모드심을 통한 자동차 B-필러 개념 설계 적용방안 검토
이번 호에서는 다쏘시스템의 3D익스피리언스 플랫폼(3DEXPERIENCE Platform)의 모드심(MODSIM) 기능을 활용하여, 리브 형상을 단순화한 B-필러 어퍼 트림 모델을 통해 간단한 정적 구조해석을 진행하고 자동으로 설계 변수를 손쉽게 변경할 수 있는 설계 탐색까지 수행하는 과정을 설명한다. 이를 통해, 설계 엔지니어도 초기 설계 단계에서 신속하게 다양한 설계안을 검토하고 최적 개념 설계안을 손쉽게 도출하는 방법을 제시한다. 이러한 접근 방식은 초기 설계 단계에서 빠르고 정확한 설계 검토를 가능하게 하여 제품 개발의 효율을 높일 수 있다.
자동차 B-필러 어퍼 트림(B-pillar upper trim)은 자동차 내부의 주요 구성 부품 중 하나로, 리브(rib) 구조를 가진 부품이다. 보통 차량의 앞문과 뒷문 사이에 위치한 수직 지지 구조로, 차량의 내구성과 안전성에 중요한 역할을 한다. 특히, 교통 사고 시 탑승자의 머리 손상을 방지하기 위해 북미교통안전국(NHTSA)에서 규정한 법규를 준수해야 하며, 이를 위해 설계 시 리브의 두께와 개수와 같은 여러 변수를 조정해 다양한 설계안을 검토하는 과정이 필수적이다. 최근에는 이러한 설계 과정을 자동화하고 최적화를 통해 제품 개발을 가속화하는 것이 중요한 트렌드로 자리잡고 있다.
3D익스피리언스 플랫폼을 활용한 MODSIM 소개
모드심(MODSIM)은 ‘Modeling&Simulation’의 약자로, 3D익스피리언스 플랫폼을 통해 CAD(모델링)와 CAE(해석)를 통합하여 실행하는 방법론이다. 개념 설계 단계부터 컴퓨터 이용 공학(CAE)을 활용하려는 노력이 수년간 이루어져 왔지만 현실에서는 설계와 해석이 독립적으로 수행되고 있고, 이로 인해 개발 단계에서 개발 기간이나 비용을 절감하는데 한계가 있다.
하지만 3D익스피리언스 플랫폼을 활용한다면 설계 엔지니어는 카티아나 솔리드웍스와 같은 설계 프로그램에서 설계 모델을 작성한 후 플랫폼과 바로 연동해서 구조해석, 열해석 등을 수행하고 위상최적화, 프로세스 자동화를 플랫폼 내에서 진행할 수 있다. 이를 통해 설계 엔지니어는 제품 개발 초기 단계에서 손쉽게 개념 설계를 빠르게 탐색할 수 있다.
모드심을 활용한 자동차 B-필러 개념 설계 적용 사례
이번 사례에서는 카티아 V5에서 작업한 B-필러 어퍼 트림 모델을 3D익스피리언스 플랫폼과 연동해서 구조해석과 설계 탐색을 진행한다. 이 과정은 다음과 같은 단계로 구성된다.
카티아 V5와 3D익스피리언스 연결
3D익스피리언스 플랫폼의 앱 중 ‘Design with CATIA V5’앱을 사용하여 카티아 V5를 자동으로 실행한다.
자동으로 실행된 카티아 V5의 메뉴를 자세히 살펴보면 ‘3DEXPERIENCE’ 메뉴가 생성된 것을 확인할 수 있다. 카티아 V5에서 작업할 B-필러 어퍼 트림 모델을 불러온 후에 3D익스피리언스에 저장하면 3D익스피리언스에서 모델이 연계된다.
연계된 카티아 V5에서 저장한 파일을 3D익스피리언스에서 찾아서 불러올 수 있다
매개변수 연동
3D익스피리언스에서 ‘Parametric Bridge'(설계 프로그램에서 생성한 매개변수를 3D익스피리언스에 연계해서 그대로 사용할 수 있는 기능)를 사용해 카티아 V5에서 설정한 매개변수를 3D익스피리언스와 연동한다. 해당 매개변수 중 일부는 추후에 설계 탐색에 활용할 수 있다.
구조해석 모델 생성
구조해석용 모델을 만들기 위해 3D익스피리언스에서 ‘Structural Model Creation’ 앱을 실행한다. 이 앱에서는 해석 모델을 만들기 위한 전처리 작업을 수행한다.
