소프트웨어(지멘스 DISW)는 지난 6월 4일 ‘오토모티브 엔지니어링 이노베이션 데이’를 진행했다. 이번 행사에서 지멘스 DISW는 최근 자동차 산업의 주요 이슈인 전기자동차(EV), 자율주행 자동차(AV), 소프트웨어 정의 자동차(SDV), 인공지능(AI) 등에 대한 자사의 비전과 솔루션, 사례 등을 소개했다. ■ 정수진 편집장     포괄적인 기술로 디지털 엔지니어링 구현 지멘스 DISW 코리아의 오병준 지사장은 “지멘스는 ECU(전자 제어 유닛) 칩부터 스마트 시티까지 아우르는 토털 아키텍처 및 솔루션으로 우리의 삶은 윤택하게 만든다는 ‘칩 투 시티’ 비전을 지향한다”면서, “디지털 엔지니어링 환경은 데이터의 흐름으로 직결된다. 데이터 환경 없이는 디지털 전환이 불가능하다. 지멘스는 통합 개발 환경으로 자동차 산업의 타임 투 마켓을 줄이는 동시에, 인공지능/머신러닝을 통한 자율주행의 완성까지 지원하고 있다”고 덧붙였다. 또한, 오병준 지사장은 NX, 팀센터, 심센터, 테크노매틱스, 폴라리온, 캐피탈, 멘딕스 등 지멘스의 솔루션 포트폴리오를 도입해 BOM을 통합하고 설계부터 생산까지 일관 프로세스 구축을 추진 중인 BYD 및 폴라리온 ALM(애플리케이션 수명주기 관리)을 통해 AI/ML 및 ECU의 통합 개발을 추진하고 있는 니오 등 자동차 업체 사례를 소개했다. 그리고, 자사의 포괄적인 솔루션 포트폴리오와 글로벌 엔지니어링 서비스를 통해 SDV, AI 등 자동차 산업의 이슈에 대응할 수 있는 역량을 제공한다고 전했다.   자동차 개발을 위한 시뮬레이션과 디지털 스레드 지멘스 DISW의 스티븐 돔(Steven Dom) 오토모티브 인더스트리 솔루션즈 디렉터는 ‘EV/AV 시대의 심센터 디지털 스레드 전략’에 대해 소개했다. 전기자동차와 SDV는 자동차 엔지니어링의 복잡성을 크게 늘렸다. 컴포넌트가 통합되고 하드웨어와 소프트웨어가 통합되면서 개발에 더 많은 시간과 리소스가 필요해진 것이다. 돔 디렉터는 “디지털화는 이런 복잡성의 문제를 해결할 수 있는 유효한 수단이며, 엔지니어링의 총체적인 전환을 통해 복잡성을 경쟁력으로 바꿀 수 있다”고 짚었다. 지멘스는 CAD 모델이나 해석 모델 기반의 디지털 트윈에 그치지 않고, 디지털 데이터의 연결된 흐름을 구현하는 디지털 스레드가 이런 문제를 해결할 수 있는 수단이 될 것으로 보고 있다. 특히 지멘스의 포괄적인 솔루션 포트폴리오인 엑셀러레이터(Xcelerator) 가운데 심센터(Simcenter)는 시뮬레이션과 테스트의 통합 및 다분야 엔지니어링을 통해 제품 혁신에 도움을 주고, 산업 전문성 및 베스트 프랙티스를 제공하면서 전체 제품 수명주기에 통합돼 프로세스 효율 향상을 지원하는 솔루션 라인업이다. 돔 디렉터는 이런 심센터가 제품 개발과 엔지니어링에 관한 자동차 업계의 문제를 해결할 수 있다고 소개했다. “심센터는 효율적인 협업 엔지니어링을 지원해 디지털 트윈에서 수명주기 전반의 가치를 창출할 수 있게 돕는다. 심센터가 제공하는 MBD(모델 기반 설계) 접근법은 가상 프로토타입 어셈블리(VPA)를 통해 차량의 NVH(소음 진동) 퍼포먼스를 예측할 수 있도록 한다. 또한 지멘스의 ‘실행 가능한 디지털 트윈(xDT)’은 스마트 버추얼 센서, 모델 기반의 시스템 테스트, 인 서비스 데이터 주도의 설계 등을 가능하게 한다”는 것이 그의 설명이다. 