모델 기반 시스템 엔지니어링을 사용하여 가상 NVH 개발에 대한 새로운 접근 방식 활용

도로 소음 관련 재고

현대자동차그룹(HMG)은 1967년 창립 이래 지속적인 개선을 위해 노력해 왔습니다. 현대자동차그룹은 다양한 자동차 기술의 선구자로서, 현재는 모빌리티의 미래를 이끌어 가는 선두주자로 자리매김하고 있습니다. 이러한 정신은 전기화에 대한 회사의 비전부터 동급 최고의 안정성에 이르기까지 HMG 비즈니스의 모든 측면에 영향을 미칩니다. 차량의 도로 소음을 줄이기 위한 HMG의 노력 또한 이러한 정신으로 설명됩니다.

OEM(주문자 상표 부착 방식)은 수십 년 동안 도로 소음을 줄이기 위해 노력해 왔으며 전기 자동차(EV)의 중요성이 높아짐에 따라 이러한 노력이 더욱 강화되었습니다. HMG는 지속적인 개선을 위한 노력의 일환으로 모든 차량의 도로 소음에 대한 접근 방식을 재고하기로 결정했는데, 이러한 변화에 통합 모듈식 아키텍처(IMA) 전략으로의 전환이 포함되어 있었기 때문입니다. 이를 통해 OEM은 여러 차량 모델에 동일한 부품을 사용하여 개발 비용을 절감할 수 있게 되었습니다. 이러한 방식은 모든 차량 모델에 유연하게 장착 가능한 배터리를 개발할 수 있기 때문에 EV에 특히 효과적입니다. HMG는 IMA로 인한 새로운 복잡성을 해결하기 위해 데이터를 통합하고 적절한 인프라를 제공하며 가상 개발을 확장하려 했습니다.

HMG의 엔지니어들은 전체 차량 도로 소음에 대한 테스트 데이터 기반 MBSE 분야를 개척하고 있습니다.

단순한 소프트웨어 공급업체 그 이상

HMG의 목표는 세계 최고의 EV 제조업체가 되는 것입니다. 이를 달성하려면 도로 소음 성능 목표를 달성하면서 효율성을 높이고 차량 프로그램의 비용을 낮춰야 합니다.

이러한 목표를 위해 HMG는 HMG 차량의 도로 소음을 줄이고자 Simcenter™ 엔지니어링 및 컨설팅 서비스와 전략적 파트너십을 맺었습니다. 2019년부터 두 그룹은 긴밀한 협력을 통해 최적의 소음 수준을 갖춘 고품질 차량을 개발하고 있습니다. Simcenter는 소프트웨어, 하드웨어 및 서비스로 구성된 Siemens Xcelerator 비즈니스 플랫폼의 일부입니다.

HMG의 엔지니어들은 도로 소음을 최적화하기 위해 개발 프로세스에서 정확성과 속도의 균형을 맞출 수 있는 상용 솔루션이 필요하다는 사실을 알고 있었습니다. 초기 단계의 가상 개발이 중요하다는 점 또한 알고 있었지만 테스트 데이터를 통합하여 시뮬레이션의 정확성을 최대한 보장하기를 원했습니다.

디지털 트랜스포메이션을 위한 HMG의 세 가지 전략

HMG의 박상영 선임 연구 엔지니어는 "3년 전에 가상 개발 환경에서 테스트 엔지니어의 역할을 정의하는 과제를 시작했습니다. 시뮬레이션 모델과 호환되는 테스트 모델의 개발에 초점을 맞추는 데서 출발했는데, 완벽하게 호환되는 테스트 모델을 생성하는 중에 여러 장애물에 직면했습니다. 이러한 이유로 Simcenter 엔지니어링 및 컨설팅 서비스를 선택했습니다."라고 말합니다.

HMG의 수석 연구 엔지니어인 정재훈 박사는 "Simcenter 엔지니어링을 선택한 이유는 Simcenter 엔지니어링이 우리의 비전을 실행 가능하고 현실적인 구현 로드맵으로 전환하는 데 도움이 될 수 있다는 사실을 알았기 때문입니다. 이들은 실제 적용과 기술 발전 사이의 균형을 달성하기 위해 하드웨어와 소프트웨어를 통합하는 검증된 방법론과 경험을 발전시켜 왔습니다."라고 말합니다.

