인스파이어, 설계자가 구조물의 거동을 이해하는 도구







“인스파이어는 설계자들이 구조물의 거동을 보다 잘 이해할 수 있도록 도와주는 대단히 유용한 도구 입니다. 인스파이어를 이용하면 좀 더 가볍고 강성이 큰 제품과 부품을 개발 할 수 있을 것입니다.”

미카엘 털너(Mikael Thellner)
스카니아(Scania) 위상 최적화 기술 매니저


스카니아는 상용차와 엔진을 개발하는 세계적인 자동차 메이커입니다. 스웨덴에 본사를 둔 이 회사는 100여개 국가에 판매와 서비스 조직을 두고 있으며 38,600명의 직원들이 일하고 있습니다.

자동차와 상용차 생산업체들은 신제품을 시장에 출시함에 있어 많은 도전에 직면하게 됩니다. 오늘날 CO2 배출 규제와 좀 더 효율성이 높은 차량을 원하는 고객의 요구로, 산업계는 가볍고 효율적인 그리고 좀 더 안전한 제품 개발에 주력하고 있습니다. 시장에는 업체 간의 경쟁이 대단히 치열하며 가격에 대한 요구도 증가하고 있습니다. 이러한 여건을 극복하기 위해서, 개발팀은 제품의 시장 출시 기간 단축을 위해 개발 프로세스의 속도를 높이고 있으며 현재의 프로세스를 개선하기 위하여 많은 노력을 기울이고 있습니다.

기존의 프로토 타입을 이용한 물리적인 시험들을 가상 시험으로 전환한 후에도 기업들은 설계와 기술파트 간에 반복되는 많은 작업들이 존재한다는 것을 인지하게 되었습니다. 스카니아는 이런 문제들을 해결하기 위하여 시뮬레이션이 설계를 리딩하는 시스템으로 전환하여 설계자가 본연의 설계 업무에 좀 더 전념할 수 있도록 하였습니다. 그리고 솔리드씽킹 인스파이어를 이용한 시뮬레이션과 최적화 작업을 개발 초기 단계에 적용할 수 있도록 프로세스를 개선하였습니다.

설계 프로세스에서 솔리드씽킹 인스파이어의 역할

인스파이어는 개발 초기나 컨셉 설계 단계에서 시뮬레이션과 최적화를 수행하는데 대단히 유용한 도구입니다. 인스파이어를 개발 초기 단계에 적용할 수 있도록 프로세스를 개선한 이후에는 설계 변경이 결정됨과 동시에 설계자는 인스파이어를 이용하여 작업을 시작하게 되었고, 문제에 대한 해결책을 보다 쉽게 찾을 수 있게 되었습니다: “어느 부품에 어떤 재료를 사용해야 하는가?”, “부품이 작용 하중을 견딜 수 있는가?” 와 같은 의문에 대한 해결책으로, 인스파이어는 CAD 환경에서 설계가 시작되기 전에 중요한 역할을 담당하고 있습니다.

프로세스는 스카니아 설계자가 설계 공간을 정의하고 하중과 경계조건을 설정, 최적화를 실행함으로써 시작됩니다. 인스파이어를 통하여 산출된 이상적인 구조형상은 CAD파일로 변환됩니다. 스카니아의 경우 CATIA를 이용하여 CAD 수정 작업이 이루어지고 이어서 응력, 변형 및 기타 사양에 정의된 성능 만족 여부를 구조해석을 통하여 평가하고 있습니다.

인스파이어가 사용되기 전에 이루어져야 하는 응력 기준 등의 업무는 CAE 엔지니어의 몫으로, 이는 설계자가 이를 평가할 만한 툴을 가지고 있지 않기 때문입니다. 물론 스카이나에서는 설계자가 CAD 환경 내에서 구조해석 업무를 수행할 수 있으며, CATIA 해석툴을 사용하기도 합니다.

