물리적 프로토타입을 제거하면서 NVH 예측을 5배로 확대 적용

자동차 편의성 분야의 선두주자

Renault S.A.(Renault)는 1899년에 회사가 설립된 이후로 자동차 산업의 선구자 역할을 해 왔습니다. 성능과 신뢰성에 집중해 온 것은 물론, 가장 편안하고 즐거운 주행 경험을 제공하기 위해 항상 노력해 왔습니다.

최고 수준의 편안함을 제공하려면 차량의 NVH(소음, 진동, 충격)를 최적화해야 합니다. 전기화의 출현으로 엔진 소리에 묻히던 소음이 두드러지면서 NVH 해석 및 최적화가 그 어느 때보다 중요해졌습니다.

20년 전, Renault는 차량 내의 다양한 시스템을 개발하는 모든 팀이 최상의 결과를 얻으려면 더 긴밀하게 협력해야 함을 깨달았습니다. 설계 프로세스에서 더 빨리 시스템 간의 상호 작용을 이해하고 변경을 완료할수록 도움이 됩니다. 그렇지 않으면 나중에 너무 많은 비용과 시간을 할애해야 할 수도 있습니다.

이러한 노력을 뒷받침하기 위해 Renault는 VISA(Virtual Synthesis in Acoustic) 프로젝트에 착수했습니다. Renault의 NVH 시뮬레이션 전문가인 Philippe Mordillat는 "글로벌 차량 성능을 예측하기 위해 개별 컴포넌트를 조립해 통합하는 것이 목표였습니다."라고 설명합니다.

팀 간의 긴밀한 협력

VISA 도구는 개발 프로세스의 모든 단계에서 차량의 NVH 동작을 평가하도록 설계되었습니다. 목표는 모듈식 시스템 기반 설계 방법론을 구현하여 조직 내 팀과 외부 공급업체 간의 격차를 해소하는 것이었습니다.

당시의 소프트웨어는 지금보다 성능이 떨어졌으므로 많은 어려움이 있었습니다. 예를 들어 FRF(Frequency Response Function)를 기반으로 서로 다른 하위 시스템을 결합하는 기술은 경계 조건이 올바르지 않아 정확한 결과를 보장할 수 없었으며 불변 방식으로 소음 및 진동 소스를 특성화하는 방법론은 아예 존재하지 않았습니다.

또한 테스트와 CAE 작업은 서로 철저하게 분리되어 있었습니다. 따라서 부서 간 데이터 교환 및 재사용이 제한되어 데이터베이스 및 다양한 컴포넌트 모델을 통합 도구에 유연하게 연결하기가 어려웠습니다. 복잡한 HEV(Hybrid Electric Vehicle) 아키텍처에서는 각 하위 시스템의 모델이 제어 로직에서 도출된 경계 조건에 연결되어야 하지만, 이러한 아키텍처를 처리하는 방식도 아직 고안되지 않았습니다.

Mordillat에 따르면, 이로 인해 Renault가 NVH 범위를 확대하기 위해 모색하고 있었던 통합 및 예측 방식은 그 효과가 제한될 수밖에 없었습니다. "결국 우리가 분석할 수 있었던 사용자 사례의 90%는 약하게 커플링된, 예를 들면 가볍게 장착된 순수 컴포넌트와 저주파 또는 중주파 부밍 노이즈에 대한 적용 분야와 연관되었습니다. 우리는 이러한 방식을 도로 소음 및 가속 주행 소음 등 고주파에까지 적용 사레를 확대하고자 했습니다."

전문가 파트너십

이 도구와 내부 프로세스를 더욱 발전시키려는 Renault의 요구는 Siemens Digital Industries Software와의 전략적 협력으로 이어졌습니다. 2016년부터 두 기업은 소프트웨어, 하드웨어 및 서비스를 포괄하는 Siemens Xcelerator 통합 포트폴리오의 일부인 Simcenter™ Testlab™ VPA(Virtual Prototype Assembly) 소프트웨어를 활용하여 VISA 플랫폼을 개선하는 데 협력해 왔습니다.

이 파트너십의 목표는 조립된 차량의 NVH 성능을 물리적 프로토타입 없이 가상으로 신뢰성 있게 평가하기 위한 종합적이고 전사적인 프로세스를 구현하는 것이었습니다. 이를 위해서는 강력하게 커플링된 컴포넌트 간 상호 작용과 같이 예측의 신뢰성과 정확도가 향상된 새로운 방식이 필요합니다. 해당 프로세스는 개발의 모든 단계에 적용할 수 있어야 했으며 내부적으로나 공급업체에서 모든 테스트 또는 CAE(Computer-Aided Engineering) 기반 데이터 소스를 지원해야 했습니다. 또한 전체 팀이 새 도구를 최대한 활용할 수 있도록 시뮬레이션 전문가뿐만 아니라 모든 Renault 엔지니어가 사용할 수 있어야 했습니다.

