설계 시뮬레이션

설계 시뮬레이션 은 제조업체가 제품 개발 시 해당 제품의 의도한 기능, 제품의 제조 가능성을 확인 및 검증할 수 있도록 도와줍니다. “시뮬레이션”이라는 단어는 종종 CAE(Computer-Aided Engineering) 의 일반적인 용어로 사용됩니다. 수년 간 다양한 설계 시뮬레이션 방식이 많은 업계에서 제품 개발의 표준 구성 요소가 되었으며, 사용자가 저렴하고 빠른 컴퓨터와 경제적이고 사용하기 쉬운 설계 시뮬레이션 소프트웨어 를 통해 신기술과 새로운 애플리케이션을 해결할 수 있으므로 그 중요성이 계속 증가하고 있습니다.

시뮬레이션 모델 은 실제 관심 영역에서 시스템의 동작을 나타내는 수학 방정식 집합입니다. 계산의 복잡도는 데이터의 가용성에 따라 달라지며 애플리케이션의 기능 및 설계 단계에 따라서도 다릅니다.

개발 초기 단계에서는 일반적으로 보다 단순한 시스템 표현이 해석 가정에 사용되며 개념 수준의 여러 실제적인 측면의 상호작용을 검증합니다. 개발 후반 단계에서는 일반적으로 매우 복잡한 애플리케이션 전용 모델이 검증 및 개선에 사용됩니다. 애플리케이션에는 구조적 동작, 음향, 시스템 동역학, 내충돌성, 열 해석 및 유체 해석, 응력 해석, 연료 소비율, 제어장치 개발 등의 다양한 부분이 포함될 수 있습니다. 다음과 같이 다양한 설계 단계와 애플리케이션을 지원하는 여러 기술이 존재합니다.

  • 1D CAE 또는 시스템 시뮬레이션
  • FE(유한 요소) 모델링
  • 경계 요소 모델링
  • 멀티바디 시뮬레이션
  • CFD(전산 유체 역학)

운용 조건을 경계 조건, 하중 조건 또는 구속조건의 형태로 추가할 수 있습니다. 이들은 이론적 가정, 측정된 데이터 또는 초기 시뮬레이션의 결과로 나올 수 있습니다.

가상 테스트 및 검증을 위한 설계 시뮬레이션

설계 시뮬레이션에는 다양한 운용 및 환경 조건에서 가상으로 제품 동작을 테스트하는 광범위한 해석이 포함될 수 있습니다. 시행착오 방식과는 대조적으로, 스마트 시뮬레이션 프로세스를 사용하면 개발 주기의 다양한 단계에서 선택한 설계에 대한 표적 구현이 가능합니다. 이를 통해 비용이 많이 드는 실제 시제품에 대한 반복적이고 시간이 많이 소요되는 테스트에 대한 필요성이 크게 줄어들게 되며, 따라서 총 개발 시간이 단축됩니다. 효과적인 설계 시뮬레이션 프로세스는 기업이 개발 비용을 절감하고 경쟁사보다 빨리 혁신적인 제품을 시장에 출시하는 데 도움을 줍니다.

생산을 고려한 설계 시뮬레이션

제조 프로세스의 시뮬레이션 또는 제품 제조에 사용된 제조 방법의 예측을 일반적으로 "프로세스 시뮬레이션" 또는 "가상 제조"라고 합니다. 여기에는 포밍, 가공 및 기타 설계의 제조 가능성을 결정하기 위한 프로세스의 시뮬레이션과 더불어 제조 방법에 따른 설계 변경의 영향에 대한 시뮬레이션도 포함됩니다. 또한 기본적인 기술(FE 모델링)은 동일하지만 위에 언급된 기존 응력 엔지니어링보다 제조 엔지니어링에 가깝습니다. 제품을 설계하면서 제조 프로세스의 시뮬레이션을 확인할 수 있으면 성능, 비용 및 품질에 맞춰 최적화된 제품 뿐만 아니라 최적화된 제조 프로세스도 구현할 수 있습니다.

