인스파이어 2014, 도대체 얼마나 좋아졌길래…


아래 내용은 ‘디벨럽 3D(DEVELOP3D)’에 소개된 인스파이어 리뷰 내용입니다.



개발하고자 하는 제품이나 부품에 대한 구체적인 설계 아이디어가 있는 경우에는 기존 시뮬레이션 도구를 효과적으로 활용할 수 있지만 개념 단계에 새로운 가능성을 검토하고자 할 때는 적합하지 않습니다. Al Dean은 이러한 단점을 해결하는데 적합한 solidThinking INSPIRE 최신 버전을 자세히 살펴보았습니다.

solidThinking INSPIRE가 출시된 지도 이미 몇 년이 흘렀습니다.

solidThinking INSPIRE는 기존 시뮬레이션 시스템을 사용해야 하는 설계자와 엔지니어가 FEA 환경에서 부담 없이 최적화를 활용하여 효과적으로 설계 타당성을 검토할 수 있도록 도와줍니다.

Smart-ForTwo-2015▲ INSPIRE는 기본적인 솔리드 모델링 도구 뿐만 아니라,
모델링을 위한 다양한 옵션과 새로운 툴들을 제공합니다.

이는 사용이 매우 간편한 인터페이스 뒤로 기술적으로 복잡한 것들을 감추어, 사용자가 보다 쉽고 빠르게 모델을 구성하고 해석 조건을 설정, 반복되는 최적화 작업을 수행하여 설계 방향에 대한 영감을 찾을 수 있도록 지원합니다.

INSPIRE는 여러 가지 형상을 사용하여 최적 안을 산출할 수 있는데, 이런 형상들은 기존에 존재하는 모델이나 다른 CAD 시스템에서 가져옵니다.

INSPIRE는 IGES 및 STEP와 같은 일반적인 표준 형식으로 데이터를 불러오며, Catia, JT, Parasolid, Pro/Engineer 또는 Creo, SolidWorks 및 NX 등의 데이터도 사용이 가능합니다. 이렇게 불러온 데이터를 이용하여 INSPIRE에서 작업을 시작하게 됩니다.

이전 버전의 INSPIRE는 CAD 시스템에서 데이터를 가져오거나 기본 모델 형태를 처음부터 구성하여 작업을 시작하였습니다. 이 때, 다른 시스템에서 불러온 형상에 문제가 있을 경우, 신속한 편집을 통해 적절한 형상 데이터로 수정해주는 기능이 부족했던 문제가 있었습니다. 2014 버전에서는 특히 이 부분에 대한 개선에 중점을 두었습니다.

먼저 기본적인 예를 들면, 이제 솔리드 형상의 표면을 원하는 위치로 밀고 당기기 위한 도구를 손쉽게 사용할 수 있게 되었습니다. 면을 선택하고 핸들을 끌기만 하면 되며, 솔리드 형상을 정리하는 도구도 있습니다.

표면을 선택하여 삭제하거나 포켓을 식별하는 등의 작업도 수행할 수 있으나, 이러한 기능은 최적화를 위한 특정한 기능이나 툴이 있을 경우에 가능합니다. 여기서 작업의 목표는 구성요소의 무게를 줄이는 것이지만 모델에는 수정하거나 재작업이 필요한 부품이 포함되어 있을 것입니다.

그러면 형상을 다시 정의하여(모델 중에 불 필요한 부분 삭제) 최적화를 위한 별도의 설계 공간을 설정해야 합니다. 이 내용은 아래에서 다뤄보겠습니다.

셋업 및 설계 공간

INSPIRE의 가장 강력한 기능 중 하나는 최적화 작업을 수행해야 할 부분을 모델 중에서 미리 설정해서 이 부분에 대한 최적화를 수행할 수 있다는 것이며 이 부분을 설계 공간이라고 합니다.

멀티바디(multi-body) 모델링 프로세스를 이해한다면 도움이 되는데, CAD 시스템에서 만들어 가져오거나 처음부터 만드는 경우(전자는 대개 복잡한 형태를 만들 때 이용되며 가장 효과적) 이러한 설계 공간의 정의가 필요합니다.

Smart-ForTwo-2015▲ INSPIRE의 새로운 기능을 이용하면 가져온 솔리드 형상을 대상으로
필요에 따라 형상 변경 및 수정을 진행할 수 있습니다.

어떤 방법으로든지 형상을 INSPIRE로 불러왔으면 마우스 오른쪽 버튼를 클릭하고 “설계 공간” 옵션을 선택하여 원하는 대로 정의할 수 있습니다.