한편, 돔 디렉터는 디지털 트윈과 머신러닝의 결합 방법에 대해서도 소개했다. 인공지능/머신러닝은 더 빠른 의사결정을 지원하고, 물리 데이터 및 시뮬레이션 데이터의 품질을 높일 수 있으며, 사용자 경험(UX) 개선에도 활용이 가능하다. 지멘스의 심센터 스튜디오(Simcenter Studio)는 생성형 엔지니어링을 통한 제품의 개념 평가를 지원하며, 히즈 AI 시뮬레이션 프레딕터(HEEDS AI Simulation Predictor)는 물리 기반 시뮬레이션과 AI/ML을 결합해 설계 대안에 대한 평가와 의사결정을 더욱 빠르게 만들 수 있다.   ▲ 전동 파워트레인의 디지털 스레드 개발 워크플로   자동차 산업에서 AI와 가상 제품 개발의 활용 사례 소개 현대자동차의 한용하 연구위원은 “멀티피직스/멀티스케일/멀티레벨을 고려한 모델 기반의 자동차 개발 요구가 늘고 있으며, AI와 데이터 과학의 연계도 화두가 되고 있다”면서, 자동차 CAE 영역에서 현대자동차가 AI를 적용하고 있는 사례를 소개했다. 현대자동차는 프로덕트 AI/엔터프라이즈 AI/엔지니어링 AI 등 R&D를 위한 AI를 추진하고 있다. 그리고 AI 활용을 활성화하기 위한 핵심 요소로 R&D 데이터 허브 마련, AI 역량 강화, AI 활용 인프라 구축 등을 설정했다. 한용하 연구위원은 CAE/성능 예측 영역에서 AI가 성공하기 위한 요소로 데이터 정의 및 준비, 워크플로 구축, 도메인 지식을 꼽았다. 특히 “AI에서는 데이터가 핵심이다. 데이터의 준비 작업부터 데이터 재정의, 활용 시나리오를 고려한 체계적인 수집 방법론 등 폭넓은 고민이 필요하다”고 전했다. GM테크니컬코리아의 김태헌 상무는 물리 기반의 자동차 개발에서 가상 개발 환경으로의 변화에 대해 소개했다. 자동차 산업에서 가상 제품 개발의 한 가지 사례로는 ADAS(첨단 운전 보조 시스템)를 들 수 있다. ADAS의 개발 과정에서 도로의 데이터를 입력하는 데에 VR(가상현실)을 활용함으로써 개발 시간을 줄이고, 다양한 조건을 생성해 학습할 수 있도록 해 준다. 또한, 기존 데스트의 데이터와 CAE를 결합하면 풍동 실험을 대체할 수도 있다. 김태헌 상무는 “시뮬레이션은 눈으로 확인하기 어려웠던 것을 볼 수 있게 해 줘서 제품에 대해 더 잘 이해할 수 있는 기회를 제공하기도 한다”면서, “이전에는 테스트에 참고하기 위한 CAE 및 테스트 기반의 개발을 진행했다면, 이제는 전체 가상 차량을 만들어 다양한 시뮬레이션으로 자동차를 개발함으로써 프로토타입을 1/10로 줄일 수 있게 되었다. 가까운 장래에는 ‘제로 프로토타입’이 실현될 것”이라고 소개했다. 또한, “가상화의 종착점은 판매 가능한 완성도를 실현하고, 실물 테스트를 완전히 제거하며, 철저하고 엄격한 엔지니어링을 실현하는 것이 될 것”이라고 전했다. 한편, 지멘스 DISW는 이번 ‘오토모티브 엔지니어링 이노베이션 데이’에서 통합 디지털 개발 프레임워크, EV 전자장비의 열 문제 해결을 위한 시뮬레이션 전략, 자율주행 차량/모터의 설계와 검증 및 NVH 해석을 위한 솔루션과 사례, 모델 기반 개발과 AI ROM(축소 차수 모델)의 활용, EV/AV 엔지니어링 서비스 등의 내용을 소개했다.     ■ 기사 내용은 PDF로도 제공됩니다.