시뮬레이션 프로세스를 자동화하여 자동차 설계 워크플로 간소화

혁신을 추구하는 자동차 산업

대형 자동차 제조업체가 모든 부품을 자체적으로 생산한 지 여러 세대가 흘렀습니다. 오늘날 전 세계적으로 수백 개의 기업이 OEM(주문자 상표 부착 방식 제조업체)의 국적에 관계없이 생산에 기여하고 있습니다. 수년에 걸쳐 이러한 각 회사는 엔지니어링 자동화를 향한 고유한 경로를 찾았습니다.

매출 기준으로 세계 2위의 자동차 부품 및 시스템 공급업체인 DENSO Corporation(DENSO)도 예외는 아닙니다. 1949년 Toyota 그룹 회사로 설립된 이 회사는 거의 모든 주요 OEM의 독립적인 자동차 부품 공급업체가 되었습니다. 또한 가정용 난방 장비, 산업용 로봇을 포함한 다른 시장에서도 마찬가지입니다. Fortune Global 500대 기업의 회원사이며 전 세계적으로 200개 이상의 통합 자회사를 운영하고 있습니다. 세계 최대의 자동차 브랜드 중 다수가 신뢰하는 공급망 파트너인 DENSO는 전기 및 하이브리드 차량에 대한 연구 개발 분야에서도 자동차 파트너와 긴밀히 협력하고 있습니다.

색상 코딩을 사용한 CAD 지오메트리

시뮬레이션 병목 현상

오늘날 주요 과제는 자동차 부품 설계 및 시뮬레이션의 생산성을 향상하는 것입니다. 소프트웨어 솔루션이 등장하기 전에도 설계자는 지오메트리에 집중했으며, 성능을 테스트하고 검증하는 데 해석 전문가에게 의존했습니다. 그러나 시뮬레이션 팀은 항상 설계 팀보다 규모가 훨씬 작기 때문에 개발 프로세스에 병목 현상이 발생합니다.

최근 컴퓨팅 성능과 소프트웨어의 발전으로 프로세스를 간소화할 수 있게 되었습니다. 대부분의 해석 소프트웨어를 사용하여 며칠이 아닌 몇 시간 만에 복잡한 해석을 해결할 수 있습니다. 그러나 여전히 설계 그룹과 시뮬레이션 그룹을 오가며 소통해야 합니다. 해석 전문가가 모델의 측면을 명확히 하거나, 설계자에게 더 나은 결과를 얻기 위해 형상을 수정하도록 요청하는 것은 드문 일이 아닙니다. 앞서 언급한 병목 현상으로 인해 부품 또는 제품의 복잡성에 따라 각 주기가 며칠 또는 몇 주가 걸릴 수 있습니다.

DENSO의 프로젝트 보조 관리자인 Yuichi Kondo는 "제품 설계에서 CAE의 리드 타임이 길어지는 문제가 있습니다."라고 말합니다. "소통하는 데 시간이 걸립니다." Kondo는 초기 해석 요청 생성, 데이터를 CAE(Computer-Aided Engineering) 시스템으로 전송, 여러 문의에 응답, 시뮬레이션 모델 생성 및 실행, 해석 보고서 생성, 설계 수정 등 설계 팀과 CAE 팀 간의 소통을 언급합니다. 일반적으로 팀이 솔루션을 완성하는 동안 CAD 형식과 CAE 형식 간에 여러 번 변환되면서 설계와 테스트가 반복됩니다. 기업이 수년 동안 참아온 상당한 워크플로 병목 현상입니다.

설계 팀이 초기에 기본 시뮬레이션을 자체적으로 수행할 수 있다면 시뮬레이션 팀이 더 복잡한 분석에 집중할 시간을 확보할 수 있을 것입니다.

혁신 추진

DENSO는 Siemens Digital Industries Software의 오랜 파트너로, 먼저 설계 및 제조에 NX™ 소프트웨어를, 시뮬레이션에 Simcenter™ 소프트웨어를 사용했습니다. NX와 Simcenter는 소프트웨어, 하드웨어, 서비스로 구성된 Siemens Xcelerator 비즈니스 플랫폼의 일부입니다.

DENSO는 NX 모듈을 사용하여 개념 설계에서 제조에 이르기까지 제품 개발의 모든 측면을 지원하며, 여러 분야를 조정하고 설계 의도를 충족하는 데 사용할 수 있는 통합 툴셋입니다. 또한 다분야 시뮬레이션을 위한 포괄적이고 완전히 통합된 솔루션인 Simcenter 3D를 시뮬레이션에 사용합니다. Simcenter 3D는 NX와 공통 플랫폼을 공유합니다.

