CAE를 활용해 엔진 개발의 미래를 촉진하다

내연 엔진 분야의 선도 업체

중국 최대 내연 기관 제조사인 Guangxi Yuchai Machinery Co., Ltd. (이하 Yuchai)는 여러 주요 국책 연구개발 (R&D) 프로젝트에 참여했을 뿐만 아니라 혁신을 촉진하는데 중요한 역할을 해 왔습니다. 자동차 시장 경쟁이 치열해지면서 다양한 요구사항이 조합되며 제조사에게 품질 향상, 제품 다양성, 제품 업데이트 가속화 등을 비롯한 여러 제품 설계 관련 과제를 안겨주고 있습니다.

CAE (Computer-aided Engineering) 소프트웨어는 전사적 정보 시스템을 사용해 제품 설계 주기를 효과적으로 단축시켜 품질을 향상시키고 효과적인 협업을 실현하는 데 중요한 역할을 합니다. Yuchai는 여러 소프트웨어 업체 중에서 설계부터 개발, 애플리케이션에서 서비스를 함께 하는 파트너로 Siemens Digital Industries Software를 선택했습니다. Yuchai의 공학 연구소 CAE 검증 부서의 Lu Xianglin은 프로젝트 담당자로 NX™ software와 Simcenter 3D 소프트웨어를 주로 사용합니다. CAE 검증 부서의 구조 해석 담당자인 Lu Xianglin과 Zhou Yangchun은 자사 개발 현황과 제품 계획, CAE 툴 업그레이드 및 최적화에 대한 심층적이며 고유한 인사이트와 풍부한 실무 경험을 갖추고 있습니다.

프로세스 및 품질 요구사항을 엄격히 준수

Guangxi Yuchai Machinery Co., Ltd.는 자동차, 건설 기계, 농기계, 선박, 동력기 등 방대한 제품에 사용되는 다양한 엔진 모델을 제조하는 독립 엔진 제조사입니다. Yuchai는 신제품을 위해 각 단계 작업을 분명히 정의하는 엄격한 개발 절차를 수립했습니다. CAE 부서는 전체 제품 개발 프로세스에서 매우 중요한 역할을 합니다. 예를 들어, CAE는 주로 설계 단계에서 제품 프로그램의 타당성을 검증하며, 최적의 프로그램을 선택하는 데 중요한 역할을 합니다.

Yuchai가 개발한 모든 엔진은 자체 개발 절차에 따라 포괄적인 CAE 해석을 거칩니다. 해석을 통해 제품 품질 및 개발 주기를 대폭 단축시킬 수 있는 개선을 위한 여러 유용한 제안을 얻을 수 있습니다. 또한 CAE 부서는 테스트 단계에서 오류 분석 수행 시 문제 해결 및 기타 프로세스를 빠르게 마무리하는 데에서도 중요한 역할을 합니다. Yuchai가 개발한 엔진 모델의 밸브와 피스톤 간에 충돌이 발생한 상황을 예로 들어보겠습니다. 회사 차원에서 원인을 알아내려고 갖은 노력을 해봤지만 수포로 돌아갔습니다. 놀랍게도 CAE 부서가 개입한 지 3일 만에 가공 과정에서 공급업체가 표시를 잘못해 발생한 조립 실수가 원인이었다는 점이 발견됐습니다.

이런 사례는 CAE 소프트웨어의 장점을 고스란히 보여줍니다. 다른 여러 CAE 솔루션 가운데 Simcenter 3D 소프트웨어는 그 적합성과 정확성, 신뢰성 등의 특성을 Yuchai로 부터 인정 받아 채택되는 영예를 누렸습니다. NX 플랫폼에 기반해 구축된 Simcenter 3D (구 NX CAE)는 CAD용 NX와 함께 사용하면 완벽한 CAD-CAE 경험을 제공하며, Yuchai는 이를 자사 혁신 및 개발 프로젝트에 20여 년간 사용해 오고 있습니다.

시장 변화 및 과제

자동차 시장 경쟁이 치열해지면서 고품질과 다양성, 유연성이 생산에서 차지하는 비중이 높아졌습니다. Lu와 Zhou는 변화하는 시장 요구사항은 기업 전략과 의사 결정에 영향을 미칠 뿐만 아니라 많은 제품 개발 문제와 과제를 초래한다고 설명합니다.