구조해석을 위한 메시를 생성한다. 이번 호에서는 간단하게 셸 쿼드 메시(shell quad mesh)를 생성했다. 3D익스피리언스에서는 빔(beam), 셸(shell), 솔리드(solid) 메시를 제공하며 지오메트리(geometry) 기반으로 메시 사이즈를 자동으로 선택해주는 기능도 제공한다. 또한 표준화된 규칙(rule)을 만들어서 메시를 생성할 수 있기 때문에, 설계 엔지니어도 쉽게 사용할 수 있다.
메시를 생성하고 나서 리브 구조물과의 연결 상태(edge check) 및 품질(quality)을 확인한다.
B-필러 트림에 조립되는 안전벨트 장착 부품인 adjust가 들어가는 영역에 커플링(coupling) 요소를 입력한다.
두께와 재질을 입력하기 위해 셸 셀렉션(shell section)을 만 들어준다. 추후에 설계 탐색 시 리브의 두께를 설계 변수로 설정할 예정이다.
정적 해석 수행
구조해석을 수행하기 위해 3D익스피리언스에서 ‘Mechanical Scenario Creation’ 앱을 실행한다. 이 앱에서는 앞서 만든 해 석 모델을 불러와서 해석 절차, 경계조건, 하중 등을 입력한 후에 해석을 수행한다.
첫 번째로, 간단한 정적 해석을 위한 해석 절차를 생성한다. 3D익스피리언스에서는 구조해석 소프트웨어인 아바쿠스(Abaqus) 솔버를 사용하므로 아바쿠스에서 구조해석을 수행하는 것과 마찬가지로 Static, frequency, Explicit 해석 절차를 동일하게 선택할 수 있다.
두 번째로, 구조해석을 위해 B-필러 트림이 장착되는 부분에 경계 조건을 설정하고 정적 해석을 위한 하중을 입력한다. 3D익스피리언스에서는 설계 엔지니어가 경계조건이나 하중을 쉽게 사용할 수 있게 직관적으로 아이콘을 설정해 놓은 것을 볼 수 있다.
마지막으로, 3D익스피리언스에서 선택한 해석 종류에 맞춰서 해석에 필요한 구성요소들이 잘 설정되어 있는지를 확인할 수 있는 어시스턴트(Assistant)를 확인해보고, 문제가 없으면 해석을 실행한다. 직관적으로 필요한 요소들을 잘 식별해주기 때문에, 구조해석을 처음 수행하는 설계 엔지니어도 부담 없이 쉽게 따라할 수 있다.
해석 결과 확인
해석 결과는 자동으로 실행되는 ‘Physics Results Explorer’앱을 통해 응력, 변위 등의 다양한 해석 결과를 확인 가능하다.
파라메트릭 디자인 스터디를 이용한 설계 탐색
해석 결과를 바탕으로 설계 탐색을 진행한다. 3D익스피리언스의 ‘Parametric Design Study’ 앱을 통해 설계 탐색을 수행할 수 있다. 복잡한 매개변수 설정 과정 없이 직관적인 사용자 인터페이스를 통해 변수를 쉽게 정의할 수 있다. 처음 사용하는 설계 엔지니어도 다양한 설계안을 신속하게 평가할 수 있으며, 이를 통해 최적 설계를 도출할 수 있다.
설계 변수(design variables) 정의
Parametric Bridge에서 연동했던 V5 모델의 매개변수와 Shell section에서 생성했던 매개변수 모두 선택 가능하다. 해당 모델에서는 리브의 두께와 개수, 높이를 설계 변수로 설정했다. 특별한 설정이 필요 없이 화면에서 바로 선택할 수 있으며, 선택 시 자동으로 해당 변수 값의 ±20%가 기본값으로 설정되고 원하는 경우 변수 범위를 직접 지정할 수 있다.
응답 변수(response variables) 정의
설계 탐색에서 사용할 제한 조건과 목적을 선택한다. 주로 시뮬레이션 결과 생성된 출력 파라미터(output parameter)를 선택한다. 설계 변수와 마찬가지로 특별한 설정 필요 없이 해석 결과가 나와 있는 화면에서 바로 선택할 수 있으며 최대 응력, 변위, 중량 등 해석 결과에서 선택한 출력값을 선택할 수 있다. 해당 모델 에서는 중량을 최소화하면서 최대 응력을 제한하는 목표를 지정했다.
