OptiStruct Unique NVH (진동 소음 해석기술)

최근 몇 년 동안 OptiStruct 솔버는 전 세계 다양한 OEM과 새로운 기술이 필요한 고객과의 협업으로 복잡한 NVH 해석을 간편하고 빠르게 수행할 수 있는 솔버 해석 기술 개발에 많은 노력을 기울여 왔고, 알테어의 NVH 진단을 위한 분석 유틸리티와의 밀접한 결합으로 글로벌 NVH 해석 표준 솔버로 빠르게 성장하고 있습니다. 이에 OptiStruct NVH 해석 기술의 주요 강점 내용을 소개하려고 합니다. 다루는 모든 기술들은 OptiStruct 사용자는 누구나 이용 가능한 기술들입니다. 목차와 각 목차에 대한 상세 내용은 다음과 같습니다.

1_565* 클릭하시면 크게 내용을 확인하실 수 있습니다.

1. One Step Transfer Path Analysis

전달경로해석(Transfer Path Analysis)은 소음의 전달경로를 파악하기 위한 방법으로, 동력기관과 현가장치 등의 차체 연결부위와 관련된 실내 소음 특성(음향감도)을 고려하여 문제되는 소음의 전달요소를 파악할 수 있는 기술입니다. OptiStruct는 몇 해 전 One-Step Transfer Path Analysis 기술을 탑재했으며 보다 효율적 프로세스를 구현하기 위해 연구개발을 지속하고 있습니다. OptiStruct Job 한번으로 차체 연결부로부터 음향감도 즉, 전달함수(Transfer Function)와 엔진 마운트 등에 전달되는 힘(Force), 포인트 모빌리티 등의 정보를 동시에 구해 .h3d 파일에 저장하기 때문에 복잡한 Transfer Path Analysis의 프로세스를 매우 간소화시킵니다. 이렇게 저장된 h3d 파일은 HyperWorks의 NVH TPA 유틸리티를 통해 실내 소음 저감을 위한 전달경로분석에 사용되게 됩니다. One-Step TPA의 OptiStruct의 명령은 PFPATH입니다.

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2. CDS Super Elements – Analysis time reduction (hours to minutes)

OptiStruct는 dynamics model reduction을 위해 슈퍼엘리먼트(Super Element) 기술을 제공하고 있으며 종류로는 Component Mode Synthesis(CMS)와 Component Dynamic Stiffness(CDS)를 지원하고 있습니다. CDS는 CMS 슈퍼엘리먼트와 비교하여 NVH Residual run에서 빠른 계산속도 성능을 보임으로 NVH 최적화 및 많은 솔버 run 횟수를 필요로 하는 DOE/Stochastic 목적으로 이용하기에 적합합니다.

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3. Fluid Grid Participation – More accuracy and reduced file sizes

유체절점기여도(Fluid Grid Participation)의 일반적인 사용 목적은 주로 차량 실내소음 해석 시 소음에 큰 영향을 미치는 판넬 위치를 파악하기 위해서 사용됩니다. OptiStruct의 유체절점기여도는 구조절점기여도(Structure Grid Participation)와 대비하여 약 1/100th 사이즈 정도로 매우 적은 .h3d 파일 용량으로 생성되기 때문에 보다 많은 관심주파수 영역에서 유체절점기여도를 관찰할 수 있게 합니다. 유체절점기여도를 사용하면 소음에 큰 영향을 미치는 주요 판넬 위치를 구조절점기여도 대비 3d contour로 명확하게 확인할 수 있을 뿐만 아니라 적은 용량으로 결과파일이 생성되기 때문에 솔버 run 시간도 단축시킬 수 있는 장점이 있습니다.

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4. H3D output – Reduced file sizes

OptiStruct의 output 파일은 주로 h3d을 이용합니다. 압축성능이 매우 뛰어나기 때문에 NVH 결과 포맷용으로 매우 효율적입니다.

5. AMSES – faster Eigenvalue solver with no additional cost

AMSES는 OptiStruct NVH의 faster 고유치 솔버입니다. 디폴트 솔버인 Lanczos 보다 모델에 따라 2~50배 이상 빠르게 고유치 및 고유벡터를 풀 수 있습니다. OptiStruct 자체 Built in 솔버이기 때문에 별도 라이센스 및 설치 과정이 필요 없으며 윈도우와 리눅스 머신을 지원합니다. AMSES는 Normal mode, Modal Frequency response, Modal Transient response, CMS 슈퍼엘리먼트 생성에 활용될 수 있습니다. OptiStruct 최신 버전의 계산속도는 더욱 빠르게 업데이트 되어 있고, 속도와 효율성에 대한 측면의 기술개발은 계속 업데이트 될 예정입니다. AMSES 솔버를 호출하여 사용하기 위해서는 OptiStruct의 EIGRA 명령을 사용하면 됩니다.