우선 커스터마이제이션 제품에 대한 시장 수요는 제품 카테고리 수를 늘립니다. 엔진 개발에는 다양한 CAE 시뮬레이션과 해석이 수반됩니다. 시뮬레이션은 제품 개발 전반에 걸쳐 사용되는데, 이로 인해 CAE 해석은 필요하지만 해석 리소스가 제한적이라 충돌이 발생해 설계 엔지니어이에 CAE 해석 결과를 즉시 전달할 수 없는 상황이 빚어집니다.

시스템 복잡성 증가는 제품 개발 프로세스 과정에서의 분야 간 협업을 요구합니다. 그러나 설계자와 CAE 해석자는 소속된 부서가 달라 소통하고 의견을 조정하는데 상당한 수고가 듭니다. CAE 해석자가 개선 사항을 제시하면 설계 엔지니어는 이에 따라 설계를 수정합니다. 이런 작업이 계속해서 반복되므로 CAE 해석자가 프로젝트 기한을 맞추고 본인의 능력을 최대한 활용하기란 역부족입니다.

Yuchai는 CAE 애플리케이션을 그리 활발히 사용하지 않던 상태였습니다. 소수의 CAE 엔지니어들이 시뮬레이션에 사용하는 수준에 그쳤습니다. 대다수 부품이 구조적 최적화를 거치지 않아 제품 설계 엔지니어들은 CAE를 늘려달라고 요구했습니다.

복잡한 시뮬레이션 모델 준비 과정에서는 데이터 처리 문제가 불거졌습니다. CAD 데이터를 CAE 소프트웨어로 가져올 때 변환하고 수정하는데 많은 시간이 걸렸으며, 모델에 오류가 발생하기도 쉬웠습니다.

뿐만 아니라 CAE 팀의 작업은 상당히 어려웠습니다. 이들은 바로 해석을 시작하지 않고, 밀려 있는 CAE 작업부터 처리했습니다. 그러니 CAE 해석 결과가 설계 엔지니어에 전달되려면 며칠에서 몇 주의 시간이 소요되곤 했습니다. 해석 병목으로 프로젝트 진행 속도를 일정하게 유지할 수 없었습니다. CAE 해석에 앞서 시범 제조용으로 설계를 바로 릴리스 하는 경우도 있었습니다.

신뢰할 수 있는 파트너, 우수한 솔루션

Yuchai는 2000년 초부터 NX 소프트웨어 제품을 사용하기 시작했습니다. 현재 Yuchai는 NX를 설계 소프트웨어로 사용하며 Simcenter 3D의 통합 CAE 기능과 Teamcenter® 소프트웨어를 PDM (제품 데이터 관리) 솔루션으로 사용합니다. 주로 제품 설계, 엔지니어링 도면 작업, 금형 및 금형 제작, CAE 해석 등에 이들 솔루션을 사용합니다. Simcenter 3D 소프트웨어 사용 범위의 깊이와 폭이 강화되면서 Yuchai는 시장 요구와 개발 작업 부하 사이의 여러 충돌을 완화할 뿐만 아니라 제품 개발 주기를 효과적으로 단축하고 전체 개발 및 설계 프로세스를 간소화했습니다.

Lu와 Zhou는 Yuchai의 시뮬레이션 소프트웨어로 Simcenter 3D를 선택한 경위를 설명하면서 본인들의 실무 경험을 바탕으로 여러 솔루션을 비교 분석했습니다. Simcenter 3D를 선택한 데에 영향을 미친 여러 요인이 있었습니다.

우선 설계자가 NX를 CAD 툴로 사용하고 Simcenter 3D도 NX 플랫폼에 구축되어 있으므로 Simcenter 3D를 사용하면 작업 방식을 변경할 필요가 없습니다. 사용 중인 NX 인터페이스 내에서 CAD 기능을 사용하고 CAE 해석을 수행하는 등 다양한 작업을 넘나들 수 있습니다. 이러한 간편한 사용법은 사용 용도를 늘리는데 일조했습니다.

Simcenter 3D와 Teamcenter는 완벽하게 통합돼 있어 CAE 사용자는 Teamcenter에서 CAD 모델 데이터를 직접 읽을 수 있습니다. 반면 다른 CAE 소프트웨어 제품은 CAD 데이터를 읽기 위해 매개체를 필요로 하며, CAD 모델 데이터를 잃을 수 있는 위험이 큽니다.