파라메트릭 디자인 스터디 실행
샘플링 포인트 개수를 설정한 후, 모든 필요한 설정이 제대로 되었는지 구조해석과 마찬가지로 어시스턴트를 확인하고 스터디(study)를 실행한다. 샘플링 포인트는 설계 변수의 다양한 조합을 기반으로 설계 공간을 탐색하는 데 사용되며, 이를 통해 각 설계 변수 조합이 성능에 미치는 영향을 신속하게 평가할 수 있다. 샘플링 포인트를 적절하게 설정하면 설계 공간을 효율적으로 탐색하여 최적의 설계안을 도출하는데 도움이 된다.
파라메트릭 디자인 스터디 결과 확인
샘플링 포인트(sampling point)가 생성될 때마다 실시간으로 결과를 확인할 수 있으며, 설계 변수와 응답 변수를 원하는 X, Y 축에 맞춰 비교할 수도 있다. 스터디 완료 후에는 필터링 기능을 사용하여 원하는 설계안만 추려서 비교할 수 있다. Scatter Plot에서 제한조건을 충족하지 못하는 설계안이 ‘Infeasible’로 표시되고, 조건을 만족하는 설계안은 ‘Feasible’로 표시된다. 그 중에서도 목표에 가장 근접한 설계안은 ‘Best’로 표시된다. 또한, Model Plot에서는 각 설계안의 결과 변수를 즉시 컨투어(contour) 형태로 시각화해 확인할 수 있으며, 상세한 결과는 왼쪽 패널에서 세부적으로 확인할 수 있다. 이를 통해 설계 엔지니어는 해석 결과를 직관적으로 분석하고, 설계 최적화 과정을 효 율적으로 진행할 수 있다.
설계 대안 모델 생성 및 카티아 V5에서 CAD 파일 실행
스터디 결과에서 원하는 설계 대안 모델을 저장하면 3D익스피리언스 플랫폼에서 자동으로 네 개의 파일을 생성한다. 각각 CAD 모델 파일, 해석 모델 파일, 해석 결과 파일 그리고 파라미터 파일이다. 이들 파일은 자동으로 저장되므로, 설계 엔지니어가 CAD 모델 파일을 직접 수정하지 않고도 해석 모델과 해석 결과를 함께 확인할 수 있다. 추가 작업 없이 CAD 파일을 다시 카티아 V5로 불러와서 추가적인 설계 작업을 진행할 수도 있다.
맺음말
지금까지 살펴 본 사례를 통해, 3D익스피리언스 플랫폼에서 제공하는 모드심 기능이 B-필러 어퍼 트림과 같은 복잡한 구조 부품의 개념 설계 및 최적화에 어떻게 활용될 수 있는지 확인할 수 있었다.
모드심은 단순한 모델링 작업을 넘어서, 설계 엔지니어가 해석과 설계 탐색을 하나의 플랫폼 내에서 앱 간의 전환만으로 통합 수행할 수 있도록 하여 작업 효율을 높인다. 특히, 복잡한 과정 없이 리브의 두께와 개수같은 설계 변수를 쉽게 조정할 수 있으며, 이를 통해 설계 엔지니어는 초기 개념 설계 단계에서 다양한 설계안을 신속하게 탐색하고 최적의 설계를 빠르게 도출할 수 있다.
또한, 모드심은 설계 검증과 최적화 과정을 반복적인 수작업 없이 자동화할 수 있어, 설계 엔지니어는 성능과 비용을 동시에 고려한 최적의 설계를 손쉽게 확보할 수 있다. 필요에 따라 재료 규격이나 특정 요구사항을 충족시키는 설계를 효율적으로 수행할 수 있다는 점도 장점이다.
이처럼 모드심은 설계 엔지니어가 복잡한 해석과 설계 탐색을 더욱 쉽게 수행할 수 있게 하여, 제품 개발의 효율을 높이고 개발 기간을 줄이는 중요한 도구로 자리잡고 있다. 앞으로도 산업 분야에서 모드심을 활용한 최적 설계가 널리 사용될 것으로 기대되며, 복잡한 설계 문제를 해결하는데 중요한 역할을 할 것이다.
[저자소개]
이아라
다쏘시스템코리아 시뮬레이션-구조팀에서 인더스트리 프로세스 컨설턴트를 담당하고 있다. 자동차 및 항공 업체 현업 경험을 기반으로 아바쿠스 및 3D익스피리언스 시뮬리아 기반의 솔루션을 제안하고 있다.
출처: 캐드앤그래픽스(https://go.3ds.com/4SF)
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