유한요소해석에 관심있는 모든 분들을 위해 간단한 이론과 HyperMesh를 이용해서 FEA Process를 차근차근 배워보는 “야금야금 CAE: 꿀바른 HyperWorks”를 연재합니다.
1년에 걸쳐 연재할 예정이니 앞으로 한 주에 하나씩 함께 배워요!


제 1편 CAE란 무엇일까요?

Computer Aided Engineering의 약자로, 컴퓨터 소프트웨어를 사용하여, 설계대상을 개선 및 평가할 때 쓰이는 엔지니어링 문제들을 모의실험(가상의 시뮬레이션)하는 분야를 말합니다. CAE는 자동차, 항공우주, 방위, 중공업, 생명의학, 소비재, 에너지, 전자제품, 해양산업 등등 대부분의 산업군에서 사용되고 있습니다. 이렇게 넓은 분야에서 CAE가 사용되는 이유는 여러가지가 있습니다.

  • 새롭고 영감을 주는 디자인을 위해
  • 상품의 질을 높이기 위해 (더 적은 재료로 가볍고 튼튼한 상품을 만들기 위해)
  • 더 빨리 디자인 하기 위해 (직접 만들어 보고 실패하는 과정을 최소화하기 위해)

그리고 이 외에도, 컴퓨터 상에서 모델을 만들어보고 성능을 시험해 보는 것이기 때문에, 시제품을 여러 번 만들지 않아도 되므로, 개발단계에서 시간과 비용을 절감할 수 있습니다. 이러한 부분들은 결국엔 회사의 경쟁력을 높이는데 도움이 될 수 있겠죠.

가장 대표적인 예로 최적설계를 들 수 있겠습니다. 설계를 할 때는 제시된 성능을 만족하기 위해 타겟을 정합니다. 하지만 최적화된 설계도면을 얻는데까지 사용하는 수단과 방법들은 결과에서 큰 차이를 만들어 냅니다.

여전히, 과거에 해오던 대로 설계한 디자인을 토대로 시제품을 만들어 시험을 해보고 보완하는 ‘trial & error’ 과정을 사용하고 있습니다. 이러한 방법은 최적화를 추구하는 과정이라기 보다는, 엔지니어의 경험에 따라 다른 결과를 보여주게 되겠죠?

Altair_design_approach

(1) 기존의 Design Process와 알테어의 Design Approach 비교

Optimization_Process

(2) 최적화 진행 과정

(1)은 기존의 Design Process와 알테어의 Design Approach를 비교한 것입니다. 이러한 설계 접근 방법 덕분에 시간과 비용을 줄일 수 있는 CAE!! 바로 CAE를 통한 Optimization 덕분이죠!

(2)는 최적화 진행 과정인데요, 맨 처음 투박한 모델을 구성한 다음, 유한요소 Mesh를 생성합니다. 이후, 원하는 성능을 만족할 수 있도록 경계조건을 설정한 후 최적화(Optimization)를 수행합니다. 그러면 불필요한 부분이 제거된 최소한의 재료만 남긴 형상을 얻을 수 있고, 이게 바로 ‘concept’이 됩니다.

‘concept’이란, 디자이너가 스케치하듯이 얻어낸 제품의 초기 디자인을, 최적화 과정을 통해 최적의 디자인으로 만들어낸 것입니다. ‘concept = 최적화된 초기 디자인’ 이라고 볼 수 있으며, 설계의 방향을 잡아줄 수 있습니다. 이를 가지고, CAD Tool로 다듬고 보완해서 최종 형상을 만들어내면 설계가 완료됩니다!

결론적으로, 제품에 들어가는 Material의 양을 줄이고, 개발기간을 단축시킨다는 이점 때문에, 점점 CAE 도입이 늘어가고 있습니다. 현재 CAE에 바탕이 되는 이론은 몇 가지가 있지만, 그 중 가장 널리 쓰이는 방법은 바로 유한요소법(Finite Element Method)입니다.

다음 시간에는, 유한요소법을 이용한 해석의 유형을 소개하도록 하겠습니다.

– 참조
이 자료는 “Practical Finite Element Analysis” 책의 내용과,  HyperWorks Help Documentation 자료를 포함하고 있습니다.
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