이번 강좌에서는 최적설계란 무엇인지 개념을 함께 이해하고 구조해석, 유동해석을 활용한 최적설계 기술의 최신 동향과 사례를 함께 살펴보겠습니다.
목차
1. 최적설계 이해
2. 최적설계 : 구조
3. 최적설계 : 유동
1. 최적설계 이해
이미 많은 기업에서는 CAE를 도입한 설계 프로세스를 구축한 상태입니다. CAE 도입 이후 시제품 제작을 최소화하고 물리적 시험 회수를 줄이거나 CAE로 대체하는 등의 방식으로 제품 개발 주기의 단축화가 가능합니다. 또한, CAE를 기존 설계에 대한 검증 도구로써 활용하면서 이전 경험과 판단에 기초한 설계 방식을 유지하면서도 CAE를 통해 단일 부품의 거동에 대해 예측이 가능해졌습니다.
앞으로는 CAD 주도형 패러다임에서 벗어나 CAE 주도형 패러다임이 필요합니다. 개념 설계 단계에서 시뮬레이션을 수행함으로써 기능, 기하 형상, 재료 등 설계 변수에 대한 최적화가 가능하고, 상세 설계 및 시제품 제작 이전 단계에서 다양한 설계안을 사전에 검토함으로써 문제점을 조기에 발견하거나 제품 성능을 최적화할 수 있습니다.
최적설계를 위해서는 최적설계가 필요한 문제를 정의할 수 있어야만 합니다. 이런 과정을 '최적설계 정식화'라고 표현합니다. 최적설계 정식화를 위해서는 아래 3가지에 대해 정의하는 것이 가장 중요합니다.
1) 설계 변수 식별
2) 최적화 목표 식별
3) 제한(제약, 구속) 조건 식별
기본적으로 설계 과정에서 우리는 초기 설계 안에 대해 CAE 또는 시험을 통해 설계 제품의 성능을 평가합니다. 이때, 만족할 수 없는 성능 결과가 발생했을 때 엔지니어의 경험과 직관에 의존해 설계 변경을 수행한 결과는 적정설계 결과라고 말할 수 있습니다. 이 정적설계 결과를 얼마나 잘 얻어낼 수 있는가에 따라 우리는 엔지니어의 역량을 평가합니다. 하지만, 최적설계는 수학적 알고리즘을 통해 설계 변경안을 찾고 목적한 설계사양, 성능을 만족하는 결과를 찾는 과정을 의미합니다.
예를 들어, 다양한 성능 요구사항을 만족하면서 재료의 파손 없이 주어진 하중을 견디는 최소 중량의 스프링을 설계해야 한다고 가정하겠습니다. 일반적인 상황에서 스프링을 자체 제작하는 경우는 드물기 때문에 우리는 교과서, 핸드북, 제품 카탈로그 등을 통해 기성 스프링에 대한 정보를 얻습니다. 이때, 우리가 통제할 수 있는 변수는 선 두께, 코일 평균 지름, 유효감김수로 볼 수 있고, 스프링을 선택하는 목표가 경량화라면 요구사항을 만족하면서 질량이 가장 적은 스프링을 선택해야합니다. 요구사항을 만족하는가에 대한 판단 기준을 압축량, 전단응력, 고유주파수를 비롯한 기하학적...
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