위버맨시 김다정 대리

그림1. SOLIDWORKS Simulation을 통해 최적화 설계를 하기 위한 Steering Bracket 모델

들어가며

제품 설계자에게 설계 검증이란 꼭 필요한 단계이지만 항상 어려운 과제이다. 하지만 설계 검증전문가, 즉 해석 전문가를 위한 도구가 아닌 설계자를 위한 도구라면 어떨까? 설계 환경과 동일한 인터페이스와 해석 용어에 대한 실시간 피드백을 통해 설계자는 설계 검증에 보다 쉽게 접근할 수 있다. 이 글을 읽고 있는 독자 중 제품 설계자들은 설계와 설계 검증이 동시에 진행되는 SOLIDWORKS Simulation의 동시 병행 엔지니어링을 통해 손쉽게 설계 검증을 수행할 수 있다.

설계자를 위한 유한요소해석 솔루션 SOLIDWORKS Simulation

오늘날 많은 설계자는 제품에 대한 설계 검증을 통해 더 나은 제품을 개발하여 출시해야 하는 과제를 가지고 있다. 파트 설계 검증이 가능한 SOLIDWDORKS SimulationXpress 제품은 별도의 구매 없이 SOLIDWORKS 3D CAD 제품을 보유하고 있는 사용자라면 누구든지 사용할 수 있고 SOLIDWORKS Simulation 구조해석은 SOLIDWORKS Premium 패키지를 보유하고 있는 사용자들은 누구든지 사용할 수 있다.

제품 검증의 목적

제품 설계자는 제품 신뢰성 확보 및 생산 비용 감소를 위해 최적의 설계를 해야 한다. 이 때 설계의 목적 달성을 위해 변위, 반력, 변형률, 응력 및 안전계수를 해석을 통해 다양한 설계를 평가함으로써 제품의 품질을 향상 시켜야 한다. 이제부터 Steering Bracket 예제를 통해 설계 최적화 방법에 대해서 알아보도록 하자.

초기 환경 설정

•불필요한 해석 시간을 줄이기 위해 전체 모델 중 설계검증이 이루어져야 하는 모델에 대해서만 해석을 수행하도록 하겠다. 이 때 SOLIDWORKS 설정 메뉴에서 미리 설정해놓은 Steering Bracket Only 모드를 더블 클릭하여 해석하고자 하는 제품만 활성화 시킬 수 있다.

•해석에 수행되는 재질 정보는 SOLIDWORKS 에서 제공하고 있는 재질 정보 중 알맞은 재질을 클릭하여 적용할 수 있다. 모든 파트에 6061-T6 (SS) 재질을 적용하도록 하겠다. SOLIDWORKS는 수 백 가지의 재질과 물성정보를 제공하고 있다. 그리고 추가적으로 새로운 재질 물성치도 입력할 수 있다.

•Steering Bracket의 설계 및 주변 상황을 고려하여 구속조건과 외부하중 조건을 부여하도록 하겠다. 구속조건 및 외부하중 조건에서 마우스 우 클릭하면 입력할 수 있는 조건들을 확인할 수 있다.

•SOLIDWORKS Simulation에서는 각 구속 조건에 대해 애니메이션으로 나타내 줌으로써 설계 검증의 초보자들도 어떻게 구속이 이루어지는 지 쉽게 이해할 수 있다. <그림5>는 Steering Bracket의 뒷면에 롤러/슬라이더 조건으로 구속 설정하는 과정이다.

•롤러/슬라이더 구속 조건 외에 몇 가지를 더 추가하여 Steering Bracket의 주변환경 설정을 완료하였다. SOLIDWORKS Simulation에서는 그래픽 화면을 통해 입력된 조건을 시각화하여 주기 때문에 사용자가 설정한 조건을 한 눈에 확인할 수 있다.

메시 작성

SOLIDWORKS Simulation의 메시는 SOLIDWORKS 에서 조언하는 메시 크기로 진행을 함으로써 간편하게 메시 구성을 완료할 수 있고, 필요에 따라 메시 크기를 변경하여 정확도 높은 결과를 볼 수 있다. 이 때 메시 크기는 해석 시간의 큰 영향을 미치기 때문에 메시 크기를 적절하게 선택해서 해석을 진행하여야 한다. SOLIDWORKS Simulation은 해석 모델의 지오메트리를 분석하여 기본 메시 크기를 사용자에게 제안하기 때문에, 제안된 메시 크기를 사용하여 효율적인 해석 시간과 정확도를 확보하여 해석을 수행할 수 있다. 여기서는 SOLIDWORKS Simulation에서 제안한 기본 메시 크기로 해석을 수행하도록 하겠다.

