의 (IOT) 사물인터넷 Chip ClariPhy 엔지니어들은 Package 근간 Noise ANSYS · PDF...

사물인터넷(IOT)의 근간

© 2016 ANSYS, INC. ANSYS ADVANTAGE 27

다. 이제 그들은 설계 초기 단계에서 Chip과 Package 수준에서의 Noise를 관리하기 위한 여러 절충안들을 만들고 평가할 수 있으며, 이를 통해 새로운 제품을 적기에 시장에 출시함으로써 성공 가능성을 높일 수 있게 되었습니다.

전원분배망 설계에 따르는 어려움들일반적으로 Chip에는 모든 동작 모드에서 회로의 안정성 보장하 기 위하여 동적 전압 강하를 허용 범위 내로 반드시 유지해야 합니다. 현대의 반도체 디바이스와 회로들이 점점 더 낮은 공급 전압을 채택하면서 회로는 전원의 노이즈에 매우 민감해지고 있 습니다. 공급 전압이 감소하면서 신호의 안정적인 동작을 위한 마진도 함께 감소하여 전원에서 발생한 불과 수 밀리볼트

(mV)의 Noise가 신호의 로직 “1”과 로직 “0”의 차이를 만들어, 데이터 전송 오류를 유발할 수도 있습니다. 또한 전원이 Die에 공급되는 과정에서, 이미 PCB-Package에 의해 전압강하가 발생 합니다. 정적인 IR Drop도 중요하지만, Package의 인덕턴스와 Decoupling 캐패시터와 같은 수동 소자에 의해 영향을 받는 동적 전압강하를 해석하는 것이 더 중요합니다. 제품의 세대가 발전할 때 다 단위 면적당 트랜지스터의 수가 2배씩 증가하고, 이에 따라 신호 수와 전류의 양 또한 2배씩 증가하는 경향이 있는데, 이 때문에 Chip의 모든 트랜지스터에 충분한 전압을 공급하여 어떠한 동작 조건에서도 데이터 전송 오류를 방지하는 것이 점점 더 어려워지고 있습니다.

“ClariPhy社의 엔지니어들은 한번에 Chip 뿐만 아니라 Package에 거쳐 발생하는 전원 Noise를 모델링하고 분석하기 위해 ANSYS 반도체 소프트웨어를 사용합니다.”

^ ANSYS RedHawk-CPA상에서 Package 기생성분을 추출하는 Flow

10x More Productivity for Chip–Package–System Workflowsansys.com/backbone

28 ANSYS ADVANTAGE

이전에는 Chip을 설계하기 위해 미리 결정된 프로젝트 전반에 걸친 스펙에 따라 Chip 설계팀과 Package 설계팀이 분리되어 각자의 영역에서 업무를 진행하였습니다. ClariPhy社의 엔지니어들은 Chip 전반에 거쳐 공급되는 전압의 강하

만을 해석했습니다. 그들은 전압이 Package로부터 Chip에 전달되는 과정에서 Package의 인덕턴스의 영향 때문에 발생하는 전압강하를 정확하게 분석할 수 있는 방법이 없었습

니다. 하지만 이러한 접근 방법은 충분한 설계 마진을 확보

하고 있던 이전 세대의 기술에서는 충분했지만 최신 세대의 기술을 적용한 제품에는 적용

할 수 없습니다. 새로운 설계에서 발생하는 문제들은 너무 복잡하게 얽혀있어서, 전원분배

망 Noise 문제가 있어서 제조공정에서 회수된 샘플을 다시 생산하는데 1년이 걸릴 수도 있으며, 그리하여 그 제품을 통한 회사의 수익성이 상당히 악화될 수도 있습니다.

CHIP-PACKAGE CO-시뮬레이션“ClariPhy社는 몇 년 전에 해석 프로그램을 ANSYS 소프트웨어로 바꾸었는데, 이는 ANSYS 소프트웨어가 단일 시뮬레이션 소프트웨어 안에서 Chip과 Package의 상호 작용을 함께 분석할 수 있는 기능을 갖고 있었기 때문입니다. 이를 통하여 엔지니어들은 Package 영향

이 포함된 동적인 전압강하를 해석하고 전원분배망 Noise 문제점들을 근본적으로 해결하

는 것이 가능하게 되었습니다. 그들은 ANSYS RedHawk Chip Package Analysis(CPA)를 사용하여 Package 도면과 Bump 위치 정보를 불러오고, Bump 위치 정보를 통해 Chip 디자인

을 Package Layout 상에 자동으로 올릴 수 있습니다. RedHawk-CPA는 각 Bump마다 정확한 Package의 물리적인 RLC 기생성분을 추출하기 위한 3차원의 유한요소 모델을 생성합니

