시간과의 경쟁

시간과의 싸움

Toyota Motor Corporation의 Motor Sports Unit Development Division(MSUDD)은 수년 동안 STAR-CD 소프트웨어와 Simcenter STAR-CCM+ 소프트웨어를 사용하여 다양한 최고의 모터 스포츠 카테고리에 속하는 경주용 자동차를 개발해 왔습니다. 후지산 기슭에 위치한 히가시후지 테크니컬 센터에서 경주용 자동차에 대한 R&D(연구 및 개발)를 수행합니다.

MSUDD의 역할 중 하나는 르망 24시 레이스(24 Hours of Le Mans)가 속해 있는 FIA 세계 내구 선수권 대회(FIA World Endurance Championship)를 위한 자동차를 개발하는 것입니다. 또한 슈퍼 포뮬러(Super-Formula) 및 슈퍼-GT(Super-GT) 시리즈와 같은 국내(일본) 레이스 시리즈의 엔진 및 자동차에 대한 R&D를 수행합니다. MSUDD의 관리자인 Yuichiro Kato와 Teppei Hojo는 CAE(Computer-Aided Engineering)와 CFD(전산 유체 역학)가 Toyota의 성공적인 경주용 자동차 설계에서 매우 중요한 기능을 한다고 말합니다.

세 가지 중요한 원칙에 따라 운영되는 팀

MSUDD는 세 가지 원칙에 따라 고객이 속도와 외관에 만족할 만한 자동차를 설계하고 개발하기 위한 접근 방식을 실행합니다. CAE 및 CFD는 이 세 가지 원칙 모두를 준수합니다. 첫 번째는 레이싱 참여를 통해 첨단 자동차 기술 개발을 가속하는 것이고, 두 번째는 어려운 미지의 기술에 도전하는 열정을 보여줌으로써 새로운 경주 팬을 유치하는 것이고, 세 번째는 사람들이 흥미진진한 자동차 운전과 자동차가 영감을 줄 수 있는 꿈을 체험할 수 있는 이벤트 및 기타 기회를 조직하여 자동차 마니아층을 확대하는 것입니다.

Kato의 엔진 그룹은 엔진 및 하이브리드 컴포넌트의 성능과 신뢰성을 책임지고 있으며, 파워트레인 설계 및 새로운 분석 기술 개발을 위해 CAE 및 CFD를 사용합니다. Hojo의 공기역학 그룹은 주로 자동차 공기역학 개발을 담당하고 있으며, 이러한 개발을 위해 CFD를 사용합니다. MSUDD 내의 CAE 및 CFD 팀은 약 15명으로 구성되어 있습니다. 소규모 그룹이 사용할 수 있는 시간과 리소스가 제한되어 있기 때문에 험난한 레이싱 세계에서 경쟁하려면 팀이 분석 작업의 우선 순위를 지정하고, 후처리 일정(설계, 테스트 및 풍동)을 조정하고, 분석 결과의 일관성과 반복 가능성을 보장할 수 있는 기술 표준화가 필요합니다.

차량 개발은 처리 시간과의 경쟁입니다

경주용 자동차의 세계에서는 내년을 위한 개발, 다음 경주를 위한 준비, 수시로 변경되는 규정을 수용하기 위한 작업 모두가 매우 중요합니다. CFD는 처리 시간을 대폭 줄여 중대한 영향을 미칠 수 있습니다.

Kato는 다음과 같이 말합니다. "경주용 자동차는 몇 년에 걸쳐 완성도를 높인 양산차와는 다릅니다." "가장 최근에 설계된 경주용 자동차의 외관은 전년도 모델과 동일해 보이지만 내부 컴포넌트는 완전히 다를 수 있습니다. 이 팀은 기본적으로 매년 전혀 새로운 자동차를 개발하고 있습니다. 처리 시간이 상당히 빠르기 때문에 외부 공기역학적 형태와 엔진을 포함한 요소의 신뢰성과 성능은 자동차를 제작하기 전에 보장되어야 합니다. 기존의 접근 방식에서는 프로토타입 제작 및 테스트의 반복적인 프로세스를 거쳤지만 지금은 단일 부품을 만들기도 전에 철저한 분석 평가를 수행할 수 있습니다."

Le Mans 자동차의 공기역학적 설계는 독일에 위치한 Toyota Motorsport GmbH(TMG)와 공동으로 개발되었습니다. Toyota가 Formula 1에 참가하는 동안 풍동은 개발 작업에서 핵심적인 역할을 했고 CFD는 보조적인 역할을 했습니다. 그러나 오늘날 CFD는 개념 테스트에 매우 중요하며 흐름을 시각화하고 차량 설계 개념을 결정하는 데 매우 중요한 역할을 합니다. CFD는 개발 소요 시간을 단축할 뿐만 아니라 최근 몇 년 동안 실제 부품 개발 프로세스에서도 중요한 역할을 합니다.