해석 결과

해석을 수행하면 모델에 대한 응력, 변위, 변형, 안전 계수를 확인할 수 있다. 이 때 <그림 8>을 참조하여 Steering Bracket의 “안전 계수는 1 이상이면 안전하다” 라는 초기조건을 통해 설계자는 현재 모델의 안전계수가 비교적 높다라고 판단할 수 있다. SOLIDWORKS Simulation의 해석 결과를 살펴보면 Steering Bracket의 안전 계수는 최소 2.3에서 최대 70이상까지 분포하고 있기 때문에 과도하게 설계가 이루어진 것을 확인할 수 있다. 과도하게 설계된 부분의 수정하면 제품 생산 비용을 절감할 수 있을 것이다.

설계 통찰력

설계자는 해석 결과를 통해 제품 설계에 중량을 감소할 부분을 판단할 수 있을까? SOLIDWORKS Simulation의 설계 통찰 플롯 정의는 사용자에게 제품의 취약한 영역을 나타내 줌으로써 가장 효과적으로 설계를 최적화 할 수 있도록 도와준다. 설계 통찰 플롯 정의를 통해 투명하게 처리된 영역에 과도한 설계가 이루어 졌다고 판단할 수 있다.

최적화 설계

설계자는 SOLIDWORKS Simulation 구조해석의 다양한 조언을 통해 설계를 검증하였고 결과에 따라 설계 변경을 진행할 수 있다. 과도한 설계가 이루어진 부분에 대한 설계 변경을 통해 Steering Bracket의 무게가 약 9% 감소하였다. 원자재 중량 감소를 통해 생산 비용 절감 효과를 얻을 수 있을 것이다.

해석 재실행

SOLIDWORKS Simulation를 통해 최적화 설계를 완료 하였지만 이 결과가 기존의 해석 결과에 영향을 미치지 않는지 다시 한 번 확인해야 한다. SOLIDWORKS에서 설계 변경을 하게 되면, SOLIDWORKS Simulation에서 다시 해석에 필요한 조건을 설정해줄 필요 없이 자동으로 업데이트되기 때문에 해석을 바로 실행할 수 있어서 시간을 단축할 수 있다. 해석 결과, 최소 안전계수가 2.2로 확인 되었고, 최소 안전계수 조건을 만족하는 결과를 얻어 제품 신뢰성에 문제가 없다고 판단할 수 있다. 이러한 결과로 우리는 제품 생산 비용을 절감할 수 있다. 이 모든 과정인 설계 변경과 설계 검증을 반복적으로 실행할 경우에 설계자를 위한 유한요소해석 솔루션 SOLIDWORKS Simulation은 프로그램 변경 및 데이터 변환 작업 없이 하나의 인터페이스에서 모든 프로세스를 수행함으로써 사용자는 빠르게 설계 검증을 진행할 수 있다.

그림11. 설계 변경 후, 해석 결과 재검토

다양한 비즈니스 이점

설계자를 위한 유한요소해석 솔루션 SOLIDWORKS Simulation을 통하여 다음과 같이 다양한 비즈니스 이점을 얻을 수 있다.

•혁신적인 제품 개발: 설계 변경 시 해석 결과에 즉각적으로 반영됨으로써 더 나은 설계 품질과 관련된 정보를 실시간으로 피드백 받을 수 있다.

•제품 개발 기간 단축: 제품 설계와 설계 검증을 동시에 진행 하기 때문에 품질 높은 제품을 빠른 시간 내에 출시할 수 있다.

•제품 개발 비용 감소: 시제품 제작을 통해 진행했던 제품 검증의 일부를 가상환경에서 설계 프로세스와 통합하기 때문에 시제품 제작에 대한 개발 비용을 감소할 수 있다.

•제품 성능 향상: 시제품 제작 없이 다양한 가상 환경에서 제품을 테스트함으로써 제품의 대한 성능을 향상 시킬 수 있다.

맺음말

그 동안 제품 설계자는 직접 제품을 설계하였음에도 불구하고 설계 검증은 매우 어려운 일이었다. 하지만 설계자를 위한 유한요소해석 솔루션 SOLIDWORKS Simulation을 통해 설계 검증에 대한 전문적인 지식 없이도 쉽게 해석에 접근할 수 있고, 이를 통해 보다 혁신적인 설계를 할 수 있으며 제품 개발 프로세스를 단축시켜 시간과 비용을 절감하고 좋은 품질의 제품을 개발할 수 있다.