다. 마지막으로 전압원이 인가되고, RedHawk에서 활용되는 Package 모델

이 생성됩니다. 최근의 Chip-Package Co-시뮬레이

션은 실리콘과 맞닿아 있는 가장 낮은 층인 Metal 1 Layer에서의 전압강하가 Package와 Die의 경계인 Bump의 전압맵(voltage map)과 거의 일치하는 것을 보여주었는데, 이것은 거의 대부

분의 전압강하가 Package에서 발생했다는 것을 의미합니다. ClariPhy社의 엔지니어들은 Package에서의 전압강하를 분석하기 위해 10층 Package 기판의 각 층마다 3군데의 서로 다른 위치에서 측정을 실시하여, Package 기판 Core에서 큰 전압강하가 발생한다는 것을 확인

하였습니다. 엔지니어들은 Package 기판의 Core 두께를 줄이고 재해석을 수행하였으며, 그 결과 7개의 주요 영역에서 유효 인덕턴스가 20%~30% 정도 줄어든 것을 확인하였고, 유효 인덕턴스의 감소는 전원 무결성을 강화하여 Chip 회로

의 동적 전압강하 감소로 이어진다는 것을 확인하였습니다. 또 다른 예로, ClariPhy社의 엔지니어들은 이웃한 회로 Block에 전원을 공급하지만 Chip뿐만 아니라 Package에서

도 서로 분리되었던 전원을 통합했을 때의 영향을 평가하

였습니다. RedHawk-CPA의 편집 기능을 사용하면 이러한 각 영역 통합을 빠르게 수행하고 재해석할 수 있었습니다. 전

원 영역을 통합했을 때 동적 전압강하가 상당히 낮아지는 것을 확인할 수 있었습니다. 세 번째 예로, ClariPhy社의 엔지니어들은 Chip 내에서 동일한 아키텍쳐를 통해 전원

을 공급받는 여러 Block들이 설사 동일한 전력을 소모한다고 하더라도 전류의 흐름에 따라 서로 다른 전압강하를 보인다는 것을 확인했습니다. 그들은 RedHawk-CPA상에서 Pack-age Pin의 저항/인덕턴스 맵(map)을 조사한 후, Package의 영향이 동일한 전원을 공급받

는 Block 간에 발생하는 전압강하의 전체적인 차이를 설명할 수 있다는 것을 밝혔습니다. 그들은 근본 원인을 찾기 위해 Package 상에서의 전원 측정을 계속 진행했습니다.

“엔지니어들은 Chip, Package, PCB 간의 복잡한 상호작용을 더 잘 이해하고, 설계 초기 단계에서 이러한 문제들을

해결할 수 있습니다.”

^ 또 다른 연구를 통하여, 전원 영역을 통합하면 동적 전압 강하가 상당히 감소한다는 것을 확인하였습니다.

사물인터넷의 근간 (계속)

^ Chip-Package Metal0 Layer (왼쪽)에서의 전압강하가 Bump(오른쪽)에서의 전압강하와 거의 일치하는 것을 보여줍니다. 이것은 Package가 전원분배망 문제의 주된 원인이라는 것을 의미합니다.

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^ CL20010 LightSpeed-II Coherent 광전송 솔루션

올바른 초기 설계RedHawk-CPA는 ClariPhy社가 2억개 이상의 게이트와 50억개 이상의 트랜지스터를 갖는 광전송 솔루션인 CL20010 LightSpeed-IITM의 개발 전반에 거쳐, Chip 설계팀과 Package 설계팀, System 설계팀 간의 협업을 가능하게 했습니다. ClariPhy社의 엔지니어들은 프로

젝트 진행하면서 문제점을 확인하고, Package 설계팀

에 적절한 때에 정보를 제공하여 필요한 수정을 진행

할 수 있도록 Chip-Package Co-시뮬레이션을 활용하

였습니다. 이러한 수정 사항들이 Chip 해석에 반영되

어 최종적으로 Package에 기인한 전압강하를 줄일 수 있었습니다. 또한 상호 의존성이 존재하는 두 부분을 공동 설계하여 과도한 설계를 예방할 수 있었고, 예전에는 예견할 수 없었던 비용 절감의 기회도 창출하였습니다. 이 새로운 Chip은 2016년 Lightwave Innovation Reviews 프로그램에서 5.0 만점

을 받았습니다. 심사 위원 중 한명은 다음과 같이 평가했습니다. “이 200G Coherent SoC는 광통신 분야에서 진정한 신기원을 이루는, 숨막히도록 혁명적인 제품이며 광통신 분야에서 우리를 완전히 새로운 시대로 인도하는 안내자입니다.”[2]

