시뮬레이션을 통해 더 빠르고 더 우수한 변속기 설계 선택

더 빠른 최적화 추구

현대모비스는 스티어링 및 전기 구동 변속기 등 다양한 시스템을 개발하여 자동차 제조업체에 공급합니다. 이전에는 이러한 시스템의 프로토타입을 많이 제작해야 했지만 고객이 갈수록 리드 타임 단축을 요구함에 따라 보다 간소화된 접근 방식을 채택해야 했습니다. 전기차에는 내연기관차와 같은 엔진 소음이 없기 때문에 아주 작은 소리나 진동까지 훨씬 더 잘 들리거나 느껴집니다. 시뮬레이션을 사용하면 디지털 트윈을 통해 반복 및 최적화 속도를 대폭 높여 엔지니어가 정확한 정보에 입각하여 설계를 선택할 수 있습니다.

현대모비스는 개발 속도를 높이고자 소프트웨어, 서비스, 하드웨어가 통합된 Siemens Xcelerator 비즈니스 플랫폼의 일부인 Simcenter™ 3D 소프트웨어를 채택했습니다. 이 소프트웨어의 시뮬레이션 기능을 통해 엔지니어는 프로토타입을 만들지 않고도 시스템 성능을 정확하게 예측하고 빠르게 설계를 최적화할 수 있습니다.

Simcenter 3D Motion

현대모비스 NVH(소음, 진동, 충격) 부문의 유호길 연구 엔지니어는 현대모비스가 이미 Simcenter 3D를 통해 훌륭한 성과를 거두었으며 이를 더 확장하고 싶다고 말합니다. "우리가 Simcenter 3D를 선택한 이유는 강력한 음향 시뮬레이션 기능 때문이었습니다."라고 말하며 다음과 같이 덧붙입니다. "기존 시스템을 성공적으로 사용했지만 전기 구동계를 시뮬레이션하는 데 새로운 도구가 필요했습니다. 변속기 오류는 NVH 성능 저하의 주요 원인이지만 대부분의 기어 시스템 엔지니어링 도구는 준정적(quasi-static) 상태여서 식별하기 어렵습니다. Simcenter 3D Motion의 시간 영역 시뮬레이션 기능을 통해 시스템의 동적 특성을 정확하게 파악하고 설계를 최적화할 수 있기 때문에 Simcenter 3D Motion을 도구 세트에 추가했습니다."

유호길 엔지니어는 복잡한 모델을 만드는 데 시간이 걸리지만 이 소프트웨어를 통해 프로세스를 효과적으로 간소화했다고 말합니다. "Simcenter 3D를 사용하면 하나의 절차로 구조 음향 해석을 모션 모델과 간단하게 동기화할 수 있습니다."라고 설명합니다. "간단한 모델을 사용한 후 시스템에 규정 준수 기능을 추가하여 충실도를 높였습니다. Simcenter Nastran 구조 솔버를 사용하여 유연체를 계산한 다음 이를 Simcenter 3D Motion 모델에 입력했습니다."

테스트 데이터로 검증

시뮬레이션 데이터와 그에 따른 설계 변경 사항을 기반으로 성능을 정확하게 예측하기 위해 유효길 엔지니어와 그의 팀은 물리적 NVH 테스트와 비교하여 결과를 검증해야 했습니다. 초기 데이터를 비교한 후 테스트와 시뮬레이션의 모드 주파수 간에 상당한 차이가 있음을 발견하고 Simcenter Testlab™ 소프트웨어 및 Simcenter 3D Correlation을 함께 사용하여 구조 FE(유한 요소) 모델을 개선하고 모드 상관성을 구현했습니다. 이를 기반으로 유호길 엔지니어는
시뮬레이션 결과에 대한 확신을 얻을 수 있었습니다.

유호길 엔지니어는 "시험 결과를 Simcenter 3D Correlation으로 가져왔을 때 충실도를 높이기 위해 더 많은 반복을 수행해야 하는지 확인할 수 있었습니다."라고 말하며 다음과 같이 덧붙입니다. "그렇다면 모델을 Simcenter HEEDS에 연결하여 시뮬레이션을 자동으로 실행하고 통계에 기반한 효율적인 방식으로 최적화된 결과를 찾음으로써 상관 관계의 속도와 정확도를 높였습니다.

"우리는 Simcenter 3D Motion이 시스템을 더 심층적으로 파악하는 데 매우 강력하다는 것을 알게 되었습니다. 이를 통해 물리적 시험 결과를 정확하게 반영하므로 시뮬레이션을 사용하여 설계를 자신 있게 개선할 수 있습니다."

속도 및 품질 향상

유호길 엔지니어는 Simcenter 3D의 사용을 확장해 왔으며 Siemens Digital Industries Software의 지원에 매우 만족하고 있습니다. "모든 Siemens 엔지니어는 소프트웨어에 대한 전문성을 갖추고 있습니다."라고 말하며 다음과 같이 덧붙입니다. "그들은 시간을 내어 우리가 작업 중인 문제를 파악하고 진행 가능한 최선의 방법에 대해 항상 탁월한 인사이트를 제공합니다."

시뮬레이션을 통해 마이크로 지오메트리의 설계를 변경하여 전달 오류를 줄이고 NVH 성능을 개선했습니다. "Simcenter HEEDS는 우리가 생각하지 못했던 설계 아이디어를 구상하도록 영감을 주며, 더 빠르게 최적화할 뿐만 아니라 더 효율적이고 더 정확한 설계를 선택할 수 있도록 지원합니다."

"인간이 파악하기에 특정 옵션은 현실적 적용이 어려우므로 고려조차 하지 않기 쉽습니다. 그러나 자동화된 알고리즘은 이러한 생각에 의해 제한을 받지 않습니다. 단순히 최상의 최적화를 찾으므로 수동으로 조사하기에는 너무 시간이 많이 걸릴 수 있는 구성을 포함하여 가능한 모든 구성을 탐색합니다."

유호길 엔지니어는 이제 새로운 프로세스가 구축되어 있으므로 향후 설계 시간이 크게 단축될 것이라고 예상합니다. "모든 컴포넌트가 포함된 상세한 유연체 모델은 정밀하지만 시뮬레이션에는 오랜 시간이 걸립니다. 하지만 Simcenter 3D를 사용하면 NVH 해석을 위한 충분한 정확도를 유지하면서 모션 모델 생성 시 모델의 세부 사항을 줄일 수 있습니다."

전송 그 이상을 구현

변속기 설계를 통해 이러한 성공을 경험한 유호길 엔지니어는 다른 시스템에서도 유사한 방법을 사용하고자 합니다. "우리는 Simcenter 3D Motion을 사용하여 스티어링, 제동 및 기타 전기 구동 시스템을 분석하는 방법을 모색하고 있습니다."라고 말하며 다음과 같이 덧붙입니다. "이를 통해 최적화 수준을 높이고 차량의 전반적인 NVH 성능을 더 개선할 수 있습니다."

"또한 최근에 Simcenter 3D Motion GDO(Gear Design Optimization: 기어 설계 최적화) 도구도 추가했는데, 이를 Simcenter HEEDS와 결합하면 반복 작업 속도를 훨씬 더 높일 수 있습니다. 과거에는 이 프로세스에 최대 2주가 걸렸지만 지금은 기껏해야 3~4일로 단축되고 있습니다."