초록 ▼

3. 개발결과 요약
□ 최종목표
웹 기반 제조혁신 설계 플랫폼 개발
- 웹 기반 범용 자동격자생성기 개발
- 웹 기반 범용 가시화 툴 개발
플랫폼 내 자동차, 항공기, 전자용 디지털컨텐츠 개발
- 자동차 및 항공기용 자동가상풍동 개발
- 전자용 자동 가상 팬 테스터 개발
데이터를 활용한 선행 예측시스템 개발
자동차용 열교환기 Simulation 프로그램 통합화와 검증기술 확보

□ 개발내용 및 결과
▣ 웹기반 제조혁신 설계시스템
- CAE 해석자동화 기법을 이용하

3. 개발결과 요약
□ 최종목표
웹 기반 제조혁신 설계 플랫폼 개발
- 웹 기반 범용 자동격자생성기 개발
- 웹 기반 범용 가시화 툴 개발
플랫폼 내 자동차, 항공기, 전자용 디지털컨텐츠 개발
- 자동차 및 항공기용 자동가상풍동 개발
- 전자용 자동 가상 팬 테스터 개발
데이터를 활용한 선행 예측시스템 개발
자동차용 열교환기 Simulation 프로그램 통합화와 검증기술 확보

□ 개발내용 및 결과
▣ 웹기반 제조혁신 설계시스템
- CAE 해석자동화 기법을 이용하여 자동차, 항공기 및 전자용 자동가상풍동을 개발하였으며, 자동가상풍동은 격자생성기 및 가시화 처리기를 포함하고 있다.
- 개발한 자동가상풍동을 이용하여 자동차 및 항공기 공력 성능 관련 데이터베이스를 확보하였으며, 데이터베이스 시스템을 개발하였다.
- 확보한 데이터를 기반으로 데이터마이닝 기법 개발을 통해 제품 초기 설계 단계에서 제품의 성능을 예측할 수 있도록 선헹예측시스템을 개발하였다.
- 사용자가 웹을 통해 시스템을 이용할 때 보안 문제가 발생할 여지가 있으므로 Login 기능을 제작하여 시스템 관리가 사용자 관리를 할 수 있도록 시스템을 개발하였다.
- 개발한 시스템을 패키징하여 제품으로 출시하였다.

▣ 데스크탑 기반 제조혁신 설계시스템
- 자동격자생성기, 가시화 처리기, 유동 해석 솔버 등을 개발하여 데스크탑에서 사용 가능한 자동가상풍동을 개발하였고, 제품으로 출시하였다.
- 시스템 UI는 C++로 개발하였고, 그래픽의 경우 OpenGL, OPEN_CASCADE를 이용하여 개발하였다. 리본 메뉴와 트리 메뉴를 통해 사용자가 쉽게 격자를 제작하고, 경계 조건을 입력할 수 있도록 시스템을 개발하였다.
- 기존 판매되고 있는 해석자동화 툴들은 자사에서 공급하고 있는 프로그램에 대해 개발한 것으로 시스템 사용을 위해서는 별도의 프로그램 구매가 필요하므로 본 과제에서는 별도의 상용 프로그램 없이 사용가능하도록 시스템을 구축하였다.

▣ 자동차용 자동가상풍동
- 자동가상풍동 구축을 위해 현재 유동해석 업무를 수행하고 있는 엔지니어들과 협의를 통해 격자 및 경계 조건에 대한 표준화 프로세스를 구축하였다.
- 자동격자생성기는 Visual basic script(VBA)를 이용하였으며, 가시화 프로그램은 Open source visualization library인 VTK를 이용하여 개발하였다.
- 제조혁신 설계시스템의 모듈로 개발하였으나, 독자적으로 운용 가능하도록 별도로 제품을 출시하였으므로 설계자가 필요한 모듈만 별도로 구매 가능하도록 하였다.
- 자동차 공력 데이터베이스 시스템과 연계되어 공력 해석 수행 결과가 데이터베이스에 쌓일 수 있도록 자동가상풍동을 개발하였다.

