구조물의 무게 감량은 엔지니어링 및 디자인 분야에서 중요한 고려 사항 중 하나입니다. 무게가 중요한 항공/선박/우주선 분야 뿐 아니라 일반 구조물에서도 비용절감에 관련된 사항으로 매우 중요하게 인식되고 있습니다.
위상 최적화 설계는 구조물 설계에서 중요한 역할을 하며, CAE 해석을 통한 해석 및 목표, 제조 조건 등 다양한 설계안을 빠르게 도출할 수 있습니다. 강성을 유지하면서 브라켓의 무게와 수량을 최적화하여 경량화하는 방법에 대해 상세하게 알아보고자 합니다.
구조 형상 최적화에 대한 해석이 필요한 이유는 무엇인가?
구조물의 무게 감량은 다양한 산업 분야에서 핵심적인 고려 사항입니다. 항공, 선박, 우주선 등의 고속 이동 수단뿐만 아니라 일반적인 건축물과 기계 구조물에서도 무게는 에너지 효율성, 비용 절감 및 환경 영향을 결정하는 중요한 인자입니다. 무거운 구조물은 제조, 운송 및 설치 과정에서 비용이 증가할 뿐만 아니라 자원 소비와 친환경적인 측면에서도 불리한 영향을 미칩니다. 따라서 최적의 구조 형상을 찾아내고 이를 효율적으로 설계함으로써 무게 감량을 달성하는 것이 필요합니다.
구조 형상 최적화는 이러한 문제에 대한 해결책을 제시하는 중요한 방법론 중 하나입니다. 이는 컴퓨터 지원 엔지니어링(CAE) 해석 기술을 활용하여 구조물의 응력, 변형, 강성 등을 고려하여 최적의 형상을 찾아내는 과정을 의미합니다. 위상 최적화는 여러 형태와 위치의 디자인을 시험하여 주어진 목표와 제약 조건을 만족시키는 최적의 설계를 도출합니다.
이를 통해 구조물의 브라켓과 같은 세부 부품을 포함한 전체 시스템의 경량화와 성능 유지를 동시에 달성할 수 있습니다. 따라서 구조 형상 최적화는 현대 엔지니어링 분야에서 무게 감량과 효율성 향상을 추구하는 핵심적인 전략 중 하나로 자리 잡고 있습니다.
구조물 위상최적화에 대해 해석적 접근을 할 수 있을까요?
일반적으로 CAE SW 구조물 설계에서 위상 최적화 분야에 활발하게 활용되며, 이때 주로 밀도법을 적용합니다. 위상 최적화 분석은 여러 단계를 거쳐 최적 디자인 형상을 찾아냅니다. 위상 최적화 밀도법은 구조물의 경량화와 강성 유지를 목표로 하는 형상 최적화 기법 중 하나입니다.
이 방법은 구조물 내 각 위치의 재료의 채움 비율을 나타내는 '밀도'를 조절하면서 최적의 형상을 찾아내는데 활용됩니다. 이해하기 쉽게 말하자면, 구조물을 픽셀로 나누어 각 픽셀에 해당하는 위치에서의 재료의 사용량을 조정하여 최적 디자인을 찾아내는 방법입니다.
초기 디자인을 설정하고 수치 해석을 통해 성능을 평가한 후, 재료 밀도를 업데이트하여 성능 개선을 시도하며 이를 반복하여 최적 디자인을 도출합니다. 이 방법은 경량화와 강성 유지를 동시에 추구하는 공학 분야에서 유용하게 활용되는 기술입니다. 이번 예제에서는 브라켓 구조물에 대하여 위상최적화 해석을 적용하여 진행해볼 예정입니다. 초기모델을 기준으로 현재 사용되는 형상과 해석을 적용한 최적화 형상을 비교하여 강성과 무게에 대하여 비교합니다.
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