위상 최적화 과정에서 흔히 범하는 5가지 일반적인 실수

top_op_001-002

  위상 최적화는 제품의 성능 목표를 만족시키면서, 주어진 하중 및 경계 조건에 대해 주어진 설계 공간 내에서의 재료 분배를 최적화하는 효과적인 접근 방식입니다. 초기 컨셉 설계 단계에서 이 위상 최적화를 사용하면 비싸고 번거로운 설계 반복 작업을 대체하여 시간을 절약하면서 최고의 설계 결과물을 얻을 수 있습니다.

  그렇다면 최적의 설계 안을 찾는 것은 복잡하진 않을까요? 알테어(Altair)가 제공하는 옵티스트럭트(OptiStruct) 또는 솔리드씽킹 인스파이어(solidThinking INSPIRE)와 같은 도구를 적절하게 사용하면 손쉽게 위상 최적화를 수행할 수 있습니다. 하지만 다른 여러 수학 관련 프로그램과 마찬가지로, 위상 최적화를 잘못 사용하면 잘못된 설계로 이어질 수 있습니다. 그만큼 프로그램을 실수 없이 제대로 사용하는 것이 중요합니다. 이번 시간에는 위상 최적화를 처음 실행하는 과정에서 자주 범하는 실수들을 살펴 보겠습니다.


설계 영역을 정의하지 않는 것

  위상 최적화는 제품의 패키징 영역을 결정한 후 설계 초기 컨셉 단계에서 수행되는 작업입니다. 가능한 모든 패키징 공간을 사용하면서, 이상적인 컨셉 설계를 제공할 가능성이 제일 크도록 설계 공간을 설정하는 것이 가장 이상적일 것입니다. 그러나 항상 그렇게 할 수는 없습니다. 패키징 공간 내에서 설계 공간을 정의하는 동안, 제조, 조립, 유지 보수 작업 동안의 사용자 및 도구의 접근성을 충분히 고려해야 합니다.

  일반적으로 기존의 설계는 위상 최적화에 사용할 수 있는 좋은 패키지 영역이 아닙니다. 기존 설계에는 이미 재료 레이아웃이 정의되어 있어, 최적의 컨셉 설계가 나오지 않을 것입니다.

  아래의 그림을 통해 확인해보려고 합니다. 표시된 그림은 자전거 로커 암입니다. 아래쪽에 있는 그림들을 위와 비교해보면, 설계 자유도가 최적의 하중 경로를 찾는데 중요한 역할을 하며, 이를 통해 더 나은 설계 제안이 가능함을 알 수 있습니다. ‘Design 2’는 동일한 양의 ‘디자인 1’보다 25% 더 뻣뻣하게 설정된 설계입니다.

new-pic

비 설계 영역을 정의하지 않는 것

  사용 가능한 패키징 공간에서 설계 영역을 정의한 후에, 비 설계 영역을 정의하는 것 역시 중요합니다. 최적화 과정에서 비 설계 영역은 최적화되지 않습니다. 이 부분은 일반적으로 시스템의 다른 구성 요소에 연결되는 연결 지점이거나, 시스템의 적절한 기능을 위해 꼭 존재해야하는 부분입니다. 이러한 비 설계 영역은 미리 정의해두어야 모든 제약 조건을 만족하는 설계를 얻을 수 있습니다.

과다한 구속 조건

  위상 최적화는 사람과 마찬가지로 충분한 설계 자유도를 가질 때 가장 잘 작동합니다. 최적화 과정에 제약 조건들이 너무 많아지면, 최적화 프로그램이 올바로 설계 영역을 탐색하지 못할 수 있습니다. 예를 들면, 위상 최적화를 실행하는 동안 강성, 강도, 응력, 빈도를 동시에 제한하는 것 보다는, 다른 설계 목표를 위해 세밀하게 조정하고, 강도 조건으로만 컨셉 설계를 유도하는 등의 방법이 더 효과적입니다. 최적화의 이러한 공식화는 좋은 컨셉 설계를 얻기 위해 고려해야 할 가장 중요한 요소 중 하나입니다.

충분하지 않은 메시

  메시 품질에 따라 위상 최적화 결과는 크게 바뀌게 됩니다. 즉, 임의의 메시 조건에서 얻은 설계가, 다른 조건의 메시에서 얻은 설계와 동일하지 않을 수 있으므로, 충분히 좋은 품질의 메시를 가지지 않으면 원하는 설계 안을 얻지 못할 수 있습니다. 하지만 정제된 메시를 사용하면 설계의 일부가 더욱 복잡해지게 됩니다. 옵티스트럭트 내에서는, 최소한 3개의 엘리먼트가 제조 요소의 가장 작은 치수를 따르도록 요소 크기를 선택하는 것이 좋습니다.

위상 최적화 결과가 최종 설계 안이라고 단정짓는 것

  위상 최적화는 구성 요소들을 효과적으로 설계하도록 필요한 방향을 제시하는 것이지 모델을 완전히 설계하지는 않습니다. 단지 여러분이 원하는 목표를 달성하도록 필요한 정보들을 알려줍니다. 위상 최적화에서 얻은 결과를 바탕으로 설계자가 꼭 비용, 시간, 제조 타당성과 같은 요소들을 고려하여 최종 분석해야 합니다. 해석에서 물론 고려는 되지만, 필렛 및 모서리 깎기, 날카로운 모퉁이 제거, 하나의 큰 파트 형성을 위한 여러 개의 작은 파트 합치기 등에 대해서는 설계자가 다시 한 번 판단하고 작업할 필요가 있습니다. 아래 그림은 폭스바겐(Volkswagen)의 엔지니어가 위상 최적화 결과를 토대로 재해석하여 엔진 브래킷을 설계한 예입니다.

top_op_002-002

  지금까지 위상 최적화 작업을 수행하는 동안 범할 수 있는 5가지 실수에 대해 살펴봤습니다. 위와 같은 실수 없이 앞으로 더 효과적인 설계를 제안해주는 위상 최적화 도구를 똑똑하게 사용하시기 바랍니다.


기리시 무디곤다(Girish Mudigonda)
알테어의 해석 부문 전문가

127

기리시는 알테어의 해석 부문 전문가로, 현재 옵티스트럭트 사용을 늘리는 글로벌 사업 개발 업무를 하고 있습니다. 하이퍼웍스의 성장 및 판매를 지원하는 애플리케이션 엔지니어로, 2013년에 알테어에 입사했으며, 현재 부서에는 2015년에 옮겨졌습니다. 알테어에 오기 전 그는 설계 과학 엔지니어로서, 주요 OEM에서 근무하면서 구조 해석 및 최적화 경험을 많이 쌓았습니다. 기리시는 인도 하이데라바드의 JNTU에서 항공우주공학 학사 학위를 취득하였으며, 버팔로에 있는 뉴욕 주립 대학에서 기계공학 석사 학위를 취득했습니다.


[원문보기]