Chip을 분석 할 때 Package와 System의 영향을 분석하는 것이 중요하듯이, Sys-tem을 분석할 때 Chip과 Package의 영향

을 분석하는 것도 중요합니다. RedHawk에서 CPM(Chip Power Model)을 생성하

여 ANSYS SIwave로 직접 연계하는 기능

은 ClariPhy社의 PCB/System 엔지니어들

이 자신들의 Reference Board의 전력분배

망를 분석함으로써, 고객들이 ClariPhy社 Chip을 사용하여 자신들의 시스템을 설계

할 수 있도록 도와주고 있습니다. Chip 개발이 2년이나 소요

되는 치열한 반도체 산업에서 시장 출시 시기를 앞당기는 것은 성공에 결정적인 요소입니다. 한 번의 추가 공정 진행으로 1년을 허비하게 되면, 그 시간 동안 진입하려고 했던 기회를 잃어버릴 수도 있습니다. 각종 오류와 Noise를 포함한 개발 상의 문제는 연구 개발 투자에 대한 기대 수익(ROI, return on a research-and-development investment)을 무너뜨리기도 합니다. ANSYS 소프트웨어를 사용하면 조기에 다양한 절충안을 검토함으로써 제조 이전에 오류와 Noise를 비롯한 개발 상의 문제들을 해결할 수 있습니다. ANSYS 소프트웨어를 이용한 시뮬레이션은 ClariPhy社가 한번에 설계 품질을 확보하고 불필요한 추가 Fab. 비용을 절감

하는데 도움을 주었습니다. ANSYS의 Chip-Package-System 협업 기능을 사용하여 ClariPhy社의 엔지니

어들은 Chip-Package-PCB 간의 복잡한 상호 작용을 더 잘 이해할 수 있었고, 따라

서 설계 초기 단계에서 문제를 해결하여 전체적인 개발 비용을 줄일 수 있었으며, 조기에 더 좋은 품질의 제품을 출시할 수 있었습니다.

References

[1] Cisco Visual Networking Index: Forecast and Methodology, 2014-2019 White Paper, www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/service-provider/ip-ngn-ip-next-generation- network/white_paper_c11-481360.html

[2] ClariPhy LightSpeed-II CL20010 Coherent SoC, www.lightwaveonline.com/ articles/2016-innovation-reviews/clariphy-lightspeed-ii-cl20010-coherent-soc.html

^ 세 번째 경우로, 동일 전원을 공급받는 여러 회로 Block들도 서도 다른 전압강하를 나타냈습니다.

^ Chip-Package Co-Simulation을 통한 전압 측정 결과 (화살표가 가리키는 바와 같이) Package Core에서 큰 전압강하가 발생하였음을 알 수 있습니다.

여러 Package 층의 동일한 위치에서 측정한 전압값

많은 데이터 센터에서는 막대한 양의 전력 소비를 줄이기 위하여

공냉 시스템의 보완을 목적으로 수냉 시스템을 도입하거나 아예 공냉

시스템을 수냉 시스템으로 대체하고 있습니다. 데이터 센터용 폐루프

수냉 시스템의 선두 업체인 Asetek社는 ANSYS의 Icepak을 이용한

열해석을 통해 냉각 시스템의 성능을 최적화하고 있습니다.

작성자: Kåre Elgaard Buskov 덴마크 올보르그 소재 아세텍 열해석 기술자 Mette Nørmølle 덴마크 올보르그 소재 아세텍 기술부사장

장비의 과열문제는 빅 데이터 산업

이 해결해야 할 큰 어려움 중의 하나

입니다. 거대한 양의 정보를 생성하

고 저장하며 또 분석하는 것은 훨씬 더 빠른 고용량의 데이터 처리 능력

을 필요로 합니다. 이렇듯 사물인터

넷의 필수 요소인 고속 연산은 프로

세서가 안정적으로 동작하기 위해 반드시 해결해야만 하는 거대한 발열 문제를 야기합니다. 2013년에 미국 소재

의 데이터 센터들은 서버를 냉각시키는데에만 860억 kWh의 에너지를 소비했습

니다.[1] – 이는 760만 가구의 에너지 소비량과 같습니다. 또한 전세계적으로 데이터 센터의 서버들은 매년 전체 전기 생산량의 약 1.5%를 사용합니다. 산업의 막대한 전력 소비량를 줄이기 위하여 많은 데이터 센터에서는 공냉 시스템의 보완을 목적으로 수냉 시스템을 도입하거나 아예 공냉 시스템을 수냉 시스템으로 대체하고 있습니다. 덴마크의 Asetek社는 데이터 센터의 컴퓨팅 환경을 위한 순환식 수냉 시스템을 생산하는 선두 기업입니다. 고집적 맞춤형 서버랙에 대한 시장의 요구에 맞춰, Asetek社는 데이터 센터들의 다양한 요구를 만족시킬 수 있는 조립식 빌딩 블록 기술과 함께 냉각 시스템 기술을 지속적으로 혁신하고 있습니다. Asetek社의 전반적인 설계 프로세스 한 부분으로써 ANSYS의 전산유체역학(CFD) 소프트웨어인 Icepak을 이용한 열해석은 냉각 시스템의 각 구성 요소들을 최적화하는 중요한 도구입니다.

