시스템 시뮬레이션을 통한 랜딩 기어 시스템 성능의 정확한 예측

랜딩 기어 시스템 분야의 세계적인 리더

Safran 그룹사인 Safran Landing Systems는 랜딩 기어 시스템을 설계, 개발, 제조 및 지원하는 글로벌 기업입니다. Safran Landing Systems는 고급 엔지니어링 기술, 통합 시스템 기술, 다양한 프로그램에 대한 경험이 결합된 독보적 역량을 바탕으로 다양한 항공기용 혁신 솔루션을 제공합니다.

다이내믹한 항공우주 환경에서 시장의 과제를 해결하려면 제품 수명 주기에 대한 종합적인 인사이트가 필요합니다. Safran Landing Systems의 목표는 단순히 안정적이고 견고한 랜딩 기어 시스템을 제공하는 것뿐 아니라, 보다 경량화되고 친환경적인 솔루션을 통해 항공기 프로그램의 전체 수명 주기에 걸쳐 전반적인 가치를 제공하는 것입니다.

제동 매니폴드

이해관계자 간 상호작용을 개선하기 위한 엔지니어링 방법론 도입

항공우주 공급업체로서 Safran Landing Systems는 고객의 기대를 충족시키는 시스템을 제공해야 합니다. 가장 큰 문제는 고객마다 요구 사항이 다르다는 것입니다. 각 시스템의 성능을 분석해야 각 항공기 제조사의 기대를 완벽히 충족시킬 수 있습니다.

Safran Landing Systems와 같은 공급업체가 짧은 기간 내에 성공을 거두기 위해서는 두 가지 접근 방식을 채택해야 합니다. 첫 번째는 엔지니어링팀 내에서 시뮬레이션을 도입하여 최종 제품에 통합되기 전에 시스템 및 컴포넌트의 효율성을 가상으로 예측하는 것입니다. 두 번째는 표준 엔지니어링 방법론을 구현하고 실무를 간소화하여 개발 초기 단계에서 완성도 높은 제품을 제공하는 것입니다.

Safran Landing Systems는 내부 조직뿐만 아니라 고객 및 공급업체와의 협업 과정에서도 시뮬레이션에 대한 공통된 방법론을 적용합니다. 회사는 랜딩 기어 구조를 개발한 후 바퀴와 브레이크를 개발하며, 최종적으로 제동, 익스텐션, 리트랙션 및 조향 시스템과 같은 시스템 장비를 개발합니다. Safran Landing Systems는 핵심 장비의 대부분을 자체 설계 및 제조하며, 유압/전기 부품 공급업체가 제공하는 소형 부품을 통합합니다.

제롬 프라발(Jérome Fraval)은 Safran Landing Systems의 시스템 장비 부문(System Equipment Entity) 내 방법론 및 도구 부서에서 시스템 모델링 및 시뮬레이션 방법론 책임자로 근무하고 있습니다. 이 부서의 역할은 기술 부서(시스템, 검증 및 확인(V&V), 안전 및 모델링) 내 시스템즈 엔지니어링 전문가들에게 각 프로젝트의 맥락과 제약 조건에 맞는 방법론 및 도구 프레임워크를 제공하는 것입니다.

A350-900 주 랜딩기어

Simcenter Amesim을 활용한 유압 퓨즈 사전 설계

공통 방법론과 도구를 기반으로 한 프로젝트 프레임워크

우수 사례 공유는 프로젝트 프레임워크를 정의하는 데 도움을 주며, 여기에는 권장 사항 목록뿐만 아니라, 입력 데이터를 교환하고 인터페이스 및 마일스톤 정의 방법을 개발하기 위한 항공기 제조사와의 논의 내용까지 포함됩니다. 관계자들은 이러한 프레임워크를 통해 프로젝트 초기 단계부터 모델의 특성을 명확히 식별할 수 있습니다.

