자동차 경주 대회 우승팀, 역시 그 뒤엔 옵티스트럭트!

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“하이퍼웍스(HyperWorks)를 사용한 작업은 지금껏 최고였으며 결과에 매우 만족합니다. 하이퍼웍스를 통해 우리는 휠 설계를 다듬어 최종적으로 자동차의 휠 세트를 개선할 수 있었습니다. 무엇보다 우리 팀이 얻을 수 있었던 주요한 이점은 탄소 섬유 복합 소재를 쉽고 효율적으로 설계하고 최적화할 수 있었다는 사실입니다. 연구를 하는 동안 원하는 작업을 효율적으로 수행할 수 있도록 해 준 도구는 하이퍼웍스가 유일했습니다.”

크리스토퍼 닐슨(Christopher Nilsen)
칼 폴리 포모나(Cal Poly Pomona)
CPP 포뮬러 SAE 팀 ME 설계 리더


학생 경주용 자동차 설계 및 경주 대회 포뮬러 SAE®
하이퍼웍스를 이용해 휠 쉘을 업그레이드 한 CPPFSAE팀의 결과는?

  SAE 인터네셔널(SAE International)이 조직한 학생 대상 설계 및 경주 대회 포뮬러 SAE®(Formula SAE®)에 참가한 수많은 설계 팀들은 포뮬러 스타일의 소형 경주용 자동차를 개발하도록 가상의 제조 회사와 계약을 맺었다는 가정 하에 경쟁합니다. 대회 중 각 학생 팀은 프로토타입 설계, 제작, 테스트를 거쳐 최종적으로 경주를 한 다음 일련의 규칙에 따라 평가를 받습니다. 포뮬러 SAE 팀의 일원이 됨으로써 학생들은 교실을 벗어나 실무 현장에서 실제 경험을 쌓고, 자동차 산업 및 기타 엔지니어링 분야에서 전문가로 성장하기 위해 알아야 할 모든 것을 배울 수 있습니다.

  오랫동안 참여해 오면서 매우 성공적인 성적을 거두고 있는 참가 팀 중 하나로 CPPFSAE(Cal Poly Pomona Formula SAE)를 꼽을 수 있습니다. 여타의 많은 팀들처럼 이들도 경주용 자동차를 설계, 개발, 제작 및 홍보하는 데 자신들이 가진 마케팅, 비즈니스 및 엔지니어링 지식을 모두 동원했습니다. 올해 출품한 프로토타입의 중량은 약 460파운드로, 4 실린더 모터사이클 엔진을 사용해 뛰어난 결과를 보여주었습니다. 2015년 제작한 차량은 호켄하임에서 벌어진 독일 대회에서 미국 팀 중 2위의 성적을 기록하는 국내외 대회에서 매우 뛰어난 성적을 거뒀습니다.

  개발 과정에서 이 학생들은 여러 설계(CAD) 및 엔지니어링(CAE) 도구로 눈을 돌려 가능한 최고의 결과를 얻었습니다. 지난 두 시즌에서 CPPFSAE 팀의 팀원들은 알테어의 하이퍼웍스 패키지를 특히, 복합재 구조를 설계하는 데 적용했습니다. 올해, 이 팀은 휠의 강성을 강화하고 스프링 하질량을 줄인다는 목표를 가지고, 자동차의 새로운 탄소 섬유 휠 쉘을 설계하는데 CAE 패키지를 성공적으로 활용했습니다.

CPPFSAE는?

  CPPFSAE는 국제 대학 설계 대회인 포뮬러 SAE에 출전하고 있는 학생들이 주도하여 운영되는 팀입니다. 포뮬러 SAE는 전 세계에서 가장 큰 대회 중 하나로, 세계 12개 국가의 학생들이 한데 모여 경합을 벌입니다. 참가 팀의 학생들은 칼 폴리 포모나(Cal Poly Pomona)에서 모든 정규 수업을 소화하는 동시에 출품할 경주용 자동차를 처음부터 설계, 제작 및 테스트하면서 수 백 시간을 실제 엔지니어링에 투자합니다. 포뮬러 SAE 대회에 참여하면서 발생하는 수 많은 과제와 도전을 헤쳐나가면서 이 팀은 업계 전문가와 교류할 뿐만 아니라 세계 각국에서 온 최고의 팀들과 경쟁합니다. 팀 활동을 통해 얻은 경험을 바탕으로 졸업생들은 세계 최고의 여러 자동차 기업에서 원하는 인재로 거듭납니다. 20년 넘게 대회에 참여해 왔으며, 현재 30명이 넘는 팀원으로 구성된 CPPFSAE는 명실공히 세계 최고의 팀 중 하나로 자리잡았습니다. 더 자세한 정보를 보시려면 www.cppfsae.com을 방문해 주십시오.