순환식 수냉 시스템Asetek社의 순환식 수냉 시스템에서 냉매는 주로 물입니다. 수냉 시스템의 목

표는 서버 내의 가장 높은 열 유속(heat flux)을 갖는 영역들을 식히는 것입니다. 이것들은 주로 70~95°C(158~203°F)의 동작

온도 범위를 갖는 CPU와 GPU, 그리고 메모리 모듈들 입니다. 각 서버랙 쿨링 유닛의 주요 부품은 금속 냉각판과 펌프, 누수 없는 간편 커넥터와 냉매 출입을 위한 튜브 등입니다. 냉각 목표 영역의 상부에 설치되는 냉각판은 Chip에서 발생한 열을 냉각

수로 전달하고, 냉각수는 서버랙 밖으로 배출되어 랙 타워의 냉각수 분배 장치로 들어갑니다. 뜨거운 냉각수는 서버랙으

로 다시 유입되기 전에, 액체-액체 열 교환기를 통과하여 차가워집니다.

30 ANSYS ADVANTAGE

ELECTRONICS COOLING

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이와 같이 발열 지점을 직접 냉각하는 방식은 특정 프로세서나 다른 발열 모듈을 냉각시키기 위해 냉각 시스템

의 열 전달 효율을 극대화해야 합니다. Asetek社의 엔지니

어에게 이것은 열을 냉각수로 잘 전달할 수 있도록 냉각판

의 표면적을 최적화해야 한다는 것을 의미합니다. 냉각판

은 냉각수가 통과하는 일련의 미세채널(microchannel)을 포함하고 있는데, Asetek社의 개발팀은 여러 Chip의 냉각 요구사항을 분석하여 미세채널을 구성하고, 설계하는 데에 ANSYS Icepak을 사용합니다.

냉각판 시뮬레이션Chip 제조사는 일차적으로 Asetek社가 냉각판을 설계할 수 있도록 냉각이 필요한 특수 카드나 모듈의 형상과 발열 정보를 제공합니다. Asetek社의 엔지니어들은 제공된 3-D CAD 도면을 Icepak으로 직접 불러들이거나 Icepak에서 카드나 모듈을 직접 모델링하기도 합니다. 그 다음 개발팀은 Icepak을 이용하여 냉각판 구조를 설계하고 시스템 전반에 대한 열해석을 수행합니다. 유체 해석을 위한 격자의 수는 보통 100만~300만 셀 정도입니다. 이 정도 규모의 시뮬레

이션은 4개의 프로세서를 사용하면 10분~30분 정도에 완료됩니다. 엔지니어는 서버가 요구하는 냉각수의 온도 범위 중 가장 높은 온도로 냉각수가 공급되고, Chip이 오버클러킹

(overclocking)으로 동작하여 지속적으로 가장 큰 발열을

일으키는, 최악의 경우에도 문제가 발생하지 않도록 냉각 시스템을 설계하는 동시에, 서버랙 내에 더 많은 프로세서

를 탑재할 수 있도록 컴팩트(compact)하게 설계해야 합니

다. 또한 엔지니어는 냉각수의 온도가 최대 60°C(140°F) 미만으로 유지될 수 있도록 시스템의 전체적인 열저항(ther-mal impedance)를 관리해야 합니다. 따라서 일부 Chip들은 더 많은 열을 방출하기 위해 더 많은 냉각수 유량을 요구하

기도 합니다.

일반적으로 Asetek社 개발팀은 새로운 냉각판 설계를 위한 파라메트릭 연구를 목적으로 30~40회의 시뮬레이션

을 수행합니다. 그들은 미세채널 방열핀의 폭와 높이, 간격, 그리고 냉각판의 두께, 냉각수의 유량과 냉각수의 주입 온도와 같은 파라미터들을 변경하면서 시뮬레이션을 수행

합니다. Icepak은 이런 종류의 파라메트릭 연구를, 보다 신속하게 수행할 수 있는 훌륭한 소프트웨어입니다. Chip 형상의 모델링부터 최종 냉각판 설계까지, 전체적인 개발 프로세스는 보통 2주 내에 완료됩니다.