모델 기반 시스템즈 엔지니어링에서의 시스템 시뮬레이션

시스템 시뮬레이션을 위해 Safran Landing Systems는 Siemens Xcelerator 소프트웨어, 하드웨어 및 서비스 비즈니스 플랫폼의 일부인 Simcenter™ Amesim™ 소프트웨어를 사용합니다. 항공기 제조사의 시스템 공급업체인 Safran Landing Systems의 프로젝트 엔지니어들은 제조사들의 시스템 기능 요구사항을 정의하고 개발 주기의 초기 단계에서 Simcenter Amesim을 사용하여 시스템 성능 사양을 지정해야 합니다. 다른 한편으로는 2차 공급업체들이 제공한 시스템들을 통합하는 제조사의 엔지니어로서 이 소프트웨어를 사용하여 컴포넌트 및 시스템의 규모를 결정합니다. Simcenter Amesim 소프트웨어와 Safran Landing Systems의 랜딩 기어 시스템에 대한 지식 및 수십 년간 축적된 경험은 랜딩 기어 구조 및 브레이크를 포함한 전체 시스템에 대한 사전 설계의 초기 단계부터 안정성, 질량 및 성능 측면에서 솔루션을 최적화하기 위한 트레이드오프 연구를 수행할 수 있도록 합니다.

Simcenter Amesim을 통한 성능 시스템의 사전 정의

프라발은 “시스템 제조업체로서 우리는 항공기 제조사의 의도에 따라 제동 시스템이 정상적으로 작동하도록 컴포넌트 및 전체 시스템 성능을 지정하기 위해 Simcenter Amesim을 사용합니다”라고 설명합니다. “예를 들어, 유압 퓨즈의 경우 엔지니어링 개발팀은 정상 작동 조건과 다양한 항공기 임무 조건에서 퓨즈의 개폐 여부 등 퓨즈가 시스템 요구사항을 충족시키기 위해 어떤 성능이 필요한지 분석합니다. 시스템 시뮬레이션을 사용하면 이러한 조건의 사용 및 결과를 가상으로 추정할 수 있습니다. 이 때문에 모델 기반 시스템즈 엔지니어링 구조 내에서 Simcenter Amesim을 통해 모델링한 우리 시스템의 디지털 트윈을 이해하는 것이 필수적이라고 생각합니다. 현재 우리 산업에서는 모델 기반 시스템즈 엔지니어링이 필수적입니다. 운영 사례에 대한 지식이 불완전하면 컴포넌트 성능을 지정하기 위해 수행되는 분석을 잘못 수행되게 할 수 있습니다.

프라발은 “시스템 또는 항공기 수준의 물리적 통합 단계에서 기술적 문제를 해결하는 데는 많은 비용이 듭니다”라고 말합니다. “운항을 시작한 항공기에 100% 성숙하지 않은 장비로 항공기 일부를 개조하는 것은 매우 어려운 작업입니다. 시스템 작동 방식을 조기에 분석하면 모든 문제를 예측하고 비용도 줄일 수 있습니다. 시뮬레이션을 초기 단계에서 활용하면 위험을 최소화하고 개발 시간을 단축할 수 있습니다. 디지털 트윈을 통한 가상 통합을 이용하면 첫 번째 컴포넌트의 생산 전에도 제품의 시운전을 조기에 예측할 수 있으며, 때로는 이 과정에서 복잡한 물리적 현상을 관찰하고 제품 설계를 조정하는 것도 가능합니다.”

유압 퓨즈 CFD 해석

Simcenter Amesim을 통한 컴포넌트 크기 조정 및 설계: 가상 통합

Safran Landing Systems는 많은 항공기 프로그램의 시스템 공급업체입니다. 엔지니어링팀은 먼저 항공기 OEM이 파악한 성능 요구사항을 검증합니다. 이후 이러한 요구사항은 장비 사양으로 전환되어 엔지니어링팀의 설계에 도움을 줍니다.