복합재로 더 뛰어난 자동차 휠 쉘 만들기

  포뮬러 SAE 콘테스트에 참가한 경험이 많던 적던 매년 대회에서 최고의 성적을 거두는 일은 항상 새로운 도전입니다. 설계 및 개발 분야와 실제 경주에서 우승을 차지하기 위해 각 팀은 매번 신소재와 신기술을 도입해 경주용 자동차의 성능을 개선할 방법을 모색하고 있습니다. 하지만 복합재와 같은 신소재에는 새로운 요구 사항이 따르기 마련이므로 당연히 새로운 설계 및 개발 과제가 생겨납니다. 각 소재가 제공하는 모든 이점 즉, 소재의 경량 설계 또는 잠재적인 강성을 최대한 활용한다는 궁극적인 목표를 염두고 두고 각 소재를 개별적으로 설계해야 합니다.

  예를 들어 복합재는 특히 중량 및 강성과 관련하여 많은 이점을 제공합니다. 하지만 이는 소재 및 복합재 부품이 제대로 설계된 경우에만 해당됩니다. 과거의 설계 경험을 바탕으로 CPPFSAE 팀은 휠의 강성 강화와 스프링 하질량 감소와 관련된 성과를 얻기 위해 2015 출품 자동차의 휠 쉘을 복합재(이 경우에는 탄소 섬유) 제작 부품으로 선정했습니다.

  새로운 휠 쉘을 설계 및 최적화하기 위해 엔지니어링 학생들은 라미네이트 복합재 설계가 가능한 소프트웨어 도구를 찾아야 했습니다. 금형에 맞는 탄소 섬유 라미네이트 프리프레그를 얻을 수 없다는 사실을 알게되었지만, 팀은 축소 사이클의 횟수를 늘리고 열 축소로 전환하여 이 문제를 해결했습니다. 그리고 이제 휠에 사후 기계 가공 공정을 수행해야 했습니다.

CS_CPP_FSAE_US-565▲ 이전 부품에 비해 강성이 강화되고 스프링 하질량이 줄어든 새로운 탄소 섬유 휠 쉘


최고의 기능을 제공하는 하이퍼웍스 채택!

  이 팀은 라미네이트를 설계 및 해석하는 과정에서 몇 가지 최고의 기능을 제공할 수 있는 알테어의 하이퍼웍스 패키지를 새로운 휠 쉘 설계 및 개발에 채택했습니다. 또한 휠 쉘은 구조 복합재의 전체 설계 공정을 진행하면서 구조 소재로 탄소 섬유를 적용하는 방법을 탐구할 수 있는 훌륭한 예시이기도 했습니다.

  설계 공정의 첫 번째 단계는 팀의 표준 CAD 시스템에서 형상 즉, 기본적으로 금형을 제작하는 것이었습니다. 그런 다음 CAD 모형을 하이퍼웍스로 가져와 학생들이 탄소 소재를 사용하기로 계획한 특별한 관심 영역을 비롯하여 모형의 표면 메시를 생성했습니다. 다음 단계로, 메시 맨 위에 얹을 라미네이트를 제작하고 옵티스트럭트(OptiStruct) 솔버를 사용해 유한요소해석을 실행했습니다. 최종적으로 옵티스트럭트의 결과를 바탕으로 파라미터, 레이어 및 레이어의 방향에 변화를 시도했습니다.

  이 팀은 약 10%의 강성 강화를 얻기 위해 필요한 레이어 수를 최소화한다는 목표에 따라 설계 최적화를 진행했습니다. 하이퍼웍스 덕분에 이 팀은 기본 최종 제품 제작까지의 공정을 일사천리로 진행할 수 있었습니다. 먼저, 하이퍼웍스에서 시험 소재의 플랫 프로브에 대한 간단한 가상 휨 시험을 구성하여 부품의 한쪽 끝에 지정된 하중을 인가했습니다. 캔틸레버 빔 시험을 통해 팀은 쉽게 재현할 수 있는 테스트로부터 휨 값을 얻기 위한 간단하고 신뢰할 수 있는 방법을 이용할 수 있었습니다. 그런 다음 동일한 실제 시험을 수행하여 하이퍼웍스 모형을 검증했습니다.

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▲ 탄소 섬유 휠 쉘 설계에 대한 모형 셋업 및 유한요소해석 결과.
오른쪽 윤곽 플롯은 림 근처에서 응력이 더 높은 영역을 보여줍니다.

CS_CPP_FSAE_US3▲ 소재 특성을 검증하기 위한 기본 탄소 섬유 소재의 물리적 테스트(여기서는 정적 휨 테스트).


강성 10% 강화, 스프링 하질량 감소!

  옵티스트럭트 사용을 통해 휠 쉘의 강성을 더욱 강화할 수 있었습니다. 복합재 설계 및 개발에 하이퍼웍스를 적용함으로써 이 팀은 선택한 부품의 강성을 10%까지 강화하는 동시에 탄소 섬유 복합재를 구조적으로 배치하는 방법을 배울 수 있었습니다. 구체적으로 이 팀은 하이퍼웍스를 사용해 다음과 같은 이점을 얻을 수 있었습니다.

  • 10%의 강성 강화
  • 스프링 하질량 감소
  • 설계 및 해석에서 생산까지 일사천리로 진행
  • 첨단 CAE 소프트웨어를 사용해 작업하는 방법 학습
  • 복합재에 간소화된 설계 및 개발 공정을 적용하는 방법 학습


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