초고층 빌딩 엘리베이터에도 알테어 기술이?

2016-01-22  9.00.34 2016-01-22  9.08.56

2016-01-22  9.09.50

  “백팩(BackPack) 구조에 대한 컨셉 최적화 프로세스를 샌드위치 패널 벽체의 크기 최적화와 조합한 끝에 목표 중량보다 42% 가벼운 캐빈을 생산해내는 데 성공했습니다. 벽체를 탄소 섬유로 제작한다면 중량을 목표보다 56%까지 더 가볍게 만들 수도 있을 겁니다.”

차세대 엘리베이터. 경량화가 관건!

  건축 업계에서는 이제 빌딩을 더 높게, 더 정교하게 건설하고 있습니다. 현재 세계 최고층 빌딩은 아랍에미리트 두바이의 부르즈 할리파로 828m(2,717ft) 높이를 자랑합니다. 이 엄청난 높이는 곧 특별한 과제들을 해결해야 한다는 것을 의미하는데, 지상층의 사람들을 꼭대기 층까지 어떻게 효율적으로 운송하는가에 대한 문제도 그 중 하나입니다.

  오늘날 운행 중인 대부분의 엘리베이터 시스템은 빌딩 꼭대기 층에 있는 케이블 시스템을 통해 엘리베이터를 끌어올리고 내리는 방식입니다. 하지만 이 시스템은 최대 승강 높이는 대개 400m(1,312ft) 정도로 세계 최고층 빌딩 높이의 절반에 불과합니다. 이 전통적인 시스템만 이용하여 승객이 맨 꼭대기 층까지 가려면 엘리베이터를 두 번 이상 타야 합니다.

  독일의 티센크루프 기업(ThyssenKrupp Corporation)의 자회사인 티센크루프 엘리베이터(ThyssenKrupp Elevator)는 세계 최대의 엘리베이터 회사 중 하나입니다. 900개 사업장에서 50,000여 명의 직원을 보유하고 64억 유로의 매출을 올리는 이 회사의 제품은 세계 곳곳의 빌딩에 설치됩니다.

  티센크루프 엘리베이터의 설계 및 엔지니어링 팀은 전자기 구동장치를 각 캐빈 프레임에 부착하는 기술을 개발해냈습니다. 이 시스템은 지붕에 케이블을 장착할 필요가 없고, 800m 거리도 한 번에 쉽게 운행할 수 있습니다. 엘리베이터가 수직 방향뿐 아니라 수평 방향으로도 움직일 수 있습니다. 이 혁신적인 컨셉에는 그만큼의 제한도 따르는데, 그 중 가장 큰 제한은 이 시스템이 기존 엘리베이터만큼 많은 중량을 버티지 못할 거라는 사실입니다.

  티센크루프 엘리베이터는 새로운 설계를 통해 최대한 가볍게 만들어 캐빈의 적재 용량을 극대화할 방법을 찾아내고 싶었습니다.
자동차 및 항공우주 분야에서 제품의 질량을 감소하는 데 뛰어난 능력을 보여준 경험에 힘입어 알테어 프로덕트 디자인(Altair ProductDesign)이 설계의 중량을 최소화할 수 있는 방법과 재료를 알아내기 위한 파트너로 채택되었습니다.

  티센크루프 엘리베이터는 전자기 구동장치가 캐빈을 인양하는 방식으로 구현한 두 가지 컨셉 설계를 개발했습니다. 첫 번째가 ‘백팩(BackPack)’ 컨셉으로, 전자기 구동장치를 캐빈 뒷면에 장착하고, 아래쪽의 지지 구조물로 인양하는 방식입니다.

  두 번째인 ‘사이드가이드(SideGuide)’ 컨셉은 캐빈을 감싸는 프레임을 이용하는 방식으로 프레임 좌우에 구동장치를 장착해 캐빈을 인양합니다. 백팩과 사이드가이드 설계 모두에서 티센크루프 엘리베이터의 목표 하중은 기존 캐빈 설계에 비해 극도로 낮았습니다.

경량화에는 역시 옵티스트럭트

  이 목표를 달성하기 위해 알테어 프로덕트 디자인은 3단계 접근법을 개발했습니다. 첫 번째 단계에서는 알테어의 HyperWorks 시뮬레이션 도구 패키지에 포함된 설계 최적화 솔루션인 옵티스트럭트(OptiStruct)를 사용하여 백팩 컨셉에 대한 토폴로지 최적화 연구를 진행했습니다. 완전히 새로운 설계를 만들 수도 있는 유연한 환경에서 팀은 캐빈의 ‘설계 공간’을 구체적으로 정의했습니다. 소프트웨어가 재료를 자유롭게 제거할 수 있는 영역과 제자리에 그대로 두어야 하는 영역(도어 가이드 등)으로 구조물 영역들을 정의한 것입니다. 바닥에 가해지는 가속력, 벽체에 기대는 승객, 심지어 캐빈 위에 서있는 사람 같은 하중 정보를 티센크루프 엘리베이터에서 수집하여 소프트웨어에 입력했습니다. 그런 다음 옵티스트럭트는 설계 요구 사항을 준수하면서 캐빈 구조에 가장 효율적인 재료 레이아웃을 제안했습니다. 그리고 이 토폴로지 최적화 연구의 결과를 알테어 프로덕트 디자인이 해석하여 제조 가능성을 지닌 재료 레이아웃을 완성했습니다.