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6. AMSES = Three times faster than AMSL on Powertrain models

AMSES는 파워트레인과 같은 대부분이 콤팩트한 솔리드 모델인 경우 그 속도가 AMLS 솔버보다 빠른 것으로 평가되고 있습니다. 다량의 RIGID 요소와 함께 구성된 솔리드 모델에 대해 많은 고객으로부터 AMLS 타입의 솔버와 비교하여 약 3배 이상 고유치 계산 속도가 빠른 것으로 피드백을 받고 있습니다.

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7. FASTFR – FastFRS solver with no additional cost

OptiStruct의 FASTFR 솔버는 많은 모드 수와 가진 주파수가 포함된 Modal Frequency response 해석을 빠르게 계산하는 솔버입니다. 다량의 점성댐핑/구조댐핑 모델링은 Modal Frequency response 해석 모델은 속도를 저해시키는 요인이 됩니다. FASTFR 솔버는 점성댐핑/구조댐핑 매트릭스를 효율적으로 빠르게 처리하는 기술을 사용합니다. 점성주파수 의존 물성(MATFx)을 지원하며 윈도우/리눅스 머신을 지원합니다. OptiStruct 자체 Built in 솔버이기 때문에 별도 라이센스와 설치가 필요 없습니다. OptiStruct의 FASTER 솔버를 사용하기 위해서는 PARAM, FASTFR 명령을 사용합니다.

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8. PBUSHT – 1/10 the analysis time of NASTRAN

OptiStruct의 PBUSHT는 Nastran 대비 약 10배 정도 빠른 것으로 평가되고 있습니다. Nastran에서 PBUSHT를 사용하면 run times이 10~20배까지 증가할 수 있습니다. 반면에 OptiStruct에서 PBUSHT를 사용하면 실행 시간이 3-5% 정도만 증가할 뿐입니다.

9. Transient Acoustic Analysis – Important capability not in NASTRAN

OptiStruct는 Transient Coupled Structural-Acoustic 해석 기능을 제공하고 있습니다. 예를 들어 차량 스핀들에 시간 의존 하중을 적용하여 시간에 따른 acoustic 결과를 계산 출력합니다.

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10. Power Flow Analysis – Important capability not in NASTRAN

변형에너지는 에너지인 반면에 Powerflow는 Power의 물리량을 가집니다. OptiStruct는 Real[force*velocity]으로 표현될 수 있는 Powerflow 결과 값을 출력시켜주며, 특정 관심주파수에서 진동소음에 영향을 미치는 전달경로와 Power의 크기를 분석하실 수 있습니다. 예를 들어 모터 마운트에서 서스펜션으로의 파워 분석이 그 예에 해당합니다. 사용은 OptiStruct POWERFLOW I/O 명령을 사용합니다.

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11. Frequency Dependent Materials – Required for modeling of plastic and rubber components

MATFx라고 통칭해서 사용하는 물성 카드로 NVH 해석을 위해 MATF1/2/3/8/9/10 카드로 주파수 의존 물성 정의가 가능한 기능입니다. Frequency response 해석을 위해 필요에 따라 플라스틱 혹은 고무 성질의 주파수 의존 물성 적용이 필요할 경우 사용 될 것으로 기대됩니다.

12. Preloaded Frequency Response Analysis – Preloading causes frequency shifts

OptiStruct는 하중 상태(Preload)에서 Frequency response 해석을 구현할 수 있습니다. 즉, Preload에 의해 구조의 고유주파수가 shift되는 상황을 고려하여 진동해석을 수행할 수 있습니다.

13. Radiated Sound Analysis – No need for 3rd party codes like SYSNOISE

OptiStruct는 FEM 기반의 방사소음해석(Radiated Sound Analysis) 기술을 제공하고 있습니다. 마이크로폰에서의 exterior sound level을 계산할 수 있으며 별도의 음장 모델을 구성할 필요가 없습니다.

