척척박사 APA의 열 해석 솔루션으로 중장비 설계도 문제 없다!

해당 글은 ThermoAnalytics Inc.의 열 / CFD 엔지니어링 서비스 팀 리더인 조시 프라이어(Josh Pryor)가 작성했습니다. ThermoAnalytics의 TAITherm 소프트웨어는 정상 상태 및 일시적인 열 전달 조건에 대한 포괄적인 CAE 해석을 위한 전문 열 시뮬레이션 도구입니다.
TAITherm은 알테어 파트너 얼라이언스(Altair Partner Alliance)를 통해 사용할 수 있습니다.


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  트럭, 트랙터-트레일러, 건설 장비, 농업용 차량 등 대형 차량 개발은 가장 힘든 노동 비즈니스라고 해도 과언이 아닐 것입니다. 이러한 장비들은 일반적인 자동차와 구별되는 열 관리 문제를 제시하며, 열 전달 모델링과 관련하여 몇 가지 뚜렷한 문제를 제시합니다.

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  중장비들은 일반적인 차량보다 많은 일을 합니다. 이것들은 종종 견인, 밀기, 끌기 등의 업무를 수행합니다. 종종 고출력으로 작동하며, 이는 엔진 구성 요소로 더 많은 열을 발생시킵니다. 또한 대형 차량의 일반적인 작동를 살펴보면 장기간 높은 용량을 유지하므로 더 오랜 시간 동안 상대적으로 높은 온도가 발생하게 됩니다.

  느려도 꾸준한 것이 유리할 것이라고 생각되어 왔지만 이것이 항상 유익한 것만은 아닙니다. 중장비는 일반 차량보다 느리게 움직이는 경우가 많습니다. 즉, 구성 요소를 냉각시키는 데 많은 기류가 없는 이점이 있습니다. 또한, 이러한 차량의 대부분은 엔진이 자동차 앞쪽에 있을 수 없으므로, 발생하는 작은 공기 흐름은 엔진 내부 및 엔진쪽으로도 흐르지 않을 수도 있습니다.

  실제 작업 현장은 예상보다 더 지저분할 수 있으며, 이는 중장비의 공기 흐름을 더욱 복잡하게 만듭니다. 특히 입자, 흙, 액체 등이 그릴을 통해 이동하는 기류를 부분적으로 또는 완전히 차단할 수 있는 환경이라면, 공기의 흐름이 더 잘 통하는 환경을 만들어 주어야 할 것입니다. 다시 말하자면, 열 관점에서 중장비의 성능에 지장을 주거나 열 관리 성능을 저해하는 많은 요인들이 있습니다.

잘못된 접근이 가져오는 위험

  중장비가 고유한 열 관리 관련 사항을 포함하고 있음에도 불구하고, 많은 업체가 이러한 기계의 열 관리 성능을 잘못 또는 불완전하게 모델링하고 있습니다. 많은 제조사는 일시적 열 해석 툴을 이용한 모델링, 그리고 가상 프로토 타이핑과 달리 물리적 테스트와 정상 상태 CFD 모델링 툴을 사용하여 차량의 열 성능 전체를 파악하고 있습니다.

  이러한 경우에 발생하는 일반적인 문제점은 다음과 같습니다.

  1. 과도 상태의 해석이 아닌 정상 상태 해석을 바탕으로 모델링을 합니다.
  2. 일반적으로 업계는 정상 상태 해석을 넘어서 “최악의 시나리오”에 대해서는 가정하고 있지 않습니다. 실제에서는 다양한 조건이 있을 수 있습니다. 혹독한 조건에 대해 부품을 테스트 및 모델링을 하여도, 열 방출, 전도, 대류가 차량의 주행주기에 따라 변동될 수 있지만 이를 무시합니다. 정상 상태 툴과 최악의 시나리오 결과에만 의존한 결과, 제조사들은 시간과 재료 및 돈을 낭비하는 과도한 설계를 하게 됩니다. 결국 잘못된 테스트 환경에서 작업이 이루어져 대부분의 데이터들에 대한 관련성이 없어지기 때문에 올바르게 해석이 수행되지 않게 됩니다.
  3. 실제 환경이 복잡하고 어지러운 장소일 수 있다는 것은 잊어버리십시오.
  4. 트랙터가 필드에서 작업하고 있는 것을 다시 해석해 보십시오. 흙이나 진흙 또는 먼지를 시각적으로 표시하고 그릴을 세우고 막습니다. 냉각 효과를 내기 위한 공기 흐름이 엔진 구성 요소에 더 이상 도달할 수 없는 상황인가요? 대부분의 해석 기술을 사용하면 이를 설명할 수 없으며, 차량의 성능과 심지어 안전성까지도 손상될 수 있습니다. CFD 소프트웨어를 사용해도 일반 자동차와 같이, 대형 차량의 그릴을 통해 동일한 양의 공기 흐름을 얻을 것이라고 잘못 판단할 수 있습니다. 그러나 먼지와 진흙이 많은 트럭을 운전할 때는 공기 흐름의 절반 정도를 차지해야 합니다. TAITherm과 같은 도구를 사용하면 50% 차단된 그릴 대 공기의 전체 흐름을 비교하기 위해 온도 감도 연구를 수행할 수 있습니다. 실제 결과를 알면 제조업체가 재료를 변경하거나 추가 열 차폐 또는 기류에 대한 흐름을 설계할 수 있습니다.
  5. 기류의 흐름을 잘 관찰해야 합니다.



  중장비는 실제 작동 조건 및 환경을 CFD 도구만으로는 완전히 모델링할 수 없습니다. 중장비의 열을 관리함에 있어, 먼저 해석 프로세스에서의 메시 수준을 이해해야 합니다. CFD 메싱 기법은 차량 주변의 공기 양을 식별하고 해석하도록 설계되어 있습니다. 표면 포장 공기 흐름은 열 대류에 대해서만 설명합니다. 완벽하게 모델링하려면, 열 방사(반사 가능) 및 전도(접촉하는 엔진 구성 요소 내외로 전달되는 열)까지 고려해야 합니다. 보다 정교한 시뮬레이션 도구를 사용하면 중장비에 대한 기류, 복사열, 열 확산 등에 대한 시뮬레이션의 세부 수준을 조정할 수 있을 것입니다.

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열 시뮬레이션의 필요성

  중장비는 다양한 작업들을 수행하기 위해 만들어진 것으로, 복잡한 열 해석 솔루션을 요구하는 복잡한 기계입니다. 실제 작동 조건에 대해 정확하고 완벽하게 모델링하지 않으면, 비용이 많이 드는 과도하게 설계된 안을 만들어내거나 “최악의 시나리오”를 만족하지 못할 수도 있습니다. 실제 작동 조건 하에서 차량이 열적으로 안정적인지 확인하는 것은, 제품 리콜의 위험 및 가능성을 줄이기 때문에 OEM에서 필수 조건이라고 할 수 있습니다. 적절한 열 관리 도구 세트를 사용하면, 제조업체와 설계자가 제한된 조건에서 물리적으로 테스트하는 것보다 다양한 시나리오에서 “실제적인 프로토 타입”을 통해 대형 중장비의 열 현상을 보다 잘 이해할 수 있습니다. 궁극적으로 더 나은 성능, 안전한 차량, 효율적인 디자인을 보다 빨리 달성할 수 있으며, 설계 및 제조 비용을 낮출 수 있습니다.

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