시뮬레이션을 사용하여 오토바이 공기역학 최적화 테스트 기간을 90% 단축

전기 오토바이로 전환하는 기존의 오토바이 매니아

전기차로의 전환이 순조롭게 진행되고 있지만 전기 오토바이는 뒤처져 있습니다. 이러한 제품이 두 가지 다른 유형의 고객을 유치한다는 점을 감안하면 당연한 일입니다. 대부분의 자동차는 편안하고 안전하게 한 장소에서 다른 장소로 이동하는 데 중점을 두는 반면, 오토바이는 더 열정적인 질주에 중점을 둡니다. 라이더는 각 여정의 속도, 기분, 전반적인 경험을 추구합니다.

Energica는 다양한 고성능 완전 전기 오토바이로의 전환 속도를 높이는 것을 목표로 하고 있습니다. "가솔린 오토바이 매니아는 소음과 냄새에 큰 중점을 둡니다."라고 Energica의 CTO(최고 기술 책임자)인 Giampiero Testoni는 말합니다. "그러나 기후 변화는 누구도 무시할 수 없는 실질적인 위협입니다. 오염 없이 동일한 수준의 성능을 제공하여 새로운 전기 오토바이 매니아의 열정을 충족하고 싶었습니다."

공기역학 개발 가속화

고성능 오토바이를 개발하려면 효과적인 파워트레인뿐만 아니라 고도로 정교한 공기역학 기술이 필요합니다. Energica에서 전기 오토바이를 개발하기 시작했을 때 풍동을 사용하여 모든 공기역학을 테스트했습니다. 풍동은 성능을 매우 정확하게 평가했지만 비용과 시간이 많이 소요되었습니다.

Testoni는 회사의 지속적인 성장을 위해서는 대체 솔루션을 모색해야 했다고 설명합니다. "출시 시간이 매우 중요합니다."라고 그는 말합니다. "1년 전에 풍동을 예약해야 하는 경우가 많으며 그 시점까지 테스트할 모든 준비를 마쳐야 합니다. 비용도 중요한 요소이지만 가장 중요한 것은 최종 제품 완성 시간을 단축할 수 있도록 공기역학적 최적화 속도를 높이는 것이었습니다. 전기차 시장은 내연 기관차보다 훨씬 빠르게 발전하므로 전자 제품 소비 시장과 마찬가지로 개발 시간을 최대한 단축하지 못한다면 경쟁에서 뒤처지게 될 것입니다."

Energica는 공기역학 개발을 가속하기 위해 Siemens Digital Industries Software의 Simcenter FLOEFD™ 소프트웨어와 Simcenter™ STAR-CCM+™ 소프트웨어를 선택했습니다. Simcenter는 소프트웨어, 하드웨어, 서비스로 구성된 Siemens Xcelerator 비즈니스 플랫폼의 일부입니다.

"Simcenter를 선택한 중요한 이유는 이는 상호 연결된 전체 도구 제품군을 갖추고 있다는 것을 처음부터 알고 있었기 때문이었죠."라고 Testoni는 말합니다. "전자, 기계, NVH, 1D 시뮬레이션에 대해 여러 제품이 있는 경우 모든 결과를 빠르게 취합하는 것이 어려워집니다. Simcenter 포트폴리오를 사용하면 이 작업을 훨씬 더 간단하게 수행할 수 있다는 점이 매우 매력적이었습니다. 또한 개발 프로세스가 발전함에 따라 한두 개의 Simcenter 도구로 시작한 다음 점차 다른 도구를 추가할 수 있는 점도 매우 유용했죠."

Simcenter FLOEFD로 편의성 최적화

Energica의 오토바이 모델은 다양한 사용자를 염두에 두고 설계되었습니다. Energica EsseEsse9+는 주로 라이더의 편의성에 중점을 두었기 때문에 공기가 라이더의 가슴에 어떤 영향을 주는지 파악하는 것이 공기역학 최적화의 핵심이었습니다.

이를 위해 Testoni는 Simcenter FLOEFD를 사용하여 모든 개별 컴포넌트를 포함한 오토바이의 전체 모델에 대한 기류의 영향을 시뮬레이션했습니다. "Simcenter FLOEFD는 사용이 간편하고 3D CAD와 매우 효율적으로 통합할 수 있으며 지오메트리가 복잡한 모델을 빠르고 정확하게 CFD 해석할 수 있습니다."라고 Testoni는 말합니다. "공기가 라이더에게 어떤 영향을 미치는지 즉시 확인하고 이를 최소화하기 위해 설계 수정을 실험할 수 있었습니다."