2016-01-22  9.10.34
▲ 컨셉 토폴로지 최적화 결과

2016-01-22 9.11.02
▲ 토폴로지 결과의 설계상 해석

다양한 구성 재료 탐구로 더 가볍게

  정의된 캐빈의 기본 구조를 바탕으로 알테어 프로덕트 디자인은 재료의 두께를 조사하는 두 번째 단계로 나아갔습니다. 알테어 팀은 다양한 재료 구성을 사용하여 중량을 더욱 최소화할 수 있지 않을까 조사해보고 싶었습니다.

  엘리베이터 캐빈의 벽체는 대개 금속 시트 패널로 만들어지지만 알테어와 티센크루프 엘리베이터는 알루미늄 또는 플라스틱 표면재에 폼 코어를 조합한 샌드위치 패널 구조로 무게를 더 가볍게 할 수 있을지 그 가능성을 알아보고 싶었습니다. 팀은 다시 옵티스트럭트의 도움으로 크기 최적화 프로세스를 진행해 벽체 표면 시트와 폼 코어의 두께를 연구했습니다. 프로필 단면과 시트 두께를 동시에 최적화함으로써 서로 다른 재료 조합의 이상적인 레이아웃을 알아냈습니다.

  이 프로젝트의 세 번째 단계는 새로운 재료를 알아내는 일이었습니다. 알테어 프로덕트 디자인은 탄소 섬유 작업에 대해 탄소 섬유가 가벼운 대체재로 관심받고 있는 자동차 및 항공우주 시장에서 경험을 쌓았습니다. 이 팀은 새로운 캐빈의 벽체 재료로 탄소 섬유를 쓸 수 있을지 알아보고 싶어서 재료의 이상적인 두께뿐 아니라 각 레이어의 이상적인 섬유 플라이 형상과 적층 방향까지 알아내기 위한 최적화 연구 개발에 착수했습니다. 이 동일한 프로세스는 사이드가이드 컨셉에도 적용되었습니다. 이를 통해 얻은 상세한 결과를 티센크루프 엘리베이터에 제공해 개발 작업을 계속 진행하기 위한 최선의 시스템을 결정하도록 도와주는 것이 목표였습니다.

2016-01-22  9.11.46
▲ 탄소 섬유 샌드위치 패널의 플라이 형상 및 방향 연구

2016-01-22  9.12.13
▲ 탄소 섬유 샌드위치 패널의 플라이 형상 및 방향 연구

목표 중량보다 42% 가벼운 캐빈 생산에 성공!
사이드가이드 컨셉도 16% 가볍게

  이 중량 감소 프로젝트는 몇 가지 인상적인 결과를 보여주었습니다. 백팩 구조에 대한 컨셉 최적화 프로세스를 샌드위치 패널 벽체의 크기 최적화와 조합해서 목표 중량보다 42% 가벼운 캐빈을 생산해내는 데 성공했습니다. 벽체를 탄소 섬유로 제작한다면 중량을 목표보다 56%까지 더 가볍게 만들 수도 있을 겁니다.

  사이드가이드 컨셉 역시 중량 감소 효과가 있었는데, 기존 재료에서의 목표보다 16% 더 가벼워졌고, 탄소 섬유를 사용한다면 목표보다 33%까지 가볍게 만들 수 있습니다. 이러한 중량 감소 결과는 티센크루프 엘리베이터에게 전자기 컨셉을 케이블 시스템의 실질적인 대안으로 개발할 수 있다는 자신감을 심어주었습니다. 이 프로젝트의 긍정적인 결과에 고무된 티센크루프 엘리베이터는 백팩 컨셉을 지속적으로 개발 중입니다. 이제 이 설계는 추가 시험과 프로토타입 개발 단계까지 나아갔습니다.

자세히 알아보기 : www.altairproductdesign.com


* 업종
– 엘리베이터

* 과제
– 새로운 케이블리스 엘리베이터 시스템을 위한 중량 감소 전략 탐구

* 알테어 솔루션
– 이상적인 재료 레이아웃을 찾아내기 위해 사용된 최적화 기술. 새로운 재료 구성 탐구

* 이점
– 목표 중량 대비 56% 감소
– 모든 성능 목표를 충족하는 설계

[원문보기]

This entry was posted in Energy, 성공사례.

Comments are closed.