DENSO는 Siemens 도구를 통해 설계와 엔지니어링 해석 간의 기존 워크플로를 간소화하고 여러 분야를 통합할 수 있음을 파악했습니다. 이는 특히 시뮬레이션 프로세스가 보다 일상적인 컴포넌트 설계 및 해석에서 두드러졌습니다. DENSO의 목표는 새로운 워크플로를 통해 반복을 줄이거나 없애는 것이었습니다.

통합 플랫폼 접근 방식

Simcenter 3D와 NX는 공통 플랫폼을 공유하므로 지오메트리를 CAD와 CAE 환경 간에 양방향으로 원활하게 전달할 수 있습니다. 시뮬레이션 모델은 설계 지오메트리와 연관되어 있으므로 업스트림 설계 지오메트리에 대한 변경 사항으로 시뮬레이션 모델을 쉽게 업데이트할 수 있습니다. 그 자체로 주요 부품과 CAE 모델 간의 이러한 연결 덕분에 DENSO는 이전에 부품 변환, 팀 간 커뮤니케이션, 이러한 반복으로 생성된 모든 필수 문서 등에 소비했던 상당한 시간을 절약할 수 있습니다.

이러한 워크플로 개선에 힘입어 DENSO는 이제 또 다른 수준의 혁신을 추진하고 있습니다. DENSO는 NX CAD와 Simcenter 3D 통합 프로세스를 개발하고 있습니다. 해석 전문가는 특정 유형의 컴포넌트에 대해 반복 가능한 시뮬레이션 프로세스를 파악합니다. 시뮬레이션 팀이 모델링 및 프로세스 모범 사례를 파악하고 이를 시뮬레이션 템플릿으로 패키징하면 NX를 사용하는 설계자가 이를 활용합니다.
이러한 템플릿을 사용하려면 템플릿에서 CAE 데이터를 생성하기 전에 설계자가 몇 가지 입력을 제공해야 합니다.

과거와 마찬가지로 설계자는 NX에서 모델을 만드는 것부터 시작합니다. 그러나 설계자는 좁은 블렌드가 있을 수 있거나 모델에 고정된 구속조건이 있는 경우 등 모델의 일부 중요한 지오메트리 특징형상을 색상 코드로 구분해야 합니다. 설계자가 부품 성능을 해석할 준비가 되면 템플릿의 규칙 집합을 기반으로 FE 메시 생성을 자동화하는 FEM(유한 요소법) 템플릿을 적용합니다.
이는 지오메트리 특징형상을 색상 코드로 관리하여 양호한 품질의 메시를 보장합니다.

SIM 템플릿에서 정의된 하중 및 경계 조건을 갖춘 완전한 시뮬레이션 모델

다음으로, 설계자는 지오메트리 특징형상의 색상 코드를 사용하여 적절한 경계 조건과 필요한 시뮬레이션 매개변수를 설정하는 시뮬레이션 템플릿을 적용합니다.

그런 다음 설계자는 시뮬레이션 모델을 실행하고 결과를 볼 수 있습니다. 결과에 따라 설계자는 지오메트리를 변경하여 응력을 줄이거나 성능의 다른 측면을 개선한 다음 시뮬레이션 템플릿 및 해석을 신속하게 다시 실행하여 결과를 확인할 수 있습니다. 모델이 이미 색상으로 구분되어 있어 설계자가 추가 작업을 수행할 필요가 없으므로 후속 해석 반복이 훨씬 더 빨라집니다.

Kondo는 “이것이 NX CAD와 Simcenter 3D 통합 프로세스의 주요 이점입니다.”라고 말합니다. 색상으로 구분된 정보는 특징형상 모델링 기록의 일부이므로 설계자는 작업 시 이를 차단하도록 선택할 수 있습니다. 설계자가 시뮬레이션을 실행할 준비가 되면 색상 코딩 기능의 차단을 되돌릴 수 있습니다. Kondo는 "이를 통해 설계자는 색상 코드 정보를 매우 쉽게 이해하고 재사용할 수 있습니다."라며 계속 설명합니다.

색상 코딩 규칙을 기반으로 FEM 템플릿에서 생성된 FE 메시

통합 프로세스 확장

Simcenter 3D 및 NX 통합 프로세스는 어셈블리에도 적용할 수 있습니다. 초기 테스트에는 어셈블리에 30개 이상의 컴포넌트가 포함되었습니다. 목표는 모델을 준비하고 선형 정적 해석을 수행하는 것이었습니다. 어셈블리의 각 컴포넌트에는 색상으로 구분된 지오메트리 특징형상이 있으므로 어셈블리의 총 개수가 상당히 클 수 있습니다. 지오메트리 모델은 크더라도 시뮬레이션 템플릿은 색상 코딩을 기반으로 전체 어셈블리에 걸쳐 메시, 경계 조건, 매개변수를 정확하게 설정합니다. 이는 템플릿을 사용할 때 규모의 이점을 제공합니다.