이 부분은 사용자가 분별할 수 있도록 UI에서 밤색으로 표시됩니다. 끝났으면 이제 스터디의 특성을 정의할 차례입니다.

재료를 쉽게 정의할 수 있도록 강철, 알루미늄, 티타늄 및 몇 가지 플라스틱 옵션 등 가장 일반적인 엔지니어링 재료가 간단한 목록으로 지원됩니다.

다음으로 경계 조건을 정의하게 되며 명확한 하중과 제약 조건을 입력합니다. 대부분의 INSPIRE 명령 및 작업과 마찬가지로 화면 상단을 따라 나열된 아이콘 중에서 작업 대상을 선택하게 됩니다.

각각의 아이콘들은 이용하여 다양한 작업을 할 수 있으므로, 이 부분에 대해 좀 더 상세하게 알아 보는 것이 좋습니다. 예를 들어, 제약 조건 아이콘은 제약 조건만 포함하는 것이 아니라 선택하는 아이콘 부분에 따라 힘, 토크 및 압력을 적용할 수 있지만, 주의해야 할 점은 이러한 조건을 모델 영역에 반복적으로 적용할 수도 있고 또 대칭성을 부여할 수도 있다는 것입니다.

이를 통해 표준 대칭 평면을 정의할 뿐만 아니라 가공, 스탬핑 또는 몰딩에 적합한 최종 작업에 맞게 결과를 유도하는 조건들을 정의할 수 있습니다.

해석 및 최적화

2014 최신 버전에서는 최적화 프로세스가 보다 나아졌으며, 빠른 해석을 수행하는 기능이 시스템에 새롭게 도입되었습니다.

그 결과 하중 조건에 대한 선형해석이 신속하게 수행되어 그 결과를 제공하게 됩니다. (필요한 경우 한 번에 솔빙 가능).

Smart-ForTwo-2015▲ 수치적으로 최적화 된 형태에서 얻어지는 최종 결과가 어떤 모양일지 확인할 수 있습니다.
추가적인 스터디 기능을 사용하여 결과물을 더욱 세부적으로 최적화 할 수 있습니다.

해석 결과는 유형별로 구분하여 최대 주응력, 전단, 변위 등의 형태로 해석자가 볼 수 있으며, 범례 키에 필터링 도구가 있으므로 응력/변위 집중 영역을 빠르게 찾고 모델에서 이 부분이 어떻게 변화되는지 확인할 수 있습니다.

여기에는 두 가지 목적이 있습니다. 첫 번째는, 기대하는 결과에 부합하는지 확인하기 위해 모델의 상태를 점검하는 것이며, 두 번째는 최적화 프로세스 수행을 통해서 우리가 전혀 예상치 못한 혁신적인 최적 형상을 얻을 수 있다는 것입니다. 이 부분은 잠시 후에 알아보겠습니다.

다음 단계는 첫 번째 최적화 스터디를 시작하는 것입니다. 이 최적화를 위한 파라미터를 정의합니다(예: 강성 최대화 또는 중량 최소화).

특정한 안전 계수로 작업 범위를 국한하고, 고유 주파수를 설정하거나, 최소 두께 등의 제약 조건을 정의할 수 있습니다.

설계 진행

스터디가 완료되었으면 그 결과를 검토하게 됩니다.(최적화 아이콘에서 팝업되는 작은 플래그에 주의). 결과를 열면 작업할 결과 목록이 제공되며 그 중 하나의 최종 형태가 표시됩니다.

Smart-ForTwo-2015▲ 이 새로운 시뮬레이션 툴을 사용하여 최종 최적화 결과를 신속하게 분석할 수 있으므로
최적화 과정에서 하중 조건이 어떤 영향을 미치는지 확인할 수 있습니다.

원래 형상과 최종 형상 사이를 전환할 수 있는 토폴로지 슬라이더가 있으므로 최적 형상을 찾아가는 과정을 직접 관찰할 수 있으며 안전 계수, 주응력, 변형 등 다양한 인자를 포스팅하기 위한 쉐이딩 도구도 지원됩니다.

이전 버전에서는 여기서 작업이 끝이 납니다.

이 최종 메시 형상을 결과물로 사용하여 필요에 따라 보고서를 작성할 수 있습니다. 또한 이 결과물을 다른 디자인 환경에서 보완하고 재작업을 수행하는데 적합하도록 솔리드 모델을 수정할 수도 있습니다.

이 기능이 바뀌지는 않았지만 이를 보완해주는 몇 가지 툴이 추가되었습니다. 대부분의 3D 디자인 시스템에서 메시 데이터로 작업을 수행하기가 곤란하다는 것이 문제였습니다.