ANSYS Icepak ansys.com/icepak

^ 고체(갈색)와 유체(파란색)로 구성된 CPU 냉각판의 Icepack 모델. 냉각수는 중심부의 튜브를 통해 들어가서 구리 냉각판 속의 미세채널을 지난 후 양 쪽의 튜브를 통해 배출됩니다.

^ 냉각수가 냉각 장치를 통과하면서 얻은 열의 흐름과 냉각판의 온도를 보여주는 등고선

빅데이터 식히기 (계속)

재료와 에너지의 절감Asetek社의 엔지니어들은 Icepak을 이용하여 냉각 시스템

의 설계 주기를 단축하고 최적화했을 뿐만 아니라, 냉각에 대한 특별한 요구사항을 만족시키기 위해서 구리 대신 알루미늄으로 재료를 변경

할 수 있었습니다. 비록 구리의 열전도도가 알루미

늄보다 우수하지만, 열 소비 밀도가 낮은 경우에는 알루미늄을 사용하여 냉각판을 설계하는 것이 기존의 구리 제품보다 더 뛰어난 냉각 성능을 나타냈

습니다. 구리를 알루미늄

으로 대체함으로써 Asetek社는 냉각판의 재료비를 약40%까지 절감할 수 있었으며, 저비용 냉각 솔루션을 제공할 수 있게 되었습니다.

“Asetek社는 Icepak을 이용한

열해석을 통해 사물인터넷(IoT) 솔루션

기업에 우수한 성능의 냉각 시스템을

지속적으로 제공하고 있습니다.”

데이터 센터에 수냉 시스템

을 설치하면 고비용의 송풍기

와 에어컨 시스템을 줄일 수 있고 따라서 냉각에 필요한 전력

도 50%까지 절감할 수 있습니

다. 이러한 소비 전력의 절감으

로 기업은 수냉 시스템을 도입

하는데 사용된 비용을 1년 안에 만회할 수 있습니다. 열교환

기 시스템을 사용하면, 서버랙

에서 나오는 60°C(140°F)의 냉각수를 이용하여 온수를 제공

할 수도 있고, 주거용이나 상업

용 건물의 난방용으로 에너지

를 재활용할 수도 있습니다. 이렇게 남은 열을 대기로 배출

하는 대신 재활용하는 것은 특히 추운 지방의 난방 문제 해결에 도움을 주기도 합니다. 일례로 노르웨이의 북극권 위에 위치한 Tromso 대학에서는 학내 데이터 센터의 순환식

수냉 시스템에서 배출되

는 열을 이용하여, 12,000명의 학생들과 교직원들

이 1년 내내 따뜻하게 지내고 있습니다. Tromso 대학 뿐만 아니 라 전 세계의 데이터 센터에 서 Asetek社의 제품은 대규

모 에너지 절감 분야의 선두에 있습니다. Asetek社

는 Icepak을 이용한 열해석을 통해, 수십 억의 사람과 기기 들이 인터넷에 연결되는 사물인터넷 솔루션 기업에 우수한 성능의 냉각 시스템을 지속적으로 제공할 수 있었습니다.

나아가 Asetek社의 개발팀은 시 뮬레이션을 통하여 냉각수를 구동하는 펌프를 최적화함과 동시에 냉각수가 닿지 않는 영역의 모든 구성 요소들까지 충분히 냉각시킬 수 있도록 공기

의 유동을 최적화하는 연구를 진행하고 있습니다. 이 모든 기술들이 진정 “냉각된” 빅 데이터의 미래를 선도하고 있습

니다.

^ 그래픽 카드 냉각판의 온도 등고선. GPU로부터 멀리 떨어진 부분에는 냉각을 위한 미세채널이 없기 때문에 냉각판의 온도가 GDDR 메모리 모듈이나 FET(전계효과 트랜지스터), 인덕터와 같은 다른 발열 부품의 위치에 따라 변화하고 있습니다.

32 ANSYS ADVANTAGE

^ 냉각판과 미세채널(왼쪽)의 온도 등고선과 그래픽 카드와 Thermal Gap Pad Strips(오른쪽)의 온도 등고선

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7가지 응용 기술

SOLUTIONS

사물인터넷(IOT) 엔지니어링이 성공하기 위한

사물인터넷(IOT)을 가능하게 하는 각종 제품과 기기들은 방대한 규모의 데이터 센터로 부터 CHIP의 작은

솔더볼에 이르기까지 매우 복잡하게 얽혀 있습니다. 사물인터넷의 주요 구성요소들은 하위 요소들 또는 주변의

다른 구성요소들과 자신이 동작하는 환경으로부터 영향을 받습니다. 여기서 소개하는 7가지 응용 기술들은

시뮬레이션을 통해 사물인터넷 제품을 효율적인 비용으로 개발하고 적기에 시장에 출시할 수 있도록 돕는

중요한 요소 기술들입니다.