Simcenter 3D 소프트웨어를 추가적으로 개발하고 맞춤화하는 것도 비교적 쉽습니다. Siemens Digital Industries Software 전문가들은 1:1 교육 및 온라인 기술 지원을 비롯한 세부 지원을 제공했습니다. 이 소프트웨어에는커스터마이제이션 할 수 있는 API (Application Programming Interface)가 있어 내부 개체를 사용할 수 있습니다. 사용자는 이 API를 활용해 다양한 자동화 프로그램을 개발하고 NX 및 Simcenter 3D 기능을 맞춤화 할 수 있습니다. 또한 프로그래밍용 단계별 마법사를 통해 추가 시스템 기능을 쉽게 개발할 수 있습니다.

Simcenter 3D는 강력한 자동 메시 기능을 갖추고 있으며, 타사 소프트웨어가 필요하지 않습니다. 1천 자유도를 가진 모델을 단 10 분만에 메시 작업할 수 있습니다. 다른 메싱 툴에 필요한 복잡한 프리프로세싱이 없어 빠르고 간단합니다.

맞춤형 프로그래밍, 최적화 및 커스터마이제이션

Yuchai는 지속적인 개발을 통해 자사 요구사항에 맞게 CAE 용도를 변경했습니다. Yuchai는 CAE 작업을 다음의 두 영역으로 나눕니다: "혁신" 과 "성숙" 성숙 분야는 간단하고 반복적인 많은 작업을 다룹니다. NX는 전문가가 Simcenter 3D를 사용해 만든 간단하고 사용하기 쉬운 시뮬레이션 템플릿을 활용해 성숙 분야의 작업을 자동화 할 수 있습니다. 이 템플릿은 설계자가 CAE 해석 프로세스를 실행하는 데 사용할 수 있습니다. Yuchai는 NX 및 Simcenter 3D의 프로그래밍 기능을 토대로 세 가지 CAE 템플릿을 개발하고 이를 설계자가 사용할 수 있게 했습니다.

Yuchai가 Simcenter 3D와 NX를 함께 사용하면서 프로세스에 또 다른 변화를 불러올 수 있었습니다. 설계 엔지니어가 시뮬레이션 작업을 CAE 부서로 전송하고, 모델을 기다리거나 변환하지 않고도 부품 설계를 스스로 해석 할 수 있게 된 겁니다. 이를 통해 시간이 대거 절약됐으며, 프로젝트 전반에 걸쳐 CAE 해석을 적용할 수 있게 됐습니다. 반면 설계 엔지니어는 CAE를 사용해 여러 대안 설계를 해석하고 시험 제조에 가장 걱합한 설계를 선택할 수 있게 됐습니다. 가장 좋은 점은 설계자가 NX CAD 모델을 수정하면 Simcenter 3D 해석 모델이 자동으로 업데이트 돼 엔지니어가 여러 설계를 신속하게 비교할 수 있는 점입니다.

또한 해석 템플릿을 사용하면 설계 엔지니어는 부품 시뮬레이션 및 해석 시 본인의 CAE 해석 전문성을 적용할 수 있습니다. 템플릿 사용하기 위해 따로 교육을 받거나 설계 엔지니어의 작업 방식을 변경할 필요가 없습니다. 엔지니어 중심 해석은 효과적으로 기능하며 전문가의 CAE 해석을 보완합니다.

Lu와 Zhou는 Yuchai가 지속적인 제품 혁신과 개발로 각 계산 프로세스를 표준화해 자체 시뮬레이션 프로세스와 데이터베이스를 구축하고 설계 전문성을 확립해야 한다고 강조합니다. Yuchai는 전문 시뮬레이션 엔지니어가 결과 해석에 집중하고 설계 엔지니어가 보다 쉽게 사용할 수 있는 도구를 개발할 수 있도록 심층적인 맞춤형 프로그램을 개발을 이어갈 계획입니다. Yuchai는 Siemens Digital Industries Software와 파트너십을 통해 지속적으로 기능을 향상시키며 더 큰 성과를 달성하고자 합니다. Lu는“Yuchai는 우수한 제품으로 시장을 성장시키고 고품질로 고객을 사로잡으며 혁신으로 미래를 향해 나아갑니다" 라고 말합니다. "Siemens Digital Industries Software의 전폭적 지원으로 우리는 더 밝은 미래를 만들어 나갈 겁니다."