Hojo는 다음과 같이 설명합니다. "레이스 사이에 실제 자동차를 풍동에 넣고 조정할 시간이 없고 트랙 테스트 기회가 한정적이기 때문에 설계 요소를 CFD에서 실제 차량으로 빠르게 이동하는 프로세스가 등장하여 CFD 출력의 중요성이 커지고 있습니다." "초기 테스트를 기반으로 결정을 내려야 할 필요성이 커지고 있습니다. 따라서 첫 번째 테스트의 차량 성능이 시즌 중 차량의 경쟁력을 결정합니다."

오늘날 특히 중요한 것은 엔지니어가 제조가 완료되기 전에 설계 및 개발 단계에서 차량 및 컴포넌트 성능을 개선하도록 지원하는 기술입니다. 업계의 매우 까다로운 개발 일정과 프로세스를 고려할 때 Simcenter STAR-CCM+와 같은 CAE/CFD 기술을 사용하는 것은 이를 실현하는 데 절대적으로 필요합니다.

경주용 자동차 기술을 양산차에 적용

자동차 제조업체가 모터 스포츠에 참여하는 주요 목적은 홍보를 넘어 첨단 기술을 신속하게 개발하는 것입니다. 특히 기업이 경주용 자동차 개발에서 파생된 기술 노하우를 내부적으로 배포 및 공유하고, 그 지식을 양산 차량 개발에 적용할 수 있는 것이 중요합니다.

MSUDD의 임무는 레이싱 활동을 통해 첨단 기술을 개발하고 이러한 기술을 양산 차량에 적용하도록 지원하는 것입니다. 이 부서는 Toyota의 양산 차량 부서와 정기적으로 만나 양방향으로 지식을 공유하고 토론하는 데 참여할 수 있습니다. 분석 기술뿐만 아니라 유량 제어 방법과 같은 공기역학 기술에 대한 정보도 공유됩니다.

모터 스포츠의 공기역학 발전은 급속히 이루어지기 때문에 최대한 단시간에 최상의 결과를 얻어야 합니다. 예를 들어, 단일 개발 부품에 대한 CFD 설계 루프는 약 2주 동안 지속됩니다. 이러한 맥락에서 성공의 열쇠는 2주라는 시간 동안 최대한 많은 계산을 수행하고 그 결과 최적의 솔루션을 식별하는지 여부에 있습니다. 이러한 이유로 실제 차량 공기역학에 불안정한 현상과 매우 복잡한 흐름이 포함되어 있음에도 불구하고 주로 정상 상태에 기반하여 계산이 수행됩니다. 따라서 정확도와 계산 속도 간의 균형을 찾는 것이 중요합니다.

Hojo는 다음과 같이 동의합니다. "계산 정확도와 처리 시간 단축이라는 상반된 이점에서 균형을 맞추는 것은 매우 어렵습니다." "새로운 부품을 개발하여 성능을 개선해야 한다는 압박을 지속적으로 받고 있기 때문에 이 분야는 가장 어려운 영역 중 하나입니다. 2주간의 개발 주기 동안 불안정한 계산을 효율적으로 사용할 수 있는 방법을 모색하면 이 문제를 해결할 수 있습니다."

Kato는 다음과 같이 덧붙입니다. "과거에는 엔진에 있어서 계산 정확도와 관련하여 어려움에 직면했습니다." "그러나 시뮬레이션과 실제 테스트 간에 강력한 상관 관계를 달성할 수 있었습니다. 현재 구현한 대부분의 개선 사항은 트랙에서 원하는 효과를 거두고 있습니다. 현재 Simcenter STAR-CCM+를 사용하여 작업을 수행할 수 있다는 점에 매우 만족하고 있습니다. 최적화와 더불어 자동화 기능을 개선하여 효율성을 더 높이고 있습니다."

실제 테스트와 가상 테스트의 결과 비교

Le Mans은 Formula 1과 달리 풍동 테스트에 소요되는 시간을 제한하는 규정이 없습니다. 최종 결정은 풍동 테스트 결과를 사용하여 이루어지지만 CFD는 제한된 재원과 시간 조건에서 효율적인 개발을 위해 필수적입니다.

