[논문]실험을 초월한 시뮬레이션

민승재

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제안 방법

³ 당시 차량의 충돌해석 목표가 있었고 그 연장선상에서 차량을 컴퓨터 상에서 주행시켜보려고 생각했다. 걸림돌에 걸려 넘어지는 모습이나 급하게 핸들을 돌리는 모습, 급 브레이크로 정지하는 모습 등의 재현을 시도하였다.⁴ 예를 들면 2대의 차가 급선회, 급제동 끝에 충돌하는 1.
그림 5. 고무재료의 분자동역학적 시뮬레이션: 고무재료에 포함된 폴리머와 필러의 구조를 분자 수준에서 모델링하여 재료의 물성을 시뮬레이션에 의해 구한다. 기존 유한요소법에 의한 μm 수준의 시뮬레이션(a)부터 분자동역학에 의한 nm 수준의 시뮬레이션 (b)로 발전해 왔다.
L사에서 수행한 브러싱의 시뮬레이션도 칫솔이라는 제품에 있어서 가장 기본적인 현상을 대상으로 하고 있다. 칫솔의 모 하나하나를 표현한 모델을 이용하여 치아모델을 마모한다. 치아모델은 치과용 모형 형상을 3D 스캐너를 이용하여 메쉬분할 하여 작성하고 치아 측면에 수직한 방향으로 칫솔모델을 일정한 힘이 되도록 놓고 왕복운동을 부여한다.

성능/효과

2 모래 땅에서의 횡방향 회전, 경사면에 한쪽 바퀴를 올려놓은 경우, 언덕에서 굴러 떨어지는 경우, 정지석과 같은 돌기에 걸려 넘어지는 경우 등의 전복시뮬레이션이 가능하였다. 이러한 전복시뮬레이션을 시작한 것은 미국에서 전복 사고에 대한 안전성 보장을 의무로 한 법률이 제정되었기 때문이다.
브러싱방법으로 현재 추천되고 있는 것은 이와 잇몸에 칫솔을 가볍게 대고 잘게 움직이는 방법이다. 시뮬레이션 결과는 칫솔을 일정 방향으로 움직일 때보다도 움직이는 방향을 변경하는 순간에 모에 강한 반력이 발생하는 것을 알 수 있었다. 이 반력이 오염물이나 치석을 제거하는 힘의 대부분을 발생시킨다고 생각할 수 있다.
시뮬레이션기술을 확립함으로써 실험으로는 도저히 알 수 없는 지식도 얻을 수 있었다. 예를 들면 모래땅에서 전복될 때 타이어나 차체측면에 작용하는 힘의 상황이다.
보통모와 비교하여 공간이 많고 저항이 적은 곳에 집중하기 쉽다. 시뮬레이션에서는 모 하나하나의 위치를 계산하므로 끝이 가는 모가 최대 2mm 안쪽까지 도달하는 것을 알 수 있다. 그 대신에 닿는 힘은 약하므로 긴 시간에 거쳐 마찰시킬 필요가 있다는 것도 알 수 있었다.
다시 말해 개발조직전체에 받아들이게 된다. 이 공식기술화에 즈음하여 이 회사는 시뮬레이션 결과와 실험결과를 맞추어 시뮬레이션 관계자나 그렇지 않은 기술자라도 납득할 수 있는 수준으로 현실을 표현할 수 있는 점을 확인하였다. 역으로 이전에는 시뮬레이션이란 가상세계에서 구축한 것으로 현실세계와는 차이가 있는 것으로 생각하였다.
이 구조를 μm 수준의 영역으로 모델화하여 유한요소법으로 시뮬레이션을 실행하므로써 회전저항을 증가시키는 원인을 밝혀내었다.
¹ 그 사이 모래에 발생하는 압력, 타이어가 받는 힘 등이 시간에 따라 변화하는 모습을 알 수 있다. 이렇게 시뮬레이션의 실력이 향상되고 적용범위가 크게 넓어지고 따라서 실험으로는 측정하기 어려운 현상을 시뮬레이션으로 설명하는 사례가 늘면서 예전에는 구할 수 없었던 지식을 도출하는 것도 가능하게 되었다.

후속연구

타이어나 자동차라면 노면, 칫솔이라면 치아와 잇몸과 같이 시뮬레이션 대상을 제품자체로부터 외부의 환경으로 확대하는 것은 매우 자연스러운 접근법이다. 한편, 제품 내부를 아주 미세하게 보고 제품에 발생하는 현상을 깊게 살펴보는 것도 앞으로 필요하게 될 것이다. 많은 기업에서 이러한 두가지 방향으로 시뮬레이션을 활용할 것으로 예상한다.
그 대신에 닿는 힘은 약하므로 긴 시간에 거쳐 마찰시킬 필요가 있다는 것도 알 수 있었다. 향후에는 시뮬레이션 결과로부터 주어진 장소와 강도로 마모하도록 칫솔을 설계하기 위해서는 어떻게 하면 되는지 하는 설계방침을 결정하는데 사용하는 것을 예상한다. 제품의 프로모션에 이용할 수 있는 가능성도 있다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

이전에는 CAE에 의한 시뮬레이션은 무엇을 목적으로 했는가?

CAE에 의한 시뮬레이션의 가능성이 다양화되고 있다. 이전에는 주로 시제품에 의한 실험을 대체하여 비용이나 개발기간을 줄이는 것이 목적이었으나 최근에는 실험에서 도출할 수 없는 결과를 구하는 것을 목적으로 한 시뮬레이션이 활발히 진행되고 있다. 제품에 대한 현상을 심층적으로 밝힘으로써 설계에 있어서 근본적인 변화가 기대된다.

시뮬레이션의 장점은?

시뮬레이션의 장점 중 하나는 센서나 측정장치를 물리적으로 설치할 수 없는 곳의 상황을 알 수 있다는 것이다. 잘 사용하면 볼 수 없는 것을 볼 수도 있고 현상을 보다 잘 이해하는데 도움을 줄 수 있다.

일반적인 시뮬레이션의 용도는?

현상을 보다 깊게 이해할 수 있다면 이를 반영함으로써 수준 높은 설계가 가능하게 되고 따라서 설계방침을 결정하는 근거가 된다. 시뮬레이션의 용도로 일반적인“설계안의 적합성 판정”이라는 사용방법보다도 진일보한 사용방법이다. S사는 1993년 회사에 슈퍼컴퓨터를 도입하면서 블랙박스로 보이는 현상을 해명함으로써 경험이나 직관에 의한 설계에서 탈피하여 제품 컨셉트의 구축이나 상세설계에 활용하는 것을 시뮬레이션의 목적으로 하고 있다.

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