▣ 항공기용 자동가상풍동
- 항공기는 모형이 너무 크기 때문에 시험에 한계가 있으므로 성능을 평가하기 어려운 문제가 있으므로 본 과제에서 시험 없이 항공기의 공력 성능을 예측하기 위한 방법으로 항공기용 자동가상풍동을 개발하여 상품화하였고, 당사 고객이 실제 사용하고 있다.
- 해석 프로세스 구축을 위해 해석 격자수에 대한 최적화를 진행하였으며, 사용자가 쉽게 사용할 수 있도록 경계조건 입력을 최소화하였다.
- 자동가상풍동은 격자자동생성을 위해 사용자가 업로드한 해석 대상 모델의 CAD 파일이 적합한지 검토하기 위해 입력된 모델을 웹에서 가시화하는 서비스를 제공하고 있다.
- 본 과제를 통해 개발된 항공기용 자동가상풍동은 하나의 UI 창에서 모델 확인, 조건 설정, 후처리까지 모두 수행할 수 있도록 개발하였고, 사용자가 원하는 형태로 가시화를 자동으로 수행하여 사용자에게 피드백 할 수 있도록 시스템을 개발하였다.
- 동일 UI 내에서 데이터베이스 관리, 입력 및 데이터 가시화 또한 수행할 수 있도록 개발하였다.

▣ 전자용 자동가상풍동
- 전자제품에서 가장 많이 사용하는 부품 중 하나인 냉각 팬을 대상으로 자동가상풍동 및 설계 최적화 툴을 개발하였다.
- 해석 프로세스 구축을 위해 해석 격자 및 난류 모델에 대한 표준화를 진행하였다.
- 사용자가 CAD 파일만 입력하면, 시스템에서 자동으로 해석용 모델로 변환 후 자동 격자 생성 기법으로 해석용 격자 생성 후 해석 진행하였다.
- 계산 결과들은 CGNS 파일로 생성되며, 생성된 CGNS 파일을 VTK 파일로 변환하고 가시화를 수행한다.

▣ 자동차 및 항공기 공력 데이터베이스 구축
- 데이터마이닝 기법을 활용한 제품 선행설계시스템 개발을 위해 공력 성능에 대한 데이터베이스 구축하였다.
- 자동차 및 항공기 공력 성능 데이터는 본 과제에서 개발한 자동가상풍동을 이용하여 여러 가지 설계 변수에 대해 공력 성능을 계산하였다.
- 데이터베이스 시스템은 웹기반 시스템으로 개발되었고, 자동가상풍동 결과 외에 사용자가 직접 입력할 수도 있도록 개발하였다.
- 본 과제에서 개발한 데이터베이스 시스템은 자체적으로 데이터를 분석할 수 있도록 데이터 가시화 모듈을 포함하고 있으므로 사용자가 쉽게 데이터의 패턴을 확인할 수 있다.

▣ 데이터를 활용한 선행예측시스템 개발
- 구축된 데이터베이스를 이용하여 신경망 예측 프로세스를 개발하였으며, 선행예측시스템을 구축하였다.
- 자동차 공력 성능의 경우 설계자들이 필요로 하는 15개 변수에 대해 시스템에 설계 데이터를 입력하면, 공력 성능 예측 결과를 얻을 수 있다.
- 항공기의 경우 시험 데이터와 자동가상풍동 해석 결과 데이터를 이용하여 항공기의 공력 성능 및 비행 성능을 예측할 수 있는 시스템을 개발하였다.
- 데이터마이닝을 활용한 선행설계시스템의 경우 향후 데이터 추가 시 빠른 업데이트를 위해 Standalone 타입으로 시스템을 개발하였다.
- 제품화 및 사업화를 통해 제품을 출시하였으며, 현재 자동차 및 항공기 관련 업체에서 초기 공력 성능 및 비행 성능을 예측하기 위해 사용하고 있으며, 제품 초기 설계를 위한 툴로 지속적으로 사용될 것으로 판단된다.

▣ 자동차 열교환기 Simulation 프로그램 통합화
- 자동차용 전면부에 위치하여 냉각과 냉방시스템의 운전 시 상호 영향을 미치고 있는 각 시스템의 핵심부품인 라디에이터와 응축기의 성능 해석을 위한 열교환기 Simulation 프로그램 통합화를 진행하였다.
- 해석 프로그램 통합화는 사용자 중심의 편이성을 확보하기 위한 방안으로 자동차에 적용되는 열교환기에 대한 설계 사양 분석용으로 진행되고, 실차 운전시의 열교환기 운전 특성을 분석하기 위해 연구를 진행하였다.
- 열교환기 Simulation 통합 프로그램은 열교환기 설계안, 운전 조건 등에 대한 성능 분석 등 여러 가지 모듈을 포함하고 있으며, 열교환기 설계 시 큰 도움을 줄 수 있을 것으로 예측된다.