이러한 과제를 해결하기 위해 Simcenter 엔지니어링 및 컨설팅 서비스, Simcenter 테스트 및 엔지니어링 서비스 등 두 팀과 Renault 엔지니어가 협력하여 사용 사례를 정의하고 상황에 맞게 방식을 적용했습니다.

컴포넌트 기반 전달 경로 해석

전기차에서는 도로 소음이 더 이상 연소 엔진 소리에 묻히지 않으므로 타이어와 같은 소음원에 대해 보다 각별한 주의가 필요합니다. 타이어/노면 접촉에서 발생하는 소음은 일반적으로 광범위하고 빈번한 스펙트럼으로 전달됩니다. 또한, 이 소음은 구조적 가진 및 음향적 가진을 한데 결합하며 강력하게 커플링된 하위 시스템(휠 림이 스핀들에 볼트로 고정됨)을 필요로 합니다. 따라서 소스 분해를 위한 적절한 기술을 확보하는 것은 타이어 공급업체와 효율적으로 협력하면서 시너지 효과를 발휘하는 데 매우 중요합니다.

Simcenter 전문가는 Renault가 컴포넌트 기반 TPA(전달 경로 해석) 방식을 배포할 수 있도록 지원했습니다. 이 방식을 활용하면 타이어와 도로 간의 상호 작용에서 나타나는 소음원을 불변 방식으로 식별할 수 있습니다. 휠은 흔히 블록 힘이라고 하는 일련의 휠 중심 하중으로 인해 독립 컴포넌트라는 특징을 갖습니다. 이 방식에서는 림과 스핀들 간의 연결 속성을 설명하기 위해 6 DOF(자유도) FRF 형식의 임피던스 행렬을 수집합니다.

이 데이터는 합성 방식의 기술적 근간으로, 소음과 진동을 유발하는 소스 컴포넌트 자체와 해당 컴포넌트가 다른 하위 시스템과 연결 및 상호 작용하는 방식을 모두 설명합니다.

이 새로운 기능은 현재 Simcenter Testlab에서 제공되는 전체 도구 세트의 한 가지 도구에 불과합니다. 이러한 도구 세트를 사용하면 향후 어셈블리에서 사용할 준비가 된 불변 컴포넌트 모델을 확보 및 검증할 수 있습니다.

또한 이 커플링 기술을 통해 OEM(Original Equipment Manufacturer)과 공급업체는 일반적으로 공유되는 성능 데이터의 수준을 넘어 제품 정의 및 지식과 관련된 데이터를 교환할 수 있습니다. 따라서, 나중에 전체 시스템에 통합될 개별 컴포넌트에 대한 공통 기준과 타겟을 적절하게 설정하고 처리할 수 있습니다.

무엇보다, 세부 사양이나 지오메트리가 공유되지 않고 FRF 또는 하중과 같은 곡선만 공유되므로 기밀성에 대한 위험이 없습니다. 결과적으로 공급업체는 가상 어셈블리를 구축하고 컴포넌트 설계가 전체 차량 NVH 성능에 미치는 영향을 확인할 수 있습니다.

사용자 기반 확대 및 데이터 증가

Renault는 이 기술을 모든 팀과 현장 전체에 광범위하게 배포할 계획입니다. 시간이 지나면서 이 기술이 보다 폭넓게 사용되면 Renault는 향후 설계에 사용할 수 있는 방대한 양의 과거 데이터로 컴포넌트 데이터베이스를 구축할 것입니다.

이러한 컴포넌트와 데이터를 중앙 집중식으로 저장하고, 간편하게 검색하며, 문서화하여 어셈블리에서 올바르게 재사용할 수 있도록 Simcenter Testlab 데이터 관리를 배포했습니다. 컴포넌트를 활용하면 해당 컴포넌트의 모델을 제작하지 않았고 어떤 데이터가 포함되었는지 모르는 사용자도 가상 어셈블리를 구축하고 다양한 사용 사례 및 조합에 대한 계산을 실행할 수 있습니다.

Mordillat는 'Simcenter Testlab VPA를 사용하는 이유는 작업 중인 엔지니어링 현장이나 차량 모델에 관계없이 사용자가 일상 업무에서 따를 수 있는 쉽고 표준화된 프로세스를 갖추기 위해서'라고 말합니다.

처음에는 Renault에서 약 50명의 사용자가 플랫폼을 사용할 예정이며 그 중 25명은 컴포넌트 입력을 생성하는 데 적극적인 역할을 할 CAE 사용자입니다. 사용자 수는 특히 조직의 요구사항에 초점을 맞추도록 성능 분석을 사용자 정의함에 따라 증가할 것입니다.

