최고 성능의 F1 자동차를 제작하는 Scuderia AlphaTauri

Scuderia AlphaTauri의 등장

2022년 2월 23일, 전 세계는 바르셀로나에서 프리시즌 테스트 데이를 마치면서 새로운 Formula One(F1) 자동차를 목격했습니다. 그 후 2022년 3월 초에 바레인에서 테스트 데이가 이어졌고, 이 곳에서 드라이버들은 2022년 3월 21일 레이스 시즌이 시작되기 전에 새 자동차에 익숙해지는 데 온 신경을 쏟았습니다.

테스트 데이와 처음 몇 번의 레이스를 거치는 동안 두 명의 젊은 Scuderia AlphaTauri 드라이버인 Pierre Gasly와 Yuki Tsunoda는 Scuderia AlphaTauri 엔지니어들과 협력하여 새 자동차의 주행 성능을 파악하고 새로운 설계에서 드러난 오류를 수정했습니다.

"트랙에 나갈 때마다 이 자동차에서 새로운 점을 발견합니다. 첫 번째 레이스가 시작되기 전에 각 세션을 최대한 활용해야 하고 가능한 한 많은 것을 배워야 하죠." 2022년 3월, 바레인의 테스트 데이에서 만난 Pierre Gasly는 이렇게 말합니다. "정말 특별한 느낌이었죠. 여러 새로운 자동차에 대해 알게 되고 트랙에서 직접 느껴볼 수 있어 매우 흥미로웠습니다."

트랙 주행감을 개선하는 요소

F1 레이싱에서 드라이버와 자동차는 하나가 되어 달립니다. 트랙에서의 주행감은 흔히 스포트라이트와는 거리가 먼 자동차의 한 부분, 즉 드라이버 시트에서 비롯됩니다.

"섀시는 안전과 성능상의 이유로 자동차에서 가장 정교한 부분 중 하나죠. 필요한 모든 정보를 갖고 있지 않더라도 즉시 이 파트에 대한 작업을 시작해야 합니다."라고 Scuderia AlphaTauri의 IT(정보 기술) 및 혁신 책임자인 Raffaele Boschetti는 설명합니다. "Siemens와 파트너십을 맺기 전에는 우수한 섀시를 생산하는 데 3개월이나 걸렸습니다. Siemens 소프트웨어를 사용하면서 한 달 만에 끝낼 수 있었죠. 이렇게 많은 시간을 절약하고 다양한 이점을 얻을 수 있었습니다."

섀시 외에도, 시트는 드라이버의 안전과 전반적인 드라이버의 퍼포먼스에 중요한 역할을 합니다. 전체 시트 설계는 F1 안전 및 충돌 테스트 규칙에 따라 엄격하게 규제되고 있습니다. 만약 주행 중에 문제가 발생하면 드라이버는 자동차에서 빠르고 안전하게 내릴 수 있어야 합니다. 안전 요원과 의료 팀은 충돌 사고에서 부상당한 드라이버를 효과적으로 구출할 수 있어야 합니다. Boschetti는 F1 자동차의 시트에는 단순한 안전보다 훨씬 더 많은 것이 포함되어 있다고 말합니다.

"시트는 자동차의 성능이 반영되는 부분이죠. 드라이버는 시트를 통해 모든 진동, 가속 및 핸들링을 느낍니다. 우리는 트랙에서 드라이버의 필요에 따라 차량 설정을 수정하여 성능을 개선할 수 있죠."라고 Boschetti는 말합니다. "F1에서는 2월이나 3월에 몇 번의 테스트를 거칩니다. 이러한 상황에서 Siemens가 제공한 소프트웨어와 플랫폼은 시트를 구성하는 데 매우 중요한 역할을 했죠."

각 상황에 따른 맞춤형 설계

F1에 투입되는 시트가 모두 같을 수는 없습니다. 복합재 설계 엔지니어는 이 문제의 절반은 시트 자체에 있지 않고 드라이버가 차량 안에서 최적의 자세를 유지하는 방법에 있다고 말할 것입니다.

Scuderia AlphaTauri의 수석 복합재 설계 엔지니어인 Francesco Dario Picierro는 다음과 같이 설명합니다. "일종의 맞춤형 정장 같은 거죠. 헬멧 위치, 등받이 위치 등을 고려해야 하고 자세를 최대한 낮춰야 합니다."