시뮬레이션 모델과 실제 시제품

시뮬레이션 모델은 실제 시제품과 비교하여 제품 개발 프로세스에 더 많은 유연성을 제공합니다. 설계 대안을 작성하면 종종 몇 개의 버튼 클릭만 필요하며 이를 테스트하는 데는 복잡한 설정이 필요하지 않습니다. 게다가 설계 시뮬레이션은 실질적인 이유로 실제 테스트를 통해 얻을 수 있는 더 많은 유형의 해석 결과를 제공할 수 있습니다. 또한 시뮬레이션 모델을 사용하면 측정 장비를 물리적으로 이용할 수 없는 생산 위치에서 가상으로 테스트를 진행하고, 센서가 없는 경우 실제 크기를 출력할 수 있으며, 제조 프로세스를 파악하기 위해 작업 현장을 가상으로 살펴볼 수 있습니다.

테스트한 개체(제품)가 손상될 위험이 없기 때문에 다른 경계 조건을 적용할 때만 추가 운영 조건을 시뮬레이션하면 됩니다. 이 모델은 테스트해야 할 제품이 실제 예비 시제품이 없는 위성과 같은 경우 특히 유용합니다. 완제품이 테스트할 대상이고 극한 테스트를 수행하는 것이 바람직하지 않기 때문입니다. 또한 설계 시뮬레이션은 실제 테스트보다 넓은 운영 범위를 가지고 있습니다. 따라서 실제 환경에서는 생성하기 어렵거나 불가능한 조건을 가상으로 모델링하여 테스트할 수 있으며, 재료를 낭비할 위험이 없기 때문에 특정 제조 방법을 적용하기 위한 제품 정의에 대해 작업할 때만 새로운 제조 프로세스를 시뮬레이션하면 됩니다.

실제 테스트는 제품 개발에서 항상 매우 중요한 단계로 남아 있겠지만 시뮬레이션 모델을 사용하면 하나의 시제품 즉, 완제품만 만든다는 제조업체의 궁극적인 꿈에 가까워질 수 있습니다.

설계 시뮬레이션의 장점

설계 시뮬레이션의 장점에는 반복적인 실제 시제품 테스트가 없어짐에 따른 제품 개발 비용 및 시간의 절약과 품질 개선이 포함됩니다.

  • 제조 뿐만 아니라 기능적 성능에 대한 영향도 고려하여 설계 결정을 할 수 있습니다.
  • 다양한 기능적인 측면을 컨셉 개발 중에 균형 있게 조정할 수 있습니다.
  • 설계 대안은 비용이 많이 드는 실제 시제품에서 시행착오를 거쳐 테스트를 진행하지 않고도 효율적으로 평가할 수 있으므로 혁신적인 설계를 촉진하는 데 도움이 됩니다.
  • 시뮬레이션은 불필요한 재료와 부담을 제거하고 비용을 절감하며 설계 효율성을 개선하여 설계를 최적화하도록 지원합니다.
  • 설계 시뮬레이션은 설계 변경에 비용이 덜 들어가는 개발 프로세스의 초기 단계에서 성능 및 제조 가능성에 대한 심층 분석을 제공할 수 있습니다.
  • 상세한 특성별 모델을 검증하고 제품 개선에 사용할 수 있습니다.
  • 시뮬레이션 모델은 실제 시제품에서는 측정하기 어렵거나 불가능한 결과를 제공할 수 있습니다.
  • 시뮬레이션 모델은 극한의 운용 조건에서 가상으로 테스트할 수 있습니다.

설계 시뮬레이션 소프트웨어

설계 시뮬레이션 소프트웨어 애플리케이션의 예는 다음과 같습니다.

NX CAE는 엔지니어링 팀이 모델링 시간을 줄이고, 설계-해석 반복 과정을 단축하고, FEA의 생산성을 개선하도록 지원하는 현대식 시뮬레이션 환경입니다. NX CAE는 전처리 및 후처리, 구조/열/유동/모션/다중 물리학 해석, 최적화, 시뮬레이션 데이터 관리 및 시뮬레이션 기반 설계를 위한 솔루션을 제공합니다.

NX Nastran은 응력, 진동, 구조적 오류/내구성, 열 전달, 음향/소음 및 플러터/공력 탄성을 해석하는 유한 요소 솔버입니다.

LMS Virtual.Lab은 메카트로닉 시스템의 실제 성능을 시뮬레이션하는 유한 요소, 경계 요소 및 멀티바디 모델링 소프트웨어의 통합 도구 입니다. 복잡한 모델을 신속하게 구축하고 구조적 무결성, 소음, 소리, 진동, 테스트 결과와의 연계, 시스템 동역학 및 내구성 성능을 정확하게 검토하여 시제품 개발 훨씬 전에 설계를 최적화할 수 있습니다.