HMG는 이미 Simcenter 도구 포트폴리오를 사용 중이었으므로 새로운 솔루션에 투자하거나 이를 구현하고 익힐 필요가 없었습니다.

박상영 엔지니어는 "우리는 테스트 기술과 시뮬레이션 기술을 결합하여 보다 신뢰할 수 있는 디지털 트윈을 만들 수 있다는 사실을 깨달았습니다. 이 프로세스를 테스트 데이터 기반 MBSE라고 하며, 우리는 대표적이고 호환되며 신뢰할 수 있고 가능한 최고의 정확도에 기여하는 테스트 모델을 구축하는 데 도움이 되는 Simcenter 엔지니어링을 선택했습니다."라고 말합니다.

그 결과, HMG와 Simcenter 엔지니어링은 수년에 걸친 다단계 프로젝트에 들어갔습니다.

가상 개발을 위한 테스트 모델을 작성하는 HMG의 테스트 데이터 기반 MBSE

타이어의 불변 하중

Simcenter 엔지니어는 휠 수준에서 컴포넌트 기반 전달 경로 분석(TPA) 기술을 적용하여 불변 휠 중심 하중을 알아내기 위해 HMG 팀과 협력했습니다. 차단된 힘이라고도 하는 이러한 불변 하중은 수신 구조에 따라 변하지 않고 휠에만 의존합니다.

이러한 불변 하중을 보면 컴포넌트의 동작을 더 잘 이해하고, 개발 단계 초기에 명확한 컴포넌트 대상과 추가 정보를 공급업체와 공유할 수 있습니다. 또한 Simcenter VPA(가상 프로토타입 어셈블리)를 사용하면 휠 정의 불변 하중을 다양한 가상 차량 어셈블리 사양과 함께 사용하여 도로 소음 성능을 예측하고 평가할 수 있는데, 여기에는 개발의 모든 단계에 테스트 데이터 기반 MBSE를 사용하고자 하는 HMG의 요구가 반영되어 있습니다.

HMG의 개발 프로세스에 불변 하중을 적용하기 위해 박상영 엔지니어와 Simcenter 엔지니어링 팀은 불변량으로 타이어에서 평가되는 하중을 어떻게 실험적으로 파악하는지, 이론이 실제로 적용 가능한지, 차량 도로 소음 성능을 얼마나 잘 예측할 수 있는지 판단해야 했습니다.

Simcenter 엔지니어링 팀은 HMG와 협력하여 타이어의 컴포넌트 기반 TPA 방식을 검증했습니다. 이들 팀은 이 접근 방식이 HMG의 현재 도로 소음 평가 프로세스에 효과가 있음을 입증할 수 있었습니다.

휠 레벨에서 불변 하중 연구

역사적 업적: 서스펜션의 테스트 기반 모델링

이전 단계에서 시스템은 소스인 타이어와 서스펜션이 장착된 차체를 포함해 수신기로 사용하는 차량의 나머지 부분, 이 두 가지 컴포넌트로만 구성되었습니다.

다음 단계에서 Simcenter 엔지니어링 팀과 HMG 팀은 수신 구조를 서스펜션과 바디로 더 나누고 마운트를 사이에 두었습니다. 모든 컴포넌트는 엔지니어가 나중에 모델을 구축하여 전체 차량의 가상 어셈블리를 구성할 수 있도록 실험적으로 특성화되었습니다.

자동차 산업의 전동화로 인해 이 단계는 특히 중요해졌습니다. 이러한 전환은 구동계, 도로 및 바람 소리가 차량 내 소음의 주요 원인이 되는 결과로 이어졌기 때문입니다.

컴포넌트 기반 TPA는 하부구조의 개별 특성화를 가상 차량에 결합할 수 있는 효과적인 방법이며, 이를 통해 시스템 설계자는 설계 사이를 전환하고 증가하는 제품 복잡성과 늘어나는 차량 사양의 수에 대응할 수 있게 됩니다.