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14. BIOT Materials – Required for modeling of pads and carpets

OptiStruct는 Coupled fluid-structure Frequency response해석에서 BIOT 이론을 이용한 porous 물성을 지원하고 있습니다. 일반적으로 사용되는 어플리케이션은 차량의 트림 컴포넌트인 카펫, 폼 패드 등의 모델링을 위해 사용될 수 있습니다. 모델링은 CTETRA, CHEXA, CPENTA 솔리드 요소를 지원하고, MATPE1 물성 카드를 통해 정의됩니다. 주파수응답해석을 위한 직접법과 모달법을 지원합니다. BIOT 물성에 대한 판넬기여도와 절점기여도 계산을 지원합니다. Acoustic cavity(Fluid)와 Trim component(BIOT) 사이의 커플링 그리고 BIOT와 차체와의 커플링에서 고려되어야 하는 모델링 방법이 14.0 최신 버전에서 매우 개선되어 있기 때문에 더욱 쉽게 사용이 가능할 것으로 기대되고 있습니다.

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15. Fluid-Structure coupling visualization in HM – Debugging models time reduction and greater accuracy

Fluid-Structure coupling 주파수 응답해석에서 Fluid-Structure interface에 따라 response peak에 영향을 미치게 됩니다. OptiStruct Fluid-Structure interface 생성은 ACMODL 카드 정보에 따라 결정되고, ACMODL을 정의하지 않는다면 ACMODL의 디폴트 값에 의해 Interface가 결정됩니다. OptiStruct의 장점은 .interface 파일을 자동으로 출력시켜 주며 이 파일을 HyperMesh로 읽어 들이면 커플링 된 interface 정보를 쉽게 관찰할 수 있기 때문에 모델 디버깅에 매우 효율적입니다. 또한 커플링 된 element face의 백분율 정보를 알려주기도 합니다.

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16. Better ERROR and WARNING Messages – Debugging models time reduction and greater accuracy

에러 및 경고 메시지 출력 내용에 대해서 사용자가 이해하기 쉬운 텍스트 정보로 전달하기 때문에 모델링 에러를 쉽게 수정하고 디버깅 할 수 있게 합니다. 이것은 결국 해석 시간 절감에 효과로 이어집니다. OptiStruct의 에러/경고 메시지는 새로운 개발 기능들과 함께 버전마다 업데이트 되고 있습니다.

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17. Automatic correction of modeling errors – Debugging models time reduction and greater accuracy

OptiStruct는 NVH 모델링 에러 및 잘못된 결과가 나올 수 있는 실수를 예방하기 위해 모델 디버깅과 체크 기능이 우수합니다. GROUNDCHECK와 MECHCHECK을 이용하면 NVH 모델링 품질 및 massless mechanism을 체크하여 빠른 모델링 수정을 가능하게 합니다. 또한 모델링 에러를 감추어서 결과를 출력시켜 줄 수 있는 PARAM, BAILOUT과 같은 기능은 지원하지 않습니다. 기본적으로 OptiStruct는 모델링 에러를 쉽게 찾고 효율적 디버깅으로 정확한 결과가 확보될 수 있도록 하는 기능들에 대해 관심과 개발 방향을 가지고 있습니다.

18. Automatic output of PEAK responses – Analysis time and results file size reductions

NVH 해석에서 사용하는 주요 분석 결과는 모달/판넬/절점 등의 다양한 기여도뿐만 아니라 ODS, STRESS, Energy 결과 등을 사용하게 되는데 통상적으로 계산 전체 주파수에서 이 결과들을 출력하기 위해서는 많은 솔빙 시간 소요 및 디스크 공간이 필요하게 됩니다. 따라서 보통의 경우 엔지니어는 수동으로 관심 주파수 일부를 결정해서 데이터를 뽑게 되는데 솔버 두 번 run의 과정을 거쳐야 합니다. OptiStruct는 솔버 run 한 번으로 전체 주파수 범위에서 자동으로 peak response를 탐색해서 NVH 기여도 및 ODS, Energy 등의 정보를 출력하는 기능을 확보하고 있습니다. 기술의 사용은 OptiStruct의 PEAKOUT 명령문을 이용하여 해석 시간 절감 기능으로 활용할 수 있습니다.