이러한 점을 인식한 solidThinking 팀은 메시에 존재하는 문제를 제거하는 평탄화 알고리즘을 구축하여 보다 표준에 가까운 CAD 형상을 STEP 파일 및 몇 가지 다른 형식으로 출력할 수 있도록 했습니다. 결과적으로 최종 데이터를 훨씬 간편하게 불러서 후속되는 작업을 할 수 있게 되었습니다.

기존 제조 공정의 경우에는 완전한 재작업을 피할 수 없지만 적층 제조 기법을 사용하는 경우에는 거의 아무런 추가 작업 없이 데이터를 그대로 이용할 수도 있습니다.

다음으로 앞에서 언급한 시뮬레이션 툴을 이용, 다시 해석을 수행하여 결과를 검증하고 이후 단계로 작업이 넘어 갈 수 있습니다. 처음에 스터디를 설정할 때 일반적으로 이미 하중 및 제약 조건을 정의했기 때문에 이 과정은 간단한 작업입니다.

결론

solidThinking INSPIRE가 출시된 이후로 수 년간 이 제품에 대하여 관심을 기울여 왔습니다.

시스템의 기본 체계는 변함이 없지만 제공되는 툴이 원래 기능에 충실할 수 있도록 많은 것들이 개선되었다는 점을 주목해야 합니다.



(그림 설명)
작업흐름: 3D 디자인 검토 및 실험

1. solidThinking INSPIRE를 사용하면 솔리드 형태로 푸시/풀 할 수 있는 2D 프로파일을 스케치하거나 다른 소프트웨어에서 CAD 파일을 가져올 수 있습니다. Parasolid, STEP, IGES, ACIS, JT 및 STL 형식 이외에 모든 주요 CAD 패키지가 기본적으로 지원됩니다.
2. solidThinking INSPIRE에 내장된 형상 간소화 툴을 통해 몇 번의 클릭만으로 구멍, 포켓, 임프린트, 만곡부 및 귀접이 등을 제거하여 “설계 공간”을 구성할 수 있습니다. 이는 새로운 부품이 차지할 수 있는 최대 공간(체적)을 의미합니다.
3. 설계 공간에 재료 및 하중 조건이 설정됩니다. 하중 조건은 힘, 압력, 토크 및 하중 지지부를 설정할 수 있으며, 분포 하중도 적용할 수 있습니다.
4. 최적화가 완료되면 생성된 설계 컨셉이 표시됩니다. 이 컨셉(아이디어)은 수치적으로 이상적인 재료를 사용하였을 때의 결과입니다. 일반적으로 이 최적 결과는 가볍고 강성이 우수하게 됩니다. 제조상의 다른 특별한 조건을 적용하여 또 다른 최적 개념을 도출할 수도 있습니다.
5. 변위, 안전 계수, 항복 비율, 인장력 및 압축력, 주응력 및 폰 미제스(von Mises) 응력 등 이용하여 선형해석 결과를 검토하고 고유 모드 결과를 이용한 평가도 가능합니다.
6. 외부 CAD 환경에서 추가적인 개선 작업을 진행하기 위해 산출된 디자인 결과를 평탄화하여 솔리드 형태의 파일로 내보낼 수 있습니다. INSPIRE에서 최적의 형상을 생성함으로써 디자인 주기 시간, 재료 소요량, 제품 중량을 모두 줄일 수 있습니다.


이 시스템은 새로운 디자인 가능성을 탐구하고 최적화를 위한 영감을 얻을 수 있습니다.

이 시스템의 목적은 완벽한 최종 최적 결과를 산출하는 것이 아니라, 다양한 조건과 제품의 성능 요구 사항을 적용하여 최적화와 결과를 도출하고 다시 추가 작업을 통하여 혁신적인 아이디어 및 방향을 찾아내는 것입니다.

그러나 최적화 프로세스의 최종 결과가 이러한 새로운 아이디어를 더욱 진척시키기고자 하는 것과 항상 일치하지는 않는다는 것이 문제였습니다.

이전 버전에서는 최종 결과가 메시였는데, 여러분 대부분이 알고 있듯이 주요 CAD 시스템에서 추가적인 재작업하는 경우에는 큰 도움이 되지 않았습니다. 재설계를 위한 참고 자료로 활용하는 데에도 한계가 있었습니다.

하지만 이번 버전부터는 후속 작업에 필요한 적절한 솔리드 모델을 구성할 수 있게 됨에 따라, 실제적으로 최종 안을 산출하는데 대단히 효과적이 되었습니다.

새롭게 추가된 해석 기능이 결합된 이번 INSPIRE 2014는 이전 버전에 비하여 훨씬 유용하다는 것이 필자의 의견입니다.

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