작성자: ANSYS

사물인터넷을 가장 쉽게 설명하자면, 사물인터넷은 사물과 네트워크 그리고 클라우드의 3가지 요소로 구성

된다고 말할 수 있습니다. 자동차나 휴대폰, 로봇, 산업용 장비, 심지어 우리가 살고 있는 집 또한 점점 스마트해지고 있으며 서로 간

의 연결이 증가하고 있습니다. 또 이러한 사물들에 점점 더 많은 처리 능력

이 주어지고 있습니다. 네트워크는 별도로 연결된 기기 없이 사물인터넷 인프라

에 통합되고 있습니다. 안정적이고 신뢰성 있는 네트워크는 고속 공유기, 스위치, 게이트웨이 기술들을 포함합니다. 마지막으로 클라우드는 데이터 센터와 사물인터넷의 방대

한 비즈니스 로직을 처리하는 소프트웨어로 구성되어 있습니다.

이 3가지 요소들로 구성된 사물인터넷 제품이

나 기기들은 그 자체가 신뢰성있고 유기적으로 동작

해야 하는 구성요소들의 집합입니다. 이러한 구성요소들은 IC나 스위치, 안테나, 센서, 배터리, 케이스와 같이 전자적인 요소들과 기구적인 요소들을 모두 포함하며, 심지어 상당히 큰 다른 구성요소나 완전한 하나의 시스템 포함하기도 합니다. 그 복잡

성은 실로 놀랍습니다. 각 구성요소는 종종 열악하고 때로는 예기치 못한 동작 환경에서도 온전히 동작해야 하며, 보다 복잡한 제품이나 기기의 일부로서도 잘 동작해야 합니다.

이렇듯 복잡한 제품을 개발할 때에는 서로 단절된 개발 환경에서 단위 테스트나 단일 시뮬레이션을 수행하여 개발하는 것보다, 통합 시뮬레이션 플랫폼을 이용하여 개발하는 것이 훨씬 용이하다는 것을 보여주는 많은 연구 결과들이 있습니다. 이러한 통합 시뮬레이션 플랫폼을 사용하면 성공적인 사물인터넷 제품 개발을 위한 필수적인 7가지 응용 기술이 가능해집니

다. Ansys는 업계 최고의 통합 시뮬레이션 플랫폼을 제공할 뿐만 아니라 이러한 응용 기술들을 활용하여 비용을 줄이고 신뢰성을 높이며 제품의 출시를 앞당길 수 있는 시뮬레이션 소프트웨어도 공급하고 있습니다.

“Synapse社는 무선 기기와 안테나, 그리고 그것들과 인체와의 상호 작용을 포함한 완전한 시스템 모델링함으로써 다양한 안테나 설계의 성능을 평가하기 위해 ANSYS HFSS와 ANSYS 인체 모델을 사용합니다.” — SYNAPSE사의 제품 개발팀

안테나는 사물인터넷 안에서 안정적으로 상호 통신하기 위한 필수 불가결한 요소중의 하나입니다. 무선 시스템을 개발하여 시제품을 제작한 후 이 무선 시스템을 특정 기기에 탑재했을 때 다중 경로 신호 전달(multipath signal propagation)이나 신호 강도가 변하는 페이딩(Fading)과 같은 문제들을 무반향 챔버에서 테스트를 진행하면서 종종 경험하게 됩니다. 아울러 무선 시스템을 탑재하는 기기나 인체의 구조뿐 아니라 아니라 주변 사물의 움직임과 같은 다른 환경적인 요인들도 안테나의 성능을 떨어뜨리거나 안테나의 정상적인 동작을 방해할 수 있습니다. 최신 기기들은 소비자에게 다양한 기능을 제공하기 위해서 Bluetooth®, Wi-Fi, LTE 등 여러 가지 무선 기술을 동시에 사용합니다. 이렇게 여러 개의 안테나를 사용하면 안테나 상호 간의 간섭으로 인해 안테나 성능이 저하될 수 있습니다. 예를 들면, 어떤 공장에서 사용