프라발은 “우리는 시스템 사양을 충족하고 최상의 솔루션을 선택하기 위해 다양한 개념을 매우 빠르게 연구할 수 있습니다”라고 설명합니다. “우리는 제조 시 제약 사항을 초기 단계부터 고려하여 고객의 성능, 통합 및 운영 사례에 대한 요구사항 변화에 대응하며 제품의 비용을 최적화합니다. 성숙 단계, 즉 최종 설계의 약 75%가 완료된 시점에서 우리는 전산유체역학(CFD) 모델링을 위한 개념을 제안합니다. 이 단계에서는 CFD 시뮬레이션과 유한 요소 계산을 활용해 장비 내 유체 흐름을 평가함으로써 내부 퓨즈 설계를 세밀하게 조정하고, 생산을 시작하기 전에 나머지 25%를 완료합니다.”

Safran Landing Systems는 프로토타입을 이용한 물리적 테스트를 통해 테스트 결과와 Simcenter Amesim 시뮬레이션 결과의 상관관계를 분석하고 시뮬레이션 모델을 조정합니다. 프라발은 “모델이 세밀하게 조정되어 현실을 더 정확히 반영하면, 해당 컴포넌트를 시스템 수준에 통합한 후 가상 통합을 위한 V 개발 사이클을 계속 진행합니다”라고 설명합니다.

“가상 통합을 위해 시스템 시뮬레이션을 사용하는 주요 이점 중 하나는 실제 조건에서 해석하기 매우 어렵거나 테스트 장비 비용이 많이 드는 환경 조건(열 변동 및 시스템에 미치는 영향) 및 운영 조건(기능 분석)에서 전체 시스템의 상세한 분석을 수행할 수 있다는 것입니다. 유압 퓨즈와 같이 온도에 민감한 컴포넌트의 경우, 장비의 성능을 전체 온도 범위에서 검증해야 합니다. 시뮬레이션을 이용하면 시스템이 항공기에 조립되기 전에 실제 V의 상승을 예측할 수 있습니다.”라고 프라발은 말합니다.

인증 프로세스를 지원하는 시스템 시뮬레이션

Safran Landing Systems는 Simcenter Amesim을 활용한 가상 분석을 통해 전체 항공기 적격성 평가 프로세스를 지원하고 까다로운 문서화 프로세스를 간소화합니다. 프라발은 “우리는 랜딩 기어 디지털 트윈을 사용하여 시스템 모델의 유효성을 당국에 입증해야 합니다”라고 말합니다. “모델과의 물리적 상관관계를 통해 유효성을 입증하는 것입니다. Simcenter Amesim을 사용하면 이 전체 입증 절차를 지원하고 문서화 요건을 충족할 수 있습니다.”

시스템 시뮬레이션은 Safran 랜딩 기어 시스템의 검증에 사용되며, 시뮬레이션 결과는 항공기 인증 파일 내 증거로 활용됩니다. 프라발은 “항공기 또는 시험 장비 손상 위험 때문에 테스트 캠페인 기간 동안 항공기 또는 시스템에 대한 일부 테스트를 수행할 수 없습니다”라고 말합니다. “이 경우 고장 분석은 시뮬레이션을 통해서만 처리할 수 있습니다. 예를 들어, 액추에이터의 속도를 줄이는 유압 장치가 고장 나면 전체 시스템의 동작에 문제가 생기고 항공기에 심각한 영향을 끼칠 수 있습니다. 작동된 요소가 구조물에 심하게 충돌할 수 있으므로, 이 경우 항공기 구조물이받는 힘의 수준을 평가하는 것이 중요합니다. 시스템 시뮬레이션을 사용하면 시스템 및 항공기 고장 사례를 다양한 운영 사이클에서 평가하여 시스템 손상 요인을 확인하고 전체 시스템의 내구성을 검증할 수 있습니다. Simcenter Amesim을 활용한 시스템 크기 조정 및 성능 검증은 인증 기관에 제품을 검증할 때 도움이 됩니다.”

시뮬레이션 결과 대비 퓨즈 성능 요구사항 엔벨로프 지표