성능과 관련한 이러한 중요한 측면을 정확하게 설정할 수 있도록 Picierro와 그의 동료들은 고유한 시트 설계 프로세스를 개발했습니다. 우선, 이들은 필요한 것보다 약간 더 큰 시트를 설계했습니다. 그리고 특수 수지를 가열해서 이상적인 자세를 취한 드라이버의 신체를 본떠 몰드를 만들었습니다. 그런 다음 수지 몰드에서 NX™ 소프트웨어를 사용하여 시트를 설계하기 위한 전체 스캔을 생성했습니다. NX, Fibersim™ 포트폴리오와 Simcenter™ 소프트웨어는 소프트웨어, 하드웨어, 서비스로 구성된 Siemens Xcelerator 비즈니스 플랫폼의 일부입니다.

"이 프로세스는 간단해 보일 수 있지만 Siemens 제품 덕분에 더 스마트해진 건 분명합니다."라고 Picierro는 덧붙입니다.

F1에서 성공하기 위해 디지털화 활용

2022년 모델의 전체적인 설계 및 섀시 변경으로 인해 팀은 전반적인 가시성에서 섀시 설계 내 드라이버 탑승 방식에 이르기까지 CAD(Computer-Aided Design)의 모든 세부 사항을 시뮬레이션해야만 했습니다.

드라이버는 내부에 빈틈없이 들어앉아 페달을 밟고 시야를 확보해야 하는 데다가 팀은 헬멧, 안전 규정, 신형 섀시 및 자동차 디자인까지 고려해야 합니다. 이는 그 자체로 대단한 공학적 성취라고 할 수 있습니다. 팀은 디지털화가 오늘날 F1에서 성공을 거두기 위한 유일한 방법이라는 사실을 잘 알고 있습니다. 이에 Siemens의 디지털화 도구를 사용하여 설계, 엔지니어링 및 생산 주기에서 대부분의 번거로운 작업을 제거할 수 있었습니다.

"NX는 디지털화를 위한 노력에 도움이 되었습니다. 예를 들어, 드라이버의 카메라를 통해 스티어링 휠을 움직이는 정확한 손동작이나 가시성을 복제할 수 있죠. 또한 드라이버의 신체 치수에 따라 디지털 마네킹의 크기를 조정할 수 있습니다."라고 Picierro는 말합니다.

시간과의 경주

복합재 설계 엔지니어가 드라이버에 맞게 시트를 맞춤화(개별 드라이버의 요구에 따라 시즌마다 여러 번 진행될 수 있는 프로세스)하는 동안, 다른 Scuderia AlphaTauri 엔지니어링 팀원들은 레이스 당일에 드라이버가 최대한의 퍼포먼스를 발휘하도록 신차의 설계를 최적화합니다.

촉박한 기한 외에도, 중량을 맞추는 것은 모든 F1 엔지니어의 또 다른 과제가 됩니다. F1 엔지니어링 팀은 특히 새로운 안전 규정과 지면 효과의 견인력을 감안해 드라이버와 자동차의 최소 중량 합계를 795Kg으로 맞추기 위해 노력했습니다. 마지막 순간에 팀은 중량을 798Kg으로 늘리는 타협점에 도달했습니다.

"물론 언제나 어렵습니다. 완전히 새로운 규정이죠. 이 자동차는 상당히 복잡해서 모든 요소를 중량 제한 요건에 맞게 설계하기란 쉬운 일이 아닙니다. 보시다시피 거의 모든 팀의 결과는 중량을 초과합니다. 게다가 비용도 고려해야 합니다. 중량을 줄이는 데는 많은 비용이 들죠. 비용 상한선을 고려해 우리 팀은 절충안에 도달할 수 있었습니다." Scuderia AlphaTauri의 팀 리더인 Franz Tost는 이와 같이 설명합니다.

일반적인 F1 레이스에서 300Km/h 이상의 속도로 질주하는 드라이버는 제동 및 코너링 시, 그리고 장거리 구간에서 가속 시 상시적으로 최대 4~5개의 측면 G를 경험합니다.

단일 플랫폼과 성공의 비결

Tost가 설명했듯이 설계 매개변수의 균형을 맞추는 것은 엔지니어링 팀에게 항상 어려운 과제입니다. 동일한 디지털 플랫폼과 소프트웨어 제품군을 사용하여 자동차의 실제 동작을 검사하면 팀은 레이스에 대해 더 정확한 결정을 내릴 수 있습니다.