이 모델에서 가장 중요한 것은 편의성이었지만 성능도 여전히 중요했기 때문에 팀은 이러한 수정이 오토바이의 속도를 크게 저하하지 않도록 해야 했습니다. 이들은 전면 페어링, 더 높은 스크린, 핸드 가드를 추가하여 공기 흐름의 충격과 속도를 낮췄습니다. 이로 인해 라이더의 편의성이 향상되었지만 라이더의 가슴 근처에 난기류가 발생했습니다. 이를 완화하기 위해 스크린 측면을 낮추고 전면 페어링에 공기 덕트를 추가하여 항력을 줄이는 등 추가적인 수정을 거쳤습니다. 전반적으로 오토바이의 전면 면적이 3.7% 증가했으며 시뮬레이션에서 라이더의 편의성이 크게 향상되는 것으로 나타났습니다. 그럼에도 불구하고 Cx(전면 항력 계수)는 단지 0.6% 증가했는데, 이는 오토바이가 여전히 예상 최고 속도를 달성할 수 있음을 의미합니다.

Simcenter STAR-CCM+를 사용하여 속도 최적화

MotoE Ego Corsa 레이싱 바이크는 성능 중심으로 제작되었습니다. 최고 속도와 효율을 향상하려면 설계가 항력에 어떤 영향을 미치는지 정확히 파악하는 것이 중요했습니다. 시뮬레이션을 효과적으로 수행하려면 자체 데이터와 풍동 테스트에서 얻은 데이터 간에 서로 직접적인 상관 관계가 있어야 했습니다. 따라서 Energica는 Simcenter STAR-CCM+로 시뮬레이션하여 풍동을 재현하고 실제 테스트를 복제했습니다.

"Simcenter STAR-CCM+에서 풍동을 정확하게 복제하고 있다는 확신이 생기자 풍동 대신에 시뮬레이션을 통해 모든 설계 수정 사항을 테스트할 수 있었습니다."라고 Testoni는 말합니다. "즉, 몇 달을 기다려 풍동 테스트를 진행할 필요가 없었으며 훨씬 쉽고 빠르게 테스트를 설정할 수 있었죠." 더 짧은 시간에 더 많은 반복을 시도할 수 있었으며, 이를 통해 진정한 고성능 공기역학적 설계에 도달하여 최고 속도와 효율을 극대화할 수 있었습니다."

개발 시간 및 비용 대폭 절감

Energica는 Simcenter FLOEFD 및 Simcenter STAR-CCM+를 사용하여 개발 시간과 비용을 절감할 수 있었습니다. "이제 완전한 시뮬레이션 환경 설정이 완료되었으므로 공기역학 개발에서 더 이상 풍동을 사용하지 않아도 됩니다."라고 Testoni는 말합니다. "풍동은 전체 오토바이를 최종적으로 검증할 때만 사용합니다. Simcenter FLOEFD와 Simcenter STAR-CCM+를 사용함으로써 프로토타입을 제작하고, 풍동을 예약하며, 테스트 설정을 위해 며칠 간의 엔지니어링 시간을 할애하지 않아도 되므로 테스트 완료 속도가 10배 증가하고 비용을 약 5배 절감할 수 있었습니다."

Testoni는 Siemens가 개발한 Simcenter FLOEFD 및 Simcenter STAR-CCM+의 초기 설정에 대한 전문 지식과 지속적인 지원을 높이 평가했습니다. "이와 관련한 훈련은 최고 수준이었습니다."라고 그는 말합니다. "이러한 제품을 실제로 사용해 본 엔지니어가 저희를 교육해 주었다는 점이 가장 놀라웠습니다. 그들은 단지 이론을 설명하는 것이 아니라 직접 사용하는 모습을 보여주고 우리와 똑같은 문제에 직면했습니다."

오토바이 성능 확대

Energica는 Siemens Xcelerator의 더 많은 도구를 통합하기 위해 최근에 Siemens와의 파트너십을 3년 더 갱신했습니다. "시뮬레이션은 이제 Energica 개발 프로세스에서 기본적인 단계가 되었습니다."라고 Testoni는 말합니다. "Siemens와 계속 협력하여 Simcenter Amesim 및 NX와 같은 Siemens Xcelerator의 일부인 더 많은 도구를 구현하여 제품을 개선하게 되어 기쁩니다."

이는 Energica가 오토바이 성능을 확장하는 데도 기여할 것입니다. "Siemens Xcelerator 포트폴리오에서 더 많은 도구를 채택하는 것은 새로운 사업부인 Energica Inside에 있어서 매우 중요할 것입니다."라고 Testoni는 말합니다. "이는 전기 트랙터, 고카트, 소형 비행기, 보트용 배터리 및 파워트레인과 같은 다양한 시장에 저희의 경험과 기술을 제공하도록 설계되었습니다. 시뮬레이션을 사용하여 더 많은 시간과 비용을 절약할수록 고객 요구를 충족하는 더 우수한 제품을 더 빨리 출시할 수 있습니다."