▣ 자동차 열교환기 통합 Simulation 프로그램 성능 개선
- 실제 실험, 실도로 운행시의 성능 예측 정확도를 증대시키기 위하여 공기측의 열전달 계수 상관식을 개선하였다.
- 실험값과 예측값을 분석하였을 때, ±10%이내의 오차를 가지고 있고, 기존 상관식 대비 실험값과의 오차가 더 작아서, 개선 프로그램의 라디에이터 및 컨덴서의 성능 예측에 적용하였다.
- 통합 프로그램 예측 결과와 냉각시스템 시험 결과를 비교한 것으로 라디에이터는 5% 이내, 컨덴서는 10% 이내에서 시험과 잘 일치하였다.

▣ 무차원 상관식 확보
- 차량 주행 시 운전조건이 변화되는 경우 해석이 가능할 수 있도록 무차원 상관식 확보 방안을 연구를 수행하였다.
- 라디에이터의 경우 냉각수는 온도가 증가할수록 점도가 감소하는 경향이 있어 차압 특성이 난류적 특성에 따라 지배 받게 되므로 차압 모델링에서 온도에 따른 변수는 고려하지 않고, 유량에 대한 함수로 모델링 진행하였다.
- 라디에이터의 방열 성능은 냉각수 유량이 80LPM 이상인 조건에서는 더 이상 성능이 증가하지 않는 경향을 보이고 있고, 유량이 10~40LPM 구간에서 유량변화 민감하게 반응하므로 계수를 풍속의 함수로 모델링을 진행하였다.

▣ 해석자동화 기술과 Simulation 통합 프로그램 연계 기술
- 유동해석 자동화 프로그램에 열교환기 Simulation 프로그램을 연계하기 위해 인수 및 변수들에 대한 통합화 작업을 진행하였다.
- 기존 유동해석 프로그램에서는 열교환기를 통과하는 공기조건을 모사하기 위하여서, 열량과 차압만으로 모사하였지만, 통합화 연구를 통해 위치별 해석이 가능할 수 있도록 개발하였다.
- 자동가상풍동 해석 결과를 열교환기 Simulation 프로그램의 입력 조건으로 사용하고, 계산된 결과는 다시 자동가상풍동으로 입력되어 반복적인 해석을 통해 보다 정확한 냉각 성능 예측 결과를 얻을 수 있도록 시스템을 개발하였다.

▣ 해석자동화 성능 검증을 위한 평가
- 열교환기 해석 프로그램에 대한 오차율 검증을 위해 신규 자동차에 적용하기 위해 개발이 진행 중인 열관리 시스템 전문업체인 V사의 열교환기에 대한 성능 평가를 진행하였고, DB를 구축하였다.
- 신규 개발중인 라디에이터에 대한 성능 평가 결과를 바탕으로, 개발 프로그램의 오차율에 대한 분석을 진행하였을 때 시험과 계산 결과가 본 과제의 정량적 평가지표 내에서 잘 일치하고 있음을 확인하였다.
- 과제 정량적 목표에 대한 검증을 외부 공인기관인 한국생산기술연구원에서 오차율 분석을 진행하여, 최종 목표에 대한 결과를 확보하였다.

□ 기술개발 배경
▣ ICT 기술을 접목한 제품 혁신 설계 요구
- 제조업은 1960년대 이후 꾸준한 성장을 통해 우리나라 경쟁 성장을 이끈 원동력이었으나 중국 등 후발 경쟁국과의 기술력 격자 감소 및 수익성 악화로 매우 어려운 상황에 직면하였다. 미국, 독일, 일본 등 선진국에서는 이를 극복하기 위해 국가에서 여러 가지 계획을 수립하여 주진하고 있으며, 이 중 핵심 내용이 ICT와 설계와의 연계이다.
- 국내에서도 이와 같은 요구가 증가하고 있으나 현재 개발되어 있는 시스템은 단순히 해석자동화에 국한되어 있고, 자사의 소프트웨어만을 사용해야만 하는 문제점들이 노출되어 대기업을 제외한 제조 업체들은 사용하기 매우 어렵다.
- 해외 선진업체들은 이미 일정 수준의 기술을 확보하고 있지만, 경쟁 업체나 다른 업체에서는 시스템을 사용할 수 없도록 하고 있으며, 매년 많은 비용을 투자하여 전체 설계시스템을 통합하는 작업을 진행하고 있다.