CFD에 중점을 둔 설계 및 개발을 수행할 때 발생하는 주요 문제는 신뢰성 또는 정확성 문제입니다. 이러한 이유로 풍동 테스트와 CFD 결과 간의 상관 관계를 확인하여 시뮬레이션 접근 방식을 검증하는 것이 매우 중요합니다. 이를 위해 다운포스, 항력 및 표면 압력 분포와 같은 공기역학적 값을 힘 측정 및 PIV(입자 영상 유속계)와 같은 실험 결과와 비교합니다. 풍동은 실제 조건을 시뮬레이션하기 때문에 풍동의 결과는 해석에 사용되는 메시 해상도 및 계산 설정을 조정하기 위한 표준으로 사용합니다. 이를 위해 일반적으로 매우 많은 수의 계산 사례가 평가됩니다.

또한 공기역학 그룹은 실제 차량을 측정합니다. 차량이 트랙을 달리는 동안 다운포스와 같은 공기역학적 값을 얻을 수 있어 풍동 및 CFD 결과와 비교 가능한 데이터를 제공합니다. 불일치하는 경우 엔지니어는 풍동 테스트 및 CFD 모델을 개선하는 방법을 검토합니다. CFD 정확도는 매우 짧은 시간 프레임(다음 풍동 테스트 및 레이스에 맞춰) 안에 개선되어야 하는 반면, 중장기적으로 다른 기능이 개선될 수 있는 경우가 있습니다.

엔진 그룹은 실제 차량에 엔진을 장착하기 전에 엄격한 평가를 수행하고, 그 결과를 바탕으로 가장 효과적인 부품만 장착합니다. 따라서 경주 중에는 평가가 거의 수행되지 않습니다. 즉각적인 대응이 필요하거나 중간 단계에서 해결될 때까지 기다릴 수 있는 불규칙성을 신속하게 식별할 수 있습니다.

모든 사항을 스크립트에 기록 및 사용 편의성 실현

Kato는 Siemens PLM Software의 CD-adapco 제품 및 서비스에 대해 다음과 같이 말합니다. "과거에 다양한 CFD 소프트웨어를 사용해본 경험에 비추어 볼 때, Simcenter STAR-CCM+ 및 STAR-CD의 기능 대부분은 스크립트로 관리할 수 있기 때문에 GUI를 열지 않아도 됩니다. 배치 프로세스에서 실행할 수 있는 작업을 정의하는 것은 매우 쉬워 최적화 및 기타 외부 소프트웨어 애플리케이션에 원활하게 연결할 수 있습니다. 오늘날에는 유체만을 기반으로 계산을 실행하면 성공할 수 없습니다. Siemens Digital Industries Software의 애플리케이션은 업스트림 및 다운스트림 프로세스의 다양한 애플리케이션과 함께 사용하기 매우 쉽습니다. 스크립트를 보는 사람이 누구나 읽을 수 있다는 점도 매우 실용적입니다."

공기역학 측면에서도 해석 모델 생성을 포함하여 모든 것이 스크립트로 실행되며 피드백 결과 엔지니어가 스크립트에 익숙해지면 사용하기 매우 쉽습니다. 공기역학 분야에 STAR-CD가 도입된 이후 데이터 처리가 완전히 자동화되었으며, Simcenter STAR-CCM+를 통해 모든 것이 계속해서 완전히 자동화되고 있습니다. 분석을 수행할 때 개별 엔지니어가 분석 결과를 무작위적으로 변경하지 않도록 모든 것을 표준화하는 것이 매우 중요합니다. 그러면 새로운 팀 구성원이 그룹에 합류하더라도 이들이 생성하는 분석 결과는 차이가 없습니다. 또한 스크립트에서 모든 것이 완전히 자동화되어 있기 때문에 팀 구성원이 스크립트를 이해하도록 내부 교육이 제공됩니다. 이러한 교육을 통해 프로세스 작동 원리를 쉽게 파악할 수 있으며 새로운 팀 구성원이 성공을 위한 중요한 기술을 습득하도록 장려합니다.

또한 Kato는 CD-adapco 제품의 장기 사용자로서 팀이 받은 기술 지원 서비스에 감사하고 있습니다. 그는 다음과 같이 말합니다. "기술 지원 엔지니어링 팀은 매우 빠른 응답을 제공합니다." "외국 서비스 제공업체라고 하면 일본 사무소가 단순한 중계 창구 역할을 하고 콘텐츠가 완전히 이해되지 않은 원시 형식으로 전송되리라 예상하겠지만 국내 공급업체와 동등한 수준의 서비스를 제공합니다." Hojo는 다음과 같이 덧붙입니다. "분석 방법은 완전히 확립되었지만 개발 루프를 가속하는 기술 개발에 협력할 수 있기를 바랍니다."