한편, 컴포넌트 기반 TPA의 주요 과제는 현실적인 작동 경계 조건 및 예압을 감안해 하위 시스템을 정확하게 표현하는 것입니다. 또한, 컴포넌트를 측정하려면 연결 인터페이스에서 자유로워야 하기 때문에 테스트 캠페인 중에 필요한 조건을 만드는 데 상당한 어려움이 있습니다. 전체 어셈블리에서 지지 구조를 빼서 알 수 없는 컴포넌트의 진동 동작을 특성화하는 기술인 FBS(Frequency-Based Substructuring) 디커플링이 이 문제의 해결책이 될 수 있습니다. FBS 디커플링은 두 어셈블리에서 2차 구조의 영향을 제거하여 알려지지 않은 컴포넌트의 주파수 응답 함수(FRF)를 파악하는 방법입니다.

이 프로젝트 이전에는 테스트에 기반해 서스펜션 모델을 생성하는 방식이 여러 회사에서 테스트 및 적용되어 다양한 성공을 거두었습니다. 그러나 이러한 모델 중 무엇도 FBS에 필요한 데이터 양식과 이 프로젝트의 주파수 범위를 충족하지 못했습니다.

이는 서스펜션의 특히 까다로운 특성 때문인데, 서스펜션은 한쪽에선 바퀴, 다른 쪽에선 차체에 장착되어 있기 때문에 개별적으로 특성화 할 수 없습니다. 이러한 문제가 있으면 차량 중량으로 인한 수직 예압, 주행 중 슬립 서스펜션 등 컴포넌트에만 적용되는 특성화 중에 작동 경계 조건을 복제하기가 어려워집니다. 그리고 서스펜션이 올바르게 모델링되지 않으면 결과의 정확도가 떨어집니다. FBS 디커플링 접근 방식은 기존에 학문적으로만 적용했을 뿐이며, 상업적으로 적용한 적은 없었습니다. 이 방법을 사용하여 엔지니어는 서스펜션에 필요한 정확도와 주파수 범위를 제공하는 모델을 만들 수 있었습니다.

다음으로 HMG와 Simcenter 엔지니어링은 서스펜션을 정확하게 테스트하고 벤치 설계에 대한 요구사항을 개발 및 검증하기 위해 맞춤형 벤치를 구축했습니다. 또한 이들 팀은 반복성이 이 벤치의 핵심이라는 것을 인식하여 나중에 사내에서 사용할 수 있도록 벤치를 설계했습니다.

서스펜션 지그 설계에는 하드웨어, 시뮬레이션 소프트웨어 및 컴포넌트 기반 TPA를 함께 사용해야 했습니다.

첫 번째 단계로, 서스펜션은 작동 조건에서 FRF 테스트가 가능하도록 설계된 테스트 지그와 결합되었습니다. 테스트 지그는 FE(유한 요소) 모델을 사용하여 설계 및 검증되므로 강한 동적 거동이나 과도한 강성을 제한하여 대상 구조와 결합할 수 있습니다. 인터페이스 지점에 어댑터 블록을 사용하여 다양한 서스펜션을 지그에 장착하는 것도 가능해졌습니다.

박상영 연구원과 Simcenter 엔지니어링 팀은 FBS 기반 어셈블리 해석을 위한 완벽한 시험 설정을 구축하는 데 처음으로 성공했습니다. 이러한 설정을 통해 올바른 작동 경계 조건을 가진 대표적인 통합 프론트 서스펜션 모델을 식별할 수 있게 되었습니다.

박 연구원은 이렇게 말합니다. "서스펜션 모델을 구입하자는 아이디어를 제안했을 때는 이것이 달성 가능한지 확신할 수 없었습니다. 하지만 Siemens의 통합 하드웨어, 소프트웨어 및 컴포넌트 기반 TPA 테스트 덕분에 매우 까다로운 지그를 완벽하게 설계할 수 있었습니다. 또한 다른 테스트 캠페인에서 배운 다양한 기술을 사용하여 즉석에서 변경하는 데 성공하기도 했습니다. 우리가 이룬 진전은 고무적이며 개발 초기 단계에서 성능을 평가하기 위한 미래 모델을 준비하는 데 도움이 될 것입니다."