안테나의 설계와 배치되는 무선 센서 네트워크 장비가 주변의 다른 센서들과 통신하기 위해서, 장비 안에 다이폴 안테나 구조를 갖는 센서들를 포함하고 있다고 생각해 봅시다. 원래 다이폴 안테나의 이상적인 방사 패턴은 도넛 모양과 흡사해야 합니다. 하지만 이렇게 실제 산업 현장에서 사용될 때에는 복잡한 구조물의 형태와 주변의 다른 안테나로부터의 간섭 때문에 방사 패턴이 왜곡될 수 있습니다. 이렇게 되면 안테나 효율이 감소하고 소비전력은 증가하여 안테나의 성능은 신뢰할 수 없는 상태에까지 이를 수 있습니다. ANSYS는 전체 산업 환경이 안테나와 무선 기기의 성능에 미치는 영향을 예측할 수 있는 솔루션을 제공하고 있

Wearing a Wireansys.com/wire

^ 시뮬레이션을 통해 얻은 도넛 형태의 다이폴 안테나 방사 패턴

34 ANSYS ADVANTAGE

7가지 응용 기술 (계속)

ISSUE 2 | 2016

습니다. 이러한 기술들을 통하여 더 많은 통찰력을 얻을 수 있고 제품의 정확도와 신뢰성을 향상시킬 수 있습니다.

^무선 통신


스마트폰 배터리의 방전을 경험해 본 사람은 전원 관리의 중요성을 잘 이해할 수 있습니다. 그러나 전원 관리는 단순히 스마트폰이나 Wi-Fi에 관한 것만이 아닙니다. 에너지 재활용, 무선 전력 전송, 저전력 IC 개발들은 모두 사물인터넷 기기에 적용되는 기반 기술들입니다. 기구적인 움직임과 열, 압전(piezo-electric, 물리적 압력을 전기에너지로 변환하는) 재질뿐 아니라 심지어 방출되는 전자파로부터도 에너지를 수집하여 전기에너지로 변환할 수 있습니다. 에너지 재활용 시스템을 설계할 때 엔지니어들은 에너지원, 변환기 타입, 전력 효율, 요구되는 전력 수준과 에너지 저장장치를 포함하여 몇가지 요소

고속 PCB와 반도체 IC로 구성된 각종 기기들을 개발하고, 이러한 기기들을 네트워크로 연결하며, 이렇게 생성된 방대한 데이터를 관리하는 것은 기술

적으로 상당히 어려운 문제들을 내포

하고 있습니다. 제품의 동작 전압이 점점 더 낮아지고 회로의 밀집도는 더 높아지는 동시에 고속으로 데이터를 처리해야 하는 제품을 개발하려면 추가

적인 복잡한 많은 문제들이 발생합니

다. 엔지니어는 이러한 문제들을 해결

하기 위해 제품 신뢰성에 영향을 주는 광범위한 3가지 전기적, 열적, 구조적 요구사항들을 균형있게 개발해야 합니다. 따라서 IC 상호 간의 영향뿐만 아니라 IC-Package-PCB 간의 상호 작용을 시뮬레이션해야 합니다. 전기적인 신뢰성을 확보하기 위해 엔지니어들은 신호 무결성 및 전원 무결성에 대한 해석을 수행해야 합니다. 전원 무결성 시뮬레이션을 통해 전원 분배망이 안정적으로 설계되었는

지 확인할 수 있고, 신호 무결성 시뮬

레이션을 통해 신호 간의 누화(Cross-talk)와 전자파 간섭(EMI)을 최소화할 수 있습니다. 또한 열 신뢰성을 확보하

^Chip-Package 통합 분석

CHIP-PACKAGE- SYSTEM 통합 설계

기 위해서는 PCB의 온도에 관련된 부품의 영향을 평가하는 시뮬레이션을 통해, 정해진 온도 범위에서 기기가 안정적으로 동작하는지 확인해야 합니

다. 기구적 신뢰성을 확보하기 위해서

는 PCB뿐만 아니라 PCB와 부품의 접합

부에 있는 솔더볼에 대해 열 응력과 기구 응력을 평가하는 시뮬레이션이 필요합니다. 엔지니어들은 개별 물리 영역에서

의 시뮬레이션뿐만 아니라 여러 물리 법칙들 간의 상호 작용, 열 해석과 전자기 해석 간의 연성 해석, 구조 해석과 열 해석의 연관 관계와 같은 다중 물리 현상들도 고려해야만 합니다. 이런 기술들은 PCB의 신뢰성을 평가하는 전체

적인 관점을 제공합니다. ANSYS만이 가지고 있는 Chip-Pack-age-System 통합 개발 환경은 엔지니

어들이 전자 시스템의 성능을 향상시

킬 수 있도록 도와줍니다. 시스템 수준

에서 고려해야 하는 모든 사항들을 모델링하고 해석함으로써, 엔지니어들

은 전자파 간섭은 줄이고, 정전기에 대해 보다 안전하며 성능면에서는 더 우수한 제품을 개발할 수 있습니다. 그리

고 이러한 제품들이 사물인터넷 제품 구현에 힘을 더하여 줄수 있습니다.