▣ 제품개발 R&D 생산성 향상에 대한 요구 증대
- 제조업 연구개발에 ICT 기술을 융합하여 제품 개발 프로세스의 효율성 증대를 통한 설계 시간 단축이 중요한 이슈로 떠오르고 있다. 이 기술은 일반적으로 4차 산업혁명으로 불리고 있으며, 세계적인 추세에 발맞추기 위해 국내 제조업체에서도 많은 시간을 투자하고 있다.
- 당사의 주요 고객들이 당사에게 이와 같은 시스템 개발을 요청하고 있는 상황이고, 이와 같은 기술적 대응을 통해 개발된 융합 기술은 점차 경쟁이 심각해지고 있는 글로벌 시장에서 국내 제조업체에 도움을 줄 수 있다.

▣ 전문 엔지니어 부족 현상 심화
- 최근 시험을 대체하기 위한 하나의 방안으로 Virtual 설계가 중용한 이슈로 떠오르고 있으며, Virtual 설계의 핵심 기술 중 하나가 해석을 설계에 적용하는 것이다.
- 그러나, 우리나라 뿐 아니라 전 세계적으로 전문성을 갖춘 엔지니어 부족 현상이 심화되고 있으며, 자동차 산업의 경우 많은 비용을 투자하여 해석을 설계에 이용하고 있으나 이를 효과적으로 운영하기 위한 전문 엔지니어가 부족한 상황이다.
- 이와 같은 문제를 효과적으로 극복하기 위해서는 기존 설계자 또는 초보 엔지니어가 설계에 적용 가능한 해석 솔루션을 제공함으로써 전문 엔지니어 없이도 제품 설계가 가능한 프로세스 개발이 요구되고 있다.

▣ 결과 및 데이터의 재활용
- 제조업체들은 제품을 설계하기 위해 많은 시험과 해석을 통해 확보한 데이터들이 존재한다. 그러나, 이러한 데이터를 관리하고, 재활용하기 위한 방법에 대해서는 소홀한 실정이다.
- 방대한 양의 기존 설계 Data를 신제품 설계에 적용하기 위해서는 설계자가 모든 자료를 검토하여 제품의 조기 성능을 예측할 있어야 한다.
- 당사의 고객들도 Data를 이용하여 제품 성능을 조기에 예측하고 이를 설계에 적용하기 위한 시스템 개발을 요구하고 있다.
- Data를 이용한 설계는 설계 비용 절감 및 설계 기간의 단축이 가능하므로 경쟁사와의 경쟁에서도 우위에 설 수 있을 것이다.

□ 핵심개발 기술의 의의
▣ 국내 제조업의 위기를 돌파할 수 있는 핵심 기술
- 인건비 상승 및 인력 부족 문제로 우리나라 제조업의 경쟁력이 약화된 상황에서 이를 극복하기 위한 방법으로 CAE를 활용한 제품 설계 기술 확보가 시급한 실정이다.
- 이런 환경에서 본 과제를 통해 개발된 CAE 기반의 제조혁신설계시스템은 우리나라 제조업의 재도약을 위한 성장 동력 역할을 수행하며, 제품 개발의 효율성을 증대할 수 있을 것이다.

▣ 국가 제조 경쟁력 향상을 위한 제품 개발 R&D 생산성 향상
- 경쟁 업체와의 경쟁에서 우위를 점하기 위해서는 제품 설계 효율성 향상 및 시간 단축이 매우 중요하며, 본 과제를 통해 개발된 시스템은 기술적 차별화를 통해 경쟁사와의 경쟁에서 우위를 점할 수 있을 것이다.
- 본 과제를 통해 개발된 시스템은 제품 설계 시 빠른 피드백을 통해 Fast R&D를 구축할 수 있을 것이며, 현재 사장되어 있는 데이터들을 활용함으로써 제품 설계에 새로운 패러다임을 제시할 수 있다.

▣ 기존 프로그램 판매 및 개발 업체 대비 기술적 우위 점령
- 본 연구에서 개발한 시스템은 전문가의 경험을 바탕으로 Best practice를 구축하여 시스템을 개발하였으며, 범용 CAE 격자 생성기 및 가시화 모듈의 개발로 경쟁사의 자동화 시스템과 비교하여 여러 가지 CAD 및 해석 솔버에 대한 사용이 가능하다.
- 본 시스템은 데이터베이스와 연계되어 데이터를 이용한 선행선계 시스템도 포함되어 있으므로 사용자가 설계 초기, 상세 설계 및 최적화 설계 단계에서 모두 사용 가능하도록 개발되었다.