scania

스카니아의 새로운 프로세스를 적용한 최근의 사례로 조향암의 재설계가 있습니다. 이 경우에 설계자는 먼저 CAE 파트가 제공한 새 부품을 위한 설계 공간과 하중, 경계조건을 인스파이어에서 정의하고 해석을 수행함으로써 설계자는 개념 단계부터 다양한 설계 조건을 검토할 수 있습니다. 그리고 이 결과들은 CATIA 내에서 분석되고 형상을 구체화합니다. 하지만 최종 설계 안은 CAE 엔지니어가 다시 정확하게 평가하게 됩니다. 설계 안은 성능 조건과 생산 타당성까지 고려하여 검토되는데, 이 때 판단의 기준은 시뮬레이션 결과 분석을 통하여 이루어집니다. 조향암은 안전 부품으로 물리적인 시험을 거치는 것은 필수적이며, 새로운 설계 안은 이 모든 시험을 통과해야 합니다. 이런 과정을 통하여 개발된 이 신규 부품은 무게를 30% 줄일 수 있었으며, 개발기간도 획기적으로 단축시킬 수 있었습니다. 이 프로젝트가 성공하게 된 중요한 요인 중의 하나는 설계자와 CAE 그리고 시험 간의 긴밀한 협조 관계였으며, 설계 초기 단계에 시뮬레이션을 적용한 것 역시 이런 성과를 달성할 수 있었던 원인 중에 하나였습니다.

최적화 툴(인스파이어)과 시뮬레이션을 설계 프로세스에 포함시킴으로써 설계자는 설계 안을 검토하기 위하여 CAE나 시험 쪽의 평가 결과를 기다릴 필요가 없게 되었습니다. 이것이 서로 다른 부서 간의 반복되는 업무를 줄일 수 있는 이유였으며, 현재 설계부서는 중량과 성능 조건 만족 여부를 바로 파악하여 설계에 반영할 수 있게 되었습니다.

해석에 필요한 하중/경계 조건들은 여전히 CAE 엔지니어가 제공을 하고 있으며, 필요에 따라 하루 이내에 이런 데이터들이 제공됩니다. 물론, 해석과정에서 해결해야 할 어려운 난제가 있다면, 이때는 CAE 엔지니어가 직접 해석을 수행하게 되고 그 결과는 설계자와 공유하게 됩니다. 이것이 ‘시뮬레이션을 통한 설계 확정’이라는 개발 프로세스의 기본 철학입니다.

다음 단계는?

새로운 프로세스를 적절하게 적용함으로써 스카니아는 이미 CAE와 설계 부서 간의 협업을 통해 많은 반복작업들이 줄어들고 있다는 것을 실감하고 있습니다. 프로세스가 성공하게 된 주요 원인은 인스파이어의 적절할 활용입니다. 마이클 털너는 “체중을 줄이는 데에는, 런닝화를 사서 조깅을 하는 방법 외에도 여러가지 방법이 있습니다. 이것과 같은 이치입니다: 프로세스가 시작될 때 꼭 인스파이어 라이선스를 구입하지 않아도 되며, 이 문제를 해결할 수 있는 다른 여러 방법들이 있을 것입니다. 하지만 이 프로세스를 정립한다면 여러분들은 시뮬레이션으로부터 설계라는 모든 이점을 누리게 될 것입니다.”라고 말했습니다.

이 프로세스를 채택함으로써 좀 더 가볍고 강한 부품을 개발할 수 있고, 설계자와 CAE,시험 엔지니어와의 밀접한 협업을 통해 개발기간을 단축하고, 비용을 절감할 수 있으며, 이를 통해 좀 더 나은 부품을 개발할 수 있을 것입니다.

* 스카니아 소개

스카니아는 100개가 넘는 국가에 판매와 서비스 조직을 가지고 있는 글로벌 기업입니다. 12,400의 직원이 7개 국가에서 제품을 생산하고 있으며, 6개의 신흥 시장에서 제품 센터를 가동하고 있습니다. 스웨덴 쇠데르텔리에 본사를 두고 있으며, 이곳에만 5,800여명의 직원이 영업을 포함하여 다양한 업무를 수행하고 있습니다. 쇠데르텔리에도 연구 및 개발조직이 있으며 3,300명의 직원이 근무하고 있습니다.


* 업종
– 상용차 / 승용차

* 과제
– 더 가볍고 구조적, 기능적으로 효율적인 부품 설계가 가능하도록 설계 및 개발 프로세스 가속화

* 알테어 솔루션
– 개발 체인 내에서 솔리드씽킹 인스파이어를 이용하여 시뮬레이션 기반의 설계 프로세스 개발

* 결과
– 조향암의 신규 부품 질량을 30% 감소
– 설계 프로세스 초기에 시뮬레이션을 통해 3배 빨라진 개발 시간
– 향상된 설계 품질
– 설계, 엔지니어링 및 테스트 부서 간의 보다 긴밀하고 효과적인 협력 가능

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