산업 디자인을 최적화에 결합하기

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  많은 산업에서, 구조의 강성, 강도, 무게, 비용과 내구성은 디자인의 중요한 부분이다. 최적화는 이런 것들을 고려하는 최초의 모양에서 사용된다. 그러나 어떤 어플리케이션에서는 구조의 외관이 제품의 기계적 성능만큼 중요하게 여겨지기도 한다.

  엔지니어링의 사고에 의하면 모양은 기능을 따라야 한다. 이는 해석자가 모터싸이클의 전방 상부 펜더(fender)를 개발하는 초기에 우연히 당시의 최신 최적화 교육이 동시에 이루어졌을 때의 정신이었다. 이의 목적은 펜더를 학습도구로 삼는 동시에 사용가능한 결과를 내놓는 것이었다.

  위상최적화(Topology Optimization, 여기서는 특정 디자인 영역 안에서 가장 유용한 물질을 찾아내는 것)는 이 길다랗고 유연한 부품의 최초 모드 진동수를 높이기 위해 펜더의 바닥 면의 뼈대 구조를 찾는데 사용됐다. 그러나 디자인팀은 그런 심오하고 확장된 뼈대 패턴은 몇 가지의 중요한 결점을 갖게 될 것이라고 지적했다; 제조중이나 사용중 진흙을 바르는 중에 부품의 성형면에 함몰을 가져올 것이라고.

  다음 시도는 토포그라피(제한 조건하에서 부품의 2D 도면에서 최적의 형상을 찾아내는 것)와 자유 크기 최적화(최적 요소 두께 찾기, 역시 제한된 조건에서)를 결합하는 것이었고, 그럼으로써 함몰과 진흙 도장중에 함몰의 위험을 피하고자 하였다. 나온 결과는 해석자들을 흥분시켰다. 디자인 팀이 설정한 구속 조건을 지키면서 모드 진동수에서 괄목할만한 성과를 얻어냈기 때문이다. 이 구조(재구축한 모델)의 최초 모드는 64hz에서 159hz로 증가했었다.

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▲ 초기 토포그라피 결과. “악어의 주둥이”

  이런 결과들은 자랑스럽게 디자인 팀으로 다시 보내졌으나, 산업 디자인 담당에게 계속 퇴짜를 놨다. 토포그라피로 나온 결과는 “악어의 주둥이”라는 별명이 붙었다. 해석자들은 디자인을 바위에 갈아 없애고 있다는 비난을 감수해야 했다.

  해당 차량은 SUV와 유사한 거친 크로스오버를 지향했음에도 불구하고, 차량의 디자인 언어는 여전히 스포티하고 부드러움을 지향하고 있었다. 디자인팀이 이런 디자인에 대한 이해도를 높이기 위한 토론을 열었는데, 그들의 언어가 최적화 용어로 변환이 안 된다는 난관에 부닥쳤다. 매끄러움과 속도를 전달하기 위해서 산업 디자이너들은 보다 복잡하고 가능한 X 모양의 토포그라피 최적화의 결과보다는 부드럽고 종적인 특징들을 가리키는 것을 선호했다.

  이런 이유로, 디자이너는 해석자 옆에 앉아서 극단적인 2D 대칭 조건이 중심점과 함께 펜더의 끝에 잘 진행하는지 결정하였다. 옵티스트럭트로 하여금 중심축으로부터 방사형으로 멀어지도록 구동하는 변수를 형상화하도록 했다.

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▲ 복사형 2D 대칭의 그림

  새로운 조건과 함께 최적화 결과는 미학적 요구를 충족시켰고 최초 토포그라피 최적화에 근접하는 기능을 수행했다. 최초 모드 진동수는 140hz로 증가했다.

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▲ 복사형 2D 최적화의 결과

  최적화의 근본 몇 가지에서 배운 것 외에 이 과정은 해석자와 산업 디자이너 간의 상호 이해도를 더 높이는 결과를 가져왔다. 나아가, 부품의 기계학적관점이 예술적 관점을 침해할 필요가 없다는 것도 보여줬다. 물론 그 반대 경우도 마찬가지다. 더 깊은 협력을 통해 산업 디자인 팀은 최적화가 일반적으로 아름답고 유기적인 결과를 만들어낸다는 것을 알았다. 엔지니어와 산업 디자이너 간의 초기에 있었던 갈등은 상호 도움을 받는 협업 관계로 발전하게 됐다.

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마이클 존슨(Michael Johnson)
알테어의 수석 애플리케이션 엔지니어

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2010년 프로덕트디자인의 멤버로 알테어에 합류한 마이클은, 현재 미국 중서부의 수석 애플리케이션 엔지니어입니다. 그는 세계 시장에서 15년 이상의 하이퍼웍스 경험을 가지고 있습니다. 그는 오토바이 분야에서 수많은 시뮬레이션과 최적화를 해결하는 알테어 클라이언트로 약 10년을 보냈습니다. 그는 위스콘신대학교 매디슨 캠퍼스를 졸업했으며, 지질 공학, 지질학 및 지구 물리학 학위를 보유하고 있습니다.


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