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19. 2D Plotting Elements – Better visualization of results

NVH 해석에서는 Full mesh를 이용하여 모드형상을 분석하기도 하지만 plot 요소를 이용하여 분석하기도 합니다. OptiStruct는 NVH해석 분석에 Plate Plot 요소를 사용할 수 있습니다. Full mesh 모델 대비 결과 파일 용량을 많이 줄일 수 있기 때문에 솔빙 시간을 매우 단축 시킬 수 있습니다. Plate Plot요소의 사용은 1d Plot 요소와의 비교에서 Full mesh 모델 모드 분석 결과와 매우 유사하게 모드 분석을 가능하게 합니다. CMS 슈퍼엘리먼트에 활용할 수도 있습니다.

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1D Plot 요소의 경우 전체 형상을 알아보기 어려운 경우가 있지만 2D Plot 요소를 이용하는 경우 Full mesh와 매우 유사한 모드형상 Contour 분석을 가능하게 합니다. OptiStruct의 2D Plot 요소는 PLOTEL3와 PLOTEL4 를 사용합니다.

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20. Modal Participation results for CMS Super Elements – Analysis time reduction (hours to minutes)

Full mesh analysis를 통해 Modal Participation을 구하려면 대용량 모델인 경우 시간이 많이 소요될 수 있습니다. OptiStruct는 PFMODE 명령을 사용하여 CMS Mode로부터 Participation을 구할 수 있습니다. 또한 CMS 슈퍼엘리먼트에 Modal participation 정보를 저장해 놓을 수 있기 때문에 Residual run 시간이 full mesh run보다 절감될 수 있습니다.

21. Faster CMS Super Element generation (Can be 10 times faster than NASTRAN)

OptiStruct는 AMSES Faster 고유치 솔버를 이용하여 빠른 속도로 NVH CMS 슈퍼엘리먼트를 생성할 수 있습니다.

22. Single file Super Elements – Reduction in analysis setup complexity

OptiStruct 슈퍼엘리먼트의 가장 큰 장점은 점성/구조댐핑, 강성, 질량, Combined Fluid-Structure, 축약된 Coupling 행렬 정보를 모두 .h3d 파일 하나에 저장하기 때문에 슈퍼엘리먼트 파일 관리가 쉬우며 실제 계산용 NVH 모델 해석(residual run)에 매우 간편한 인풋문 구성으로 다량의 슈퍼엘리먼트 파일을 연계하여 사용할 수 있는 이점이 있습니다. CMS 슈퍼엘리먼트의 Residual run 결과는 Full model 해석과 매우 유사한 결과를 가지며 빠른 해석과 최적화를 위해 사용될 수 있습니다.

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23. GPFORCE results for Frequency Response – Reduction of Analysis complexity

OptiStruct는 Frequency Response 해석에 GPFORCE를 출력하도록 개발되었습니다. GPFORCE를 대신하여 Element Force를 사용할 필요가 없습니다. 이 기능은 Transfer Path Analysis 경우와 같이 GPFORCE 사용이 필요한 조건에서 많은 장점을 가질 것으로 기대됩니다. OptiStruct는 Frequency response 해석에서 GPFORCE output이 Local Coordinate System을 반영하여 출력됩니다. 이것은 Transfer Path Analysis 수행 시, Transfer Function(전달함수)의 input force의 Local Coordinate System과 동일한 좌표에 의해 GPFORCE를 출력할 수 있게 하는 예로 편리성을 설명드릴 수 있습니다.

24. Deadener Location Optimization

OptiStruct의 NVH 최적화 기술을 이용하여 실내 소음을 줄이기 위해 Front Dash, Front Floor pan, Tail panel 등의 차체 판넬에 적용할 수 있는 제진재 위치 최적화를 수행할 수 있습니다. 제진재의 위치 최적화는 OptiStruct의 Free Size(DSIZE) 최적화를 이용하여 수행하면 편리하고, Free Size 최적화는 요소 두께를 변수로 하는 최적화 기술입니다.

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25. ASSIGN UPDATE of optimized properties – Analysis set up time reduction

OptiStruct NVH 최적화 후 변경된 많은 치수(판넬두께, 빔의 단면 등) 변수의 새로운 설계 값을 검증해석에 쉽게 적용할 수 있는 기술입니다. ASSIGN UPDATE 명령에 OptiStruct 최적화 결과파일 중 하나인 치수변경 설계점 데이터가 있는 *.prop 파일을 연계해서 사용하면 쉽게 검증해석을 수행할 수 있습니다. 오리지널 FE 모델파일을 수정할 필요가 없기 때문에 해석 검증 시간을 매우 절감할 수 있습니다.