전반적으로 DENSO는 반자동 템플릿 시스템을 사용하여 설계자가 기본 시뮬레이션 및 해석을 위한 모델을 준비할 수 있음을 상당한 이점이라고 파악했습니다. 설계자는 색상 코딩을 한 번만 설정하면 필요한 만큼 많은 시뮬레이션에 사용할 수 있습니다. 색상으로 구분된 섹션은 해석 전문가가 과거에 시뮬레이션 모델을 생성할 때 일부 설정을 수동으로 편집해야 했던 영역입니다. 이제 이러한 모든 세부 사항이 템플릿에 의해 캡처되고 자동화되므로 모델의 색상 코딩 양이 많을수록 원래 프로세스에 비해 해당 모델의 시간이 더 많이 절약될 수 있습니다. Kondo는 "색상 설정 수가 많을수록 작업 시간이 더 많이 단축됩니다."라고 말합니다.

DENSO는 통합 프로세스를 사용하여 평균 해석 시간을 최대 80%까지 단축한 것으로 추정합니다. 부서 간 파일 공유 및 기타 커뮤니케이션을 줄이면 인적 오류가 줄어듭니다. 또한 통합 프로세스를 통해 설계 문제를 조기에 식별하고 프로젝트가 진행되기 전에 수정할 수 있어 품질이 향상된다는 점에 주목했습니다.

Kondo는 "NX CAD 및 Simcenter 3D 통합 프로세스와 CAE 템플릿을 사용하여 CAE 해석에 소요되는 시간을 최대 80%까지 단축했습니다."라고 말합니다.

시뮬레이션 데이터 관리에 대한 전망

DENSO는 앞으로 통합 프로세스의 사용을 데이터 및 라이프사이클 관리로 확장하고자 노력하고 있습니다. DENSO는 모든 설계 데이터 관리에 Siemens Xcelerator 비즈니스 플랫폼의 일부인 Teamcenter® 소프트웨어를 사용합니다. 통합 프로세스를 채택하기 전에는 마스터 모델이 Teamcenter에 저장되었지만, 해석 전문가는 별도의 저장 및 관리 시스템을 사용하여 Teamcenter 외부에서 작업했습니다. 이 시스템에서는 시뮬레이션 내부의 CAD 데이터와 시뮬레이션 데이터 자체가 추적되지 않았습니다.

Kondo는 "이 프로세스에는 두 가지 주요 문제가 있습니다."라며 다음과 같이 덧붙입니다. "Teamcenter에서 CAD 데이터를 내보내고 가져오려면 시간을 들여 작업해야 합니다." 해석 전문가는 시뮬레이션에 적합한 지오메트리 파일을 사용해야 하고 CAD 변형과 관련된 데이터는 수동으로 추적해야 합니다. 팀 구성원이 변경되면 처음부터 다시 시작하여 새 시뮬레이션 모델을 만들어야 하는 경우가 많습니다.

"데이터는 개별 해석 전문가에 의해 관리되기 때문에 신규 사용자는 다른 해석 전문가가 생성한 기존 CAE 데이터를 찾을 수 없습니다."라고 Kondo는 말합니다. "따라서 새로운 해석 전문가는 엔지니어링 변경이 있을 때마다 새로운 CAE 데이터를 생성해야 합니다."

새로 제안된 워크플로는 시뮬레이션 데이터 파일, 관련 템플릿 등 다양한 데이터 버전을 모두 Teamcenter에 저장하는 것입니다. 따라서 해석이 있을 때마다 CAD 데이터를 내보내고 가져올 필요가 없습니다.

Teamcenter를 사용하면 추가적인 이점이 있습니다. 모델 데이터는 호스트 소프트웨어(NX 또는 Simcenter 3D) 없이 빠르게 조회하도록 설계된 JT™ 데이터 형식으로 볼 수 있습니다. JT 파일은 나타내는 원본 데이터 파일에 비해 작으며 50 배까지 작은 경우도 있습니다. 이를 통해 일반 NX 또는 Simcenter 3D 사용자가 아닌 팀 구성원도 설계 검토 작업을 빠르게 수행할 수 있습니다.

DENSO는 이 워크플로에 계속해서 NX와 Simcenter 3D 통합 프로세스를 도입하고 Teamcenter를 확장하고 있습니다. 조기도입 현장에서 이미 달성한 바와 같이 작업 시간을 지속적으로 줄이고 품질을 높일 것으로 예상됩니다.