사용자 정의 해석

예를 들어 PBN(가속 주행 소음)을 분석할 때 엔지니어는 외부 소음 규정을 충족하기 위해 신뢰할 수 있는 예측이 필요합니다. Renault는 이미 PBN 이벤트 중에 소음 합성을 수행하기 위한 지식과 기술을 보유하고 있었지만, 이러한 지식과 기술이 원래 VISA 플랫폼에서 원활하게 구현되지 않아 프로세스를 간소화할 수 없었습니다.

Siemens는 Simcenter Testlab VPA 도구 전용으로 처리 환경을 맞춤화하여 원활한 PBN 해석을 지원했습니다. 또한 이를 통해 Renault 엔지니어는 소스 전송 분해 해석을 수행하고 구성을 간편하게 비교하며 설계 수정의 효과를 확인할 수 있습니다.

결과적으로, 이제 상이한 하위 시스템에 대한 목표를 설정하고 개발 전반에 걸쳐 외부 소음을 예측하며 규정 준수에 필요한 개선점을 판단하는 일이 더 쉬워졌습니다. Simcenter Testlab VPA는 또한 NVH 엔지니어와 소프트웨어 개발 사이의 협업을 개선함으로써 차량 제어가 NVH 성능에 미치는 영향을 더 균형 있게 조절할 수 있도록 지원합니다.

미래 경쟁력을 높이는 혁신 기능의 결합

Mordillat는 지금까지의 결과에 만족할 뿐만 아니라 미래 역시 기대하고 있다며 다음과 같이 말합니다. "Simcenter Testlab VPA를 사용하면서 NVH 예측을 5배 확대 적용하여 생산성이 크게 향상되었습니다."

개발 프로세스 전반에 걸쳐 이루어진 개선 사항은 명확합니다. 우선, 과거 차량 데이터를 하위 시스템에 대한 초기 목표 캐스케이딩의 시작점으로 사용할 수 있는 개념 단계부터 시작됩니다. 이러한 개선 사항은 프로토타입 성능 평가에 새로운 컴포넌트 데이터를 사용할 수 있는 검증 단계까지 계속해서 나타날 것입니다. 개발 과정 전반에 걸쳐 Simcenter Testlab VPA는 과거 및 참조 데이터를 라이브러리에 향후 사용을 위해 추가되는 새로운 설계로 단계별로 교체하도록 지원합니다.

Renault는 또한 Simcenter Testlab VPA를 Siemens와의 또 다른 성공적 협업의 결과인 GREEN 플랫폼과 결합해 활용하기를 기대합니다. 이 방식은 하드웨어 및 소프트웨어 제어를 모두 평가해야 하는 하이브리드 전기차에 특히 유용합니다. 이 경우 CAE 엔지니어는 Simcenter Amesim™ 소프트웨어로 구동되는 GREEN 소프트웨어 환경에서 모델을 구축하고 측정 전문가는 Simcenter Testlab을 사용하여 테스트 기반 컴포넌트를 생성합니다. 이 두 요소는 Simcenter Testlab VPA 플랫폼에서 결합되어 소음 예측을 위한 어셈블리를 구축합니다.

결국 Simcenter Testlab VPA를 통해 Renault는 가상 모델을 사용하여 설계 수정의 영향을 예측하고 필요한 물리적 테스트의 양을 줄일 수 있습니다. Mordillat는 "Simcenter Testlab VPA를 활용하면 가상 단계에서 예측 기능의 품질을 높일 수 있으므로 사용되는 프로토타입 수를 줄일 수 있습니다."라고 말합니다.

Renault가 컴포넌트 및 데이터 라이브러리를 구축함에 따라 Simcenter Testlab VPA 플랫폼의 가치는 계속해서 증가할 것이며 데이터 관리 시스템 덕분에 AI를 활용한 대량 데이터 분석과 같은 미래 프로세스를 도입할 수 있을 것입니다.

Mordillat는 Simcenter Testlab VPA와 Simcenter Testlab Vehicle NVH 시뮬레이터 사이의 연결은 매우 강력하므로 개발 중인 차량의 소리에 대한 주관적 평가가 가능할 것이라고 확신합니다. "디지털 트윈이 향상되면 설계 수정에 따라 주관적인 소리 인식이 어떻게 바뀌는지 확인할 수 있을 것입니다. NVH 시뮬레이터는 액티브 노이즈 캔슬링 알고리즘 및 주행 스타일과 같은 여러 요소를 동시에 평가하는 다중 속성 평가의 일환으로 자리잡을 것입니다."

자율주행차의 경우 실내 소음을 줄이면 카 오디오 및 인포테인먼트 시스템과 함께 더 나은 시너지 효과를 낼 수 있습니다. 사용자가 더 이상 스스로 운전하지 않는 상황에서 가장 중요한 요소는 결국 편안함입니다. Siemens와의 파트너십 덕분에 Renault는 프로젝트 일정과 예산을 초과하지 않고도 최고 수준의 편안함을 제공할 수 있을 것입니다.