"우리의 임무는 파트의 강도와 강성을 평가하는 것입니다. 드라이버 시트는 가속 부하를 지탱할 수 있을 만큼 충분히 강해야 하고, 드라이버와 섀시 및 차량의 나머지 부분 사이에서 적절한 상호 작용을 할 수 있을 만큼 충분히 단단해야 합니다." Scuderia AlphaTauri의 섀시 그룹 리더이자 구조 엔지니어인 Giuseppe Stiscia의 설명입니다. "우리는 Siemens Simcenter를 사용하여 유한 요소 모델을 비롯해 하중 모델 조건을 생성합니다." Simcenter는 색상 스트립을 통해 구조의 표준 강성 값을 명확하게 보여줍니다. 각 색상은 파트의 응력 또는 변위 상태를 나타냅니다.

"구조 엔지니어는 이 정보를 사용하여 구조의 실제 동작을 이해합니다. 우리의 목표는 파트를 가능한 한 강하고 단단하게 만드는 것이지만 먼저 중량을 최적화해야 합니다. 그는 "Simcenter의 도움으로 파트를 더 빠르게 계산하고 프로젝트에 관련된 모든 사람들이 동일한 플랫폼을 사용할 수 있죠."라고 덧붙입니다.

낭비할 수 없는 개발 시간

연구 개발(R&D) 디지털 레이업 그룹의 엔지니어인 Andrea Rizzo는 동료들과 함께 동일한 플랫폼을 사용합니다. 이들은 Fibersim 도구를 사용하여 실제 파트를 완성합니다.

Rizzo는 "우리는 Fibersim을 사용하여 FEA 결과와 실제 코팅을 서로 완벽하게 연결합니다."라고 말합니다. "이 재료를 사용할 경우 몰드에 쌓을 형상을 겹으로 잘라내야 하죠. 몰드에 도포되는 여분의 불필요한 재료는 추가 비용이 됩니다. 우리는 시간과 비용을 절약하기 위해 재료를 최대한 적게 사용하려고 노력하죠."

Scuderia AlphaTauri 엔지니어링 팀은 또한 Fibersim을 사용하여 맞춤화된 파트의 일관성을 유지합니다. 상용차와 달리, F1 자동차에는 적층 내부에 복합재 층을 세심하게 겹쳐서 만든 수공 탄소 섬유 파트가 다량 포함되어 있습니다. 각 파트에는 고유한 구조적 특성이 있습니다. 팀이 경쟁력 유지를 위해 밝히지는 않겠지만, 필요에 따라 예비 파트와 교체 파트가 제작되고 있을 것입니다.

데이터가 모든 것을 좌우합니다. 팀이 분석할 수 있는 모든 정보는 새로운 자동차의 성능 동작을 이해하는 데 도움을 줍니다.

"각 탄소 파트는 하나의 적층이므로 첫 번째 층이 마지막 층과 동일한지 확인해야 합니다. 바로 이런 이유로 Fibersim을 사용하는 것이죠. 우리는 이러한 포괄적인 시뮬레이션을 통해 생산 프로세스에서 시간을 절약합니다. 모든 적층에 대해 균일하게 층을 준비할 수 있죠.

"Fibersim을 사용하면 컴포넌트의 구조를 정확히 파악할 수 있습니다. 우리는 모든 층의 품질 표준을 알고 있으며 프로세스 중에 각 층 하나하나를 면밀히 다룹니다. 우리는 NX에서 Simcenter, Fibersim에 이르기까지 동일한 플랫폼에 '상주'하기 때문에 문제를 사전에 예방할 수 있습니다. 무엇보다도 중요한 것은 시간을 절약한다는 겁니다." Rizzo는 이와 같이 설명합니다.

"일반 자동차도 마찬가지겠지만, 특히 F1의 문제는 동일한 파트를 동일한 품질로 동시에 생산해야 한다는 것입니다. CAD 파트에서 생산 라인에 이르기까지 모든 값을 계산하는 동일한 제품군을 사용할 경우 실제 트랙에서 우수한 성능을 보장하는 고품질 파트를 얻을 수 있습니다. 바로 그것이 목표죠."라고 Boschetti는 말합니다.

NX, Simcenter, Fibersim과 같은 Siemens Xcelerator 도구 덕분에 팀은 복합재 층 레이어를 사용하여 드라이버에 맞게 각 시트를 사용자 정의함으로써, 신형 Scuderia AlphaTauri 자동차의 안전 및 설계 사양을 구현하는 데 적합한 초경량 적층을 만들 수 있습니다. 이로써 Gasly와 Tsunoda는 뛰어난 실력을 발휘하는 데 꼭 필요한 자동차와 일체가 될 수 있습니다. 이탈리아 파엔차에서 탁월한 엔지니어링 역량과 Siemens Xcelerator 포트폴리오의 도움 덕분에 Scuderia AlphaTauri 팀은 다가오는 F1 시즌을 위한 만반의 준비를 갖출 수 있습니다.