현대 제품의 복잡성은 초기 컨셉 디자인부터 최종 유효성 테스트까지 시뮬레이션 모델의 사용을 필요로 한다. 이런 시뮬레이션 모델들은 시스템의 기능적 행동의 평가와 비용과 중량, 기능과 내구성을 고려한 최적화가 가능하도록 다양한 영역들을 망라해야 한다.
이런 접근을 MBD라고 부른다. Model Based Development. 아래 그림의 연장된 V 모델에서 보이는 것처럼, 모델들은 경계영역간의 시스템 설계와 시스템 통합 과정을 거친다.
<그림 1> Extended V-model for model-based systems engineering according to Eigner et al.
시스템의 기능 정의에 준하여 컨셉 디자인은 다양한 시스템 기능의 최적화된 물리적 실제를 찾기 위해 노력한다. 현 단계를 지원하는 시뮬레이션 모델은 아래와 같은 요인들의 특징이 있다.
- 추상의 거대한 수준 (유용한 데이터가 이 단계에서 제한되기 때문에)
- 시스템 역량에 직접적인 통찰을 제공하는 능력
- 수많은 디자인 변수를 찾아내는데 허용된 짧은 시뮬레이션 시간
사용자의 기호에 따라 이런 모델들은 수학적 등식, 신호 흐름의 다이어그램과/또는 물리적 다이어그램 그리고 가끔은 1D-시뮬레이션 모델로도 불리는 것의 관점에서 묘사된다.
세부 디자인 단계에 들어가면, 영역 특정 모델들은 시스템 최적화에 적용되며 이런 특징들을 갖고 있다.
- 적은 추상과 거대한 양의 세부 정보(지오메트리와 다른 데이터)
- 양적인 통찰을 영역이 특정된 시스템 역량에 제공하는 능력
- 디자인 변수 발굴을 제한하는데 보다 많아진 시뮬레이션 시간
이러한 모델들은 대부분 시스템 요소의 지형적 정의에서 나오기 때문에 이것들은 3D-모델이라 불린다.
추상-세부, 질적-양적과 같은 다른 모델링 패러다임으로 인해 컨셉부터 세부 디자인에 이르는 끊김없는 전환은 일관적이지 않다. 시스템의 기능적 구조(재질의 기능적 목록)로 시작하고 유용한 데이터 및 보유 시뮬레이션 작업에 기반한 모델 충실도의 다양한 수준을 갖는 시뮬레이션 환경을 구축하는 것은 이상적일 수 있을 것이다.
1D와 3D 모델의 장점만 뽑아내기.
<그림2> Model tree for an automotive HVAC system
자동차의 HVAC 시스템을 예로 이상적인 모델 기반 개발 과정을 그려보자. 시뮬레이션 모델은 그림 2에서 보이는 것처럼 구성될 것이다. : 사람-머신 인터페이스가 가장 위에 있고, HVAC 시스템(블로우어, 증발기, 히터와 제어기)과 캐빈(온도량과 수증기량의 계산)이 그 아래 있게 된다.
컨셉 설계 단계를 지원하기 위해 덩어리 파라미터 모델들은 다른 모듈에 맞게 만들어져야 하고 그림 3에 나타난 시뮬레이션 환경과 결합을 해야 한다. 이 다이어그램은 전체 시스템 퍼포먼스의 전형적인 시뮬레이션을 보여준다.: 이상적인 온도인 섭씨 24도까지 온도를 맞추고 안정적인 레벨로 습도를 낮춘다.
앞서 설명한 것처럼, 이런 모델들은 단지 제한된 인풋셋을 요구한다. 모델들은 빠르게 구동하고 사용자들이 많은 디자인 변수를 조사할 수 있어야 한다. 우리는 이런 모델들을 사용해서 전체 시스템을 최적화하고, 통제 알고리즘을 설계하고 하드웨어 인 더 루프 환경의 통제를 테스트해야 한다.
3D 세계와 연결은 다양한 형태에서 얻을 수 있다:
실험계획법(DoE) 기술과 결합한 다양한 서브 시스템의 CFD 모델은 파라메트릭 1-D 시스템 모델을 만들어내는 사전 작업에 사용되거나 서브시스템 최적화를 위한 상세 설계 단계에 적용된다. 우측 상단의 그림은 다양한 적용예를 보여준다.
<그림 3> Combining 1D/3D models and simulations
최근 알테어는 코시뮬레이션 환경을 구체화시켰다. AcuSolve를 이용해서 캐빈의 1-D 모델을 3D-CFD모델로 대체한 것이다. 따라서 시뮬레이션을 1D로 해야 하나 3D로 해야 하나는 문제가 되지 않는다; 우리는 두 세계(1D와 3D)의 가장 좋은 장점을 묶을 수 있는 기회를 가질 수 있기 때문이다. 아래 그림 4에서 보듯이 추상에서 상세로, 질적 예측에서 양적 예측으로 보다 끊김없이 이동하는 과정을 통해서 말이다.
<그림 4> Altair’s approach to Model-Based Development
만약 여러분이 여러분의 작업에서 두 세계의 장점을 묶는데 관심이 있다면, 언제든지 알테어에 알려주십시오. 우리가 한 것에 대해 언제든지 공유하고 알려드릴 것입니다.
마이클 호프만. 알테어 수학 및 시스템 수석 부사장.