서스펜션 모델 특성화

벤치가 완성되자 팀은 서스펜션 모델을 특성화하는 작업에 착수했습니다. 다분야 제품 엔지니어링을 위한 CAE(Computer-Aided Engineering) 솔루션인 Simcenter 3D는 센서 포지셔닝, 접근성, Qsources™ 하드웨어용 Simcenter와의 여기 호환성 등 적합한 시험 설정을 평가하는 데 사용되었습니다. Simcenter Qsources는 주파수 응답 함수를 측정하는 소음 및 진동 여기 하드웨어 제품군입니다.

Simcenter 3D를 사용하자 벨기에 루벤의 시뮬레이션 팀과 한국에 있는 테스트 팀 사이의 커뮤니케이션도 간편하게 이루어질 수 있었습니다. 루벤에 있는 엔지니어들은 가속도계와 Simcenter Qsources 셰이커의 CAD(computer-aided design) 모델을 구축, 평가 및 검증했습니다. 그러면 이러한 CAD 모델을 사용하여 한국에 있는 테스트 엔지니어는 CAD 모델 기반 계측 및 측정을 수행할 수 있습니다. 이를 통해 Simcenter 엔지니어링 팀과 고객 사이에 테스트 지오메트리를 변경하고 추출할 수 있는 중요한 피드백 루프가 제공되었습니다.

센서가 배치된 후에는 테스트 벤치에서 Simcenter Testlab™ 소프트웨어와 Simcenter SCADAS™ 하드웨어가 포함된 Simcenter 테스트 솔루션 포트폴리오를 사용하여 시스템의 구조적 역학을 특성화했습니다. 또한 Simcenter Qsources 셰이커와 여기 하드웨어를 사용하여 측정이 정확한지도 확인했습니다.

이 팀은 테스트 벤치에서 이러한 연구를 여러 번 반복했습니다. 이 연구와 관련해 FRF당 약 31,800개의 전달 함수(146개의 여기 및 132개의 응답)가 획득되었습니다. 이 서스펜션 컴포넌트에는 상호 작용을 설명하고 측정하는 데 필요한 연결 지점이 다량 포함되었습니다. 따라서 휠 허브의 입력부터 차체 연결부의 출력에 이르기까지 수많은 요소를 특성화할 수 있도록 많은 수의 주파수 응답 함수(FRF)가 필요했습니다. 여기에는 엄청난 노력이 들었지만 이는 정확한 모델 생성을 보장하는 데 필요한 부분이었습니다.

그리고 이들의 노력은 성공을 거두었습니다. 테스트 후 팀은 서스펜션 시스템의 정확한 모델링에 기여하는 방식으로 동적 거동을 추출할 수 있었습니다. 프로젝트가 끝난 후 Simcenter 엔지니어링 팀은 향후 현장에서 사용할 수 있도록 벤치를 고객에게 전달했습니다.

기술 사용 및 커스터마이징

다음으로, Simcenter 엔지니어링과 HMG는 Simcenter VPA와 Simcenter Testlab NVH 시뮬레이터를 사용하여 프로젝트의 이전 단계에서 배운 기술을 배포하기 위해 협력했습니다.

"이전 프로젝트에서 개발된 모델과 기법을 사용하여 시스템 설계자에게 도로, 속도 등 다양한 주행 조건에서 도로 소음의 청각화를 주관적으로 평가할 수 있는 기회를 제공하고 싶었습니다"라고 박상영 엔지니어는 말합니다.

Simcenter 엔지니어링과 HMG는 Simcenter VPA를 사용하여 테스트 및 시뮬레이션 모델을 기반으로 가상 차량 어셈블리를 구축했습니다. 팀에서는 이제 차량 NVH 성능을 가상으로 예측할 수 있으며, 모델 기반 가상 차량 개발로 전환하는 것이 실현 가능하고 훨씬 더 정확하다는 사실을 확인할 수 있었습니다.