LMS Samtech에는 기계 시스템의 주요 성능 엔지니어링 특성을 시뮬레이션하는 FEM(유한 요소법) 솔버 도구가 포함되어 있습니다. 풍력 발전 터빈 개발, 회전 동역학, 구조 해석 및 열 해석, 복합소재 등과 같은 애플리케이션의 상세 요구 사항을 충족시키도록 설계되어 있습니다. 이 제품의 첨단 솔버는 비선형 FEM과 멀티바디 시뮬레이션을 모두 처리합니다. 또한 소프트웨어에는 고급 CAE 통합 플랫폼이 탑재되어 항공 엔지니어링 프로세스를 관리할 수 있습니다.

LMS Imagine.Lab은 설계 주기를 따라 가상 인텔리전트 시스템 설계를 진행하도록 도와줍니다. 모델 및 데이터를 생성, 관리 및 사용하는 데 필요한 모든 도구를 제공하므로 다양한 모델 기반 시스템 엔지니어링 요구에 대응할 수 있습니다. 또한 메카트로닉 시스템 시뮬레이션과 연관된 특정 문제를 효율적으로 처리할 수 있습니다.

Femap은 CAD 시스템에 독립적인 솔버 호환성 솔루션인 Windows 기반의 고급 엔지니어링 FEA용 전/후처리 프로세서입니다. Femap은 엔지니어와 해석자들에게 아무리 복잡한 작업도 쉽고 정확하게, 효율적으로 처리할 수 있는 FEA 모델링 솔루션을 제공합니다.

Solid Edge Simulation은 설계 엔지니어들이 Solid Edge 환경 내에서 디지털 방식으로 파트와 어셈블리 설계를 검증할 수 있도록 돕는 기본 내장된 FEA 입니다. 입증된 Femap 유한 요소 모델링 기술을 기반으로 하고 있는 Solid Edge Simulation은 물리적 프로토타입의 필요성을 크게 줄여 재료와 테스트 비용을 절감하는 한편 설계 시간을 단축시켜줍니다.

Fibersim은 첨단 복합소재로 만든 혁신적이고 내구성이 뛰어난 경량 제품 및 부품을 엔지니어링하는 데 필요한 고유하고 복잡한 설계 및 제조 방법론을 모두 지원하는 소프트웨어 제품군입니다. DFM 및 제조 엔지니어링을 통합하여 CAD-임베디드 제조 프로세스 시뮬레이션을 제공하며, 생산 가능성 시뮬레이션 기능을 통해 설계를 제조할 수 있음을 보장합니다. 또한 해석 인터페이스를 사용하면 세부적인 설계 데이터를 가져오고 내보내기 위해 다른 CAE 소프트웨어에 양방향으로 연결하여 제품 해석을 지원합니다.

SDE(Seat Design Environment)는 혁신적인 운송 시트 시스템 및 내장 구성 요소를 설계 및 제조하기 위해 상업용 3D CAD 시스템에 완벽하게 통합된 소프트웨어입니다. 완전한 디지털 제품 정의를 캡처하므로 대규모 실제 시제품을 없애고 CAD 임베디드 제조 프로세스 시뮬레이션을 제공합니다. 생산 가능성 시뮬레이션 기능을 사용한 제조 문제의 조기 진단을 통해 소프트웨어는 제품이 효율적으로 제조되고 스타일링 요구 사항을 충족하도록 보장합니다.

다음 소프트웨어 구성 요소는 설계 시뮬레이션 소프트웨어 개발자가 애플리케이션의 기초로 사용합니다.

Parasolid는 3D 지오메트리 모델링 컴포넌트 소프트웨어로서 Parasolid 기반 제품의 사용자들이 복잡한 파트와 어셈블리를 모델링할 수 있도록 지원합니다. 수백 여 개의 다양한 CAD, CAM 및 CAE 애플리케이션에서 지오메트리 엔진으로 사용됩니다.

D-Cubed Components는 소프트웨어 개발자들이 자체 제품에 통합하기 위해 라이선스할 수 있는 6개 소프트웨어 라이브러리입니다. 이들 라이브러리가 제공하는 기능으로는 파라메트릭 스케칭, 파트 및 어셈블리 설계, 동작 시뮬레이션, 충돌 탐지, 간격 측정 및 은선 표시 등을 들 수 있습니다.

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