▣ 개발 난이도 최상의 기술 확보
- 하나의 솔루션이 아닌 여러 가지 다른 솔루션을 하나의 플랫폼에 사용할 수 있도록 개발되었으며, 이를 위해 여러가지 격자 생성 기법 및 여러 가지 해석 솔버에 대한 프로그램 및 명령어 구조 그리고 독자적인 가시화 모듈을 개발하였다. 여러 가지 툴 들을 이용하기 위해서는 관련 개발자들의 지식을 필요로 하며, Know-how를 필요로 한다.
- Data 처리의 경우 신경망 예측 또는 유전자 기법 같은 매우 복잡한 기법들을 사용해야 하므로 관련 지식을 보유하고 있지 않은 엔지니어는 개발이 불가능하지만, 본 과제를 통해 이와 관련된 핵심 기술들을 확보하였다.

▣ 국산화를 통한 국가 경쟁력 제고
- 본 과제에서 개발된 시스템은 해석에 사용되는 솔버는 외산 프로그램이지만 이를 제어하고 자동으로 해석을 수행하는 프로세스 등은 모두 당사에서 개발한 것이다.
- 자동 격자 생성 플랫폼 및 가시화 모듈, Data를 활용한 선행설계 시스템은 과제에 참여한 엔지니어가 모두 직접 제작하므로 100% 국산화 개발이라고 정의할 수 있다.

□ 적용 분야
▣ 현대자동차 등 완성차 업체
- 차량 디자인을 위한 공력 설계
- 엔진 룸 설계를 위한 냉각 성능 평가
- 연비 및 주행 성능 평가

▣ 삼성전자 등 전자 업체
- 팬 설계 및 냉난방 시스템 성능 평가

▣ 항공, 조선 및 중공업 업체
- 항공기 공력, 선형 설계 및 주요 시스템 설계

▣ 부품 업체
- 각 업체에서 개발하는 제품에 대한 성능 평가

(출처 : 기술개발사업 최종보고서 초록 31p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 최종보고서 초록 ... 3
• 기술개발사업 주요 연구성과 ... 49
• 목차 ... 58
• 제 1 장 서론 ... 60
• 제 1 절 과제의 개요 ... 60
• 1-1-1. 기술 개발 배경 ... 60
• 1-1-2. 기술개발의 중요성 ... 61
• 제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과 ... 62
• 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 62
• 2-1-1. 평가 방법 ... 63
• 2-1-2. 정량적 평가 지표 ... 64
• 제 2 절 연차별 개발 내용 및 결과 ... 65
• 2-2-1. 단계 개발 목표 ... 65
• 2-2-2. 2단계 1차년도 개발 내용 및 결과 ... 65
• 2-2-3. 2단계 2차년도 개발 내용 및 결과 ... 85
• 2-2-4. 2단계 3차년도 개발 내용 및 결과 ... 107
• 2-2-5. 2단계 4차년도 개발 내용 및 결과 ... 131
• 제 3 절 수행 결과의 보안 등급 ... 143
• 제 4 절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리현황 ... 144
• 제 3 장 결과 ... 156
• 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 156
• 3-1-1. 연구개발 추진 일정 ... 156
• 3-1-2. 연구개발 추진 실적 ... 160
• 3-1-3. 기술 개발 결과의 유형 및 무형 성과 ... 164
• 3-1-4. 정량적 목표 대비 실적 ... 187
• 제 2 절 연구개발 추진 체계 (2단계) ... 188
• 제 3 절 고용 창출 효과 ... 192
• 제 4 절 자체보안관리진단표 ... 193
• 제 4 장 사업화 계획 ... 195
• 제 1 절 시장현황 및 전망 ... 195
• 제 2 절 사업화 계획 ... 198
• 제 3 절 향후 추가 기술개발 계획 ... 214
• [부록 1] 시험성적서 ... 216
• [부록 2] 웹기반 제조혁신설계시스템 사용자 매뉴얼 ... 224
• [부록 3] 데스크탑 기반 제조혁신설계시스템 사용자 매뉴얼 ... 261
• 끝페이지 ... 301