이 팀은 도로 소음 분석에 대한 HMG의 요구 사항과 목표를 파악했으며, 이러한 요구 사항을 충족하기 위해 Simcenter VPA를 개선하고 사용자 정의하는 로드맵을 정의했습니다. 여기에는 데이터 분석을 위한 전용 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)와 복잡한 다단계 차량 어셈블리를 위한 특정 기능이 포함되었습니다. 이 단계의 궁극적인 목표는 Simcenter Testlab NVH 시뮬레이터를 사용하여 물리적 프로토타입을 제작하기도 전에 개발 중인 차량의 소리를 재생하고 듣는 것이었습니다. Simcenter Testlab NVH 시뮬레이터를 사용하면 도로 소음을 바람, 타이어, 파워트레인 같은 다른 일반 소음 요인과 결합하여 보다 사실적으로 만들 수 있습니다. 이를 통해 엔지니어는 보다 정확하게 소음을 예측할 수 있습니다.

Simcenter Testlab에서 확보한 데이터를 사용하면 HMG 엔지니어는 주요 소음과 소음의 출처를 파악하는 등 분석을 상세하게 수행할 수 있을 것입니다. Simcenter 엔지니어링은 또한 HMG와 협력하여 가상 어셈블리를 위한 컴포넌트 라이브러리와 Simcenter Testlab을 위한 소음 정보 등 소음 정보로 구성된 데이터베이스를 구축할 계획입니다. 이를 통해 HMG는 개발 시간과 비용을 줄일 수 있을 것입니다.

마지막으로 Simcenter 엔지니어링과 HMG는 HMG의 특정 요구사항에 맞춰 제공되는 도구와 방법론을 세밀하게 조정할 예정입니다. 목표는 이 기술을 HMG의 개발 프로세스에 통합하는 것이기 때문에 효율성과 채택 용이성을 달성하기 위해서는 도구를 커스터마이징하는 것이 매우 중요합니다.

HMG에서 모델 기반 가상 차량 개발을 위한 기술 사용 및 커스터마이징

미래를 위한 로드맵

박상영 연구원과 Simcenter 엔지니어링은 함께 협력하여 이 기술을 통합하기 위한 프로젝트를 진행하고 있습니다. 정확도 향상 외에도 HMG 팀은 이 프로젝트를 통해 차량 연구에 사용할 수 있도록 제공된 많은 테스트 부품과 모델 덕분에 개발 시간이 단축될 것으로 기대합니다. 이렇게 하면 새 차량이 개발될 때마다 시뮬레이션 모델을 구축하고 상호 연관시킬 필요가 없습니다.

박상영 연구원은 이렇게 평가합니다. "Simcenter 엔지니어링 팀과 긴밀히 협력한 것이 정말 좋았습니다. 이 프로젝트는 분명 HMG의 새로운 IMA 전략의 개발 효율성을 개선하는 데 도움이 될 것입니다. Simcenter 엔지니어링 팀과의 협력을 통해 타이어 모델을 개선하고, 서스펜션 모델을 보다 효율적으로 만들며, 더 많은 과제를 해결했습니다. 우리는 Simcenter 엔지니어링 팀을 MBSE 여정의 전략적 파트너로 삼게 되어 기쁩니다."

Simcenter 소프트웨어와 하드웨어를 함께 사용하여 엔지니어가 차량의 도로 소음에 대한 디지털 트윈을 구현할 수 있도록 지원했습니다.

고객을 최우선으로

박상영 연구원과 정재훈 박사는 고객을 위해 지속적으로 개선하고자 하는 HMG의 노력의 일환인 이 프로젝트 덕분에 차내에서 원치 않는 소음과 진동을 없애고 운전자/탑승자의 편안함을 개선할 수 있을 것이라 보았습니다. 박상영 연구원은 이렇게 말합니다. "Simcenter 엔지니어링과 함께 한 프로젝트 덕분에 이제 차량 개발 초기 단계에 시의적절하고 신뢰할 수 있는 개선을 이룰 수 있게 되었습니다. 이것은 운전자와 탑승자의 만족도를 높이고 HMG 차량을 더 편안하고 즐겁게 운전할 수 있도록 만들 것입니다."