26. Multi-Model Optimization – Required for multiple NVH Analysis Optimization

Multi-Model Optimization은 OptiStruct의 최신 최적화 기술이며 다중 모델들을 OptiStrut에 적용하고 공통의 변수를 최적화할 수 있는 기술입니다. 목적함수를 다중으로 사용할 수도 있는 장점을 가진 기술입니다. 차량 NVH 최적화의 예는, 서로 다른 Bushing rate를 변수로 하는 Idle Shake & Rough Shake 두 NVH 모델에 대해서 single design Optimization run으로 목적함수를 만족하는 Bushing rate 공통 변수에 대한 최적 설계를 구현할 수 있습니다.

27. ERP Optimization – Widely used to reduced radiated sound profiles

OptiStruct는 Frequency Response 해석에서 Equivalent Radiated Power(ERP) 값을 출력하여 판넬로부터의 표면 방사 파워를 예측할 수 있게 합니다. 실내 소음의 주요원인이 되는 차체 판넬의 방사 파워를 줄이기 위한 방법으로 OptiStruct는 ERP 응답 예측뿐만 아니라 ERP 응답을 이용하여 NVH 최적화 기술을 탑재했으며 민감도 등을 포함한 효율적 알고리즘을 개발하여 사용해 오고 있습니다. Topology, Topography, Size 최적화 등 ERP를 줄이기 위한 형상최적화가 가능합니다. OptiStruct ERP 최적화는 판넬의 대용량 노드 수 및 모델의 크기에 있어서도 매우 효율적으로 계산할 수 있는 기능을 확보하고 있습니다.

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28. Output of Design Sensitivities to an Excel file – Quickly identify important design variables

OptiStruct 최적화의 민감도 즉, 설계변수에 대한 응답의 기여도에 대한 데이터를 OptiStruct는 다양한 포맷의 파일로 관찰하게 합니다. 대표적으로 엑셀, HyperView/Graph 등을 이용해 응답에 중요한 설계변수를 선정하는 데 활용할 수 있게 합니다. 최근에는 주파수응답해석(Frequency Response)에 밀접하게 연결된 OptiStruct의 Design Sensitivity Analysis(DSA)와 DSA 유틸리티가 별도로 개발하여 공급하고 있습니다.

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29. Global Search Optimization – Required for motor mount location and orientation optimization

OptiStruct 최적화는 Global Search Optimization(GSO) 기술을 지원하고 있습니다. Local optimum을 예방하고 Global optimum(전역 최적해)를 얻게 할 수 있는 기법으로 초기 설계점을 다양하게 입력하여 다양한 최적해를 구한 다음 그 중 best optimum 솔루션을 얻게 하는 솔루션입니다. NVH 적용 예로는, 차량 Rough road shake 하중에 대해서 운전자의 seat track의 진동특성 향상을 위해 최적화 한 Left/Right 모터 마운트 위치 최적화 등이 있습니다.

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30. 14.0: Structural damping on NSM data – Used to model the damping in carpet material

OptiStruct 최신 버전 14.0에서는 NSM(Non-Structure Mass)에 직접 주파수 의존 구조댐핑(GE)을 활용할 수 있는 기능이 포함될 예정입니다. 초기 개발의 목적은 차량 카펫 물성에 직접 댐핑을 모델링하기 위한 적용 방안을 구현하려는 기술입니다.

31. 14.0: Gasket Pressure Response for Design Optimization – Required for powertrain design optimization

OptiStruct 최신버전 14.0에서는 Gasket pressure response를 지원할 예정입니다. Gasket pressure는 Gasket 요소의 normal stress(sigma-zz) 이며 OptiStruct 최적화 기술로 파워트레인 설계에 활용하기 위한 목적의 기술입니다. 이 외에 Gasket 요소의 normal stress를 이용하여 최적화하고자 하는 모든 사용자에게 도움이 될 기술로 활용될 것으로 보입니다.

32. 14.0: Preloaded CMS Super Elements – Frequency shift taken into account in Super Elements

OptiStruct 최신버전 14.0에서는 하중 상태(Preloaded)에서의 CMS 슈퍼엘리먼트를 제공받을 수 있습니다. 따라서 OptiStruct의 CMS 슈퍼엘리먼트는 하중으로 인해 이동된 주파수 모델을 구현할 수 있게 되었습니다.

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