Overcoming Uncertainties in High-Speed Communication Channels ansys.com/uncertainties

들을 고려해야 합니다. ANSYS는 개발자들이 유기적으로 협업하면서 이러한 모든 요소들을 고려할 수 있도록 다양한 시뮬레이션 소프트웨어를 제공합니다. 무선 시스템을 개발할 때 안전은 중요한 고려사항입니다. 국제적인 표준과 규제 기관들은 생체 조직에 흡수되는 전자파 에너지의 양을 제한하고 있습니다. ANSYS 시뮬레이션 소프트웨어는 인체 모델을 포함하여 다양한 전력 전송 시스템을 설계하고 이러한 시스템들이 인체에 미치는 영향을 분석하는데 사용됩니다.

전원 관리

센서와 액츄에이터를 비롯한 다른 여러 MEMS(Microelectromechanical Systems, 반도체 초미세 공정을 사용

하여 센서와 액츄에이터를 개발하는 분야) 기기들은 사물인터넷에 없어서

는 안 될 요소들입니다. 이러한 기기

들은 HMI(Human-Machine Interface, 인간과 기계의 인터페이스)와 기기의 관리, 제품의 피드백에 근거한 트리

거 액션(난방 시스템을 켜거나 끄기, 경고 문구 보여주기, 밸브 열기와 같은 작동)을 위해 필요한 정보를 주변 환경으로부터 수집합니다. 센서를 비롯한 MEMS 기기를 개발하는 사람들

은 제품을 설계하고 시제품을 생산하

고 테스트하는 등, 개발의 전 과정에

서 제품의 성패를 결정짓는 여러 비즈

니스적인 어려움들과 기술적인 문제

들에 직면하게 됩니다. 시장에서 제품

의 경쟁력을 확보하기 위해 MEMS 기기 제조사들은 가능한 빠르고 효율적

으로 제품을 개발해야 합니다. MEMS 기기와 센서

들은 특수한 기능과 제조 공정의 어려움, 너무나 작은 크기 때문에 복잡하고 어렵습니다. 예를 들어 MEMS 기기

들은 때때로 크기가 너무 작아서 성능

을 측정할 때 측정 장비가 측정 결과

에 영향을 미치기 쉽습니다. 때문에 측정을 통해 신뢰할 만한 성능 데이

터를 확보하기가 어렵습니다. 하지만 시뮬레이션은 물리적 크기에 상관없

이 MEMS 기기의 성능에 대한 정확한 결과를 제공할 수 있습니다. ANSYS의 솔루션들은 주로 전자장에 의존하

는 RF 센서나 구조적인 움직임에 의존하는 자이로스코프(Gyroscope), 구조-전자기적 요소 모두에 의존하는 압전 기기들과 같은 센서, 액츄에이

터 등 다양한 MEMS 기기들에 대한 폭

센서 설계

^ 자이로스코프의 Z축 변형에 따른 응력 등고선

임베디드 소프트웨어 개발

넓은 시뮬레이션 환경을 제공합니다. 그 정확성이 입증된 ANSYS의 해석 엔진과 다중 물리 해석 솔루션은 MEMS 기기 설계에 대해 신뢰할 수 있는 해석을 가능하게 합니다. 일단 초기 설계를 완성하고 시뮬레이션이 수행되

고 나면, ANSYS의 소프트웨어들은 물리적 시제품을 만들어보기 전에 각각

의 구성요소들이 어떻게 동작하고 서로 간에 어떻게 정보를 전달하는지를 포함하여, MEMS 기기 전체의 성능을 최적화할 수 있습니다.

오늘날 대다수의 자동차에 탑재된 소프트웨어는 50~100만 라인의 코드를 가지고 있습니다. 그리고 자율주행 자동차의 등장과 함께 소프트웨어 컨텐츠는 빠르게 증가할 것입니다. 그러나 이것은 단지 자동차에 국한된 얘기가 아닙니다. 소프트웨어는 산업용 장비와 로봇, 항공기, 무인항공기를 포함하여 많은 사물인터넷 기기의 기능을 스마트하고 더욱 풍성하게 하기 위해 필수적인 요소입니다. 사물인터넷에 적용되는 많은 제품과 시스템들은 자동차나 항공기의 제동장치와 같이 언제나 안전해야 하고 어떠한 상황에서도

정상적으로 동작해야 하기 때문에, 각종 제어프로그램은 항상 결함 없이 동작해야만 합니다. 그리고 만일 위험한 상황에 처하더라도 피해를 최소화할 수 있는 예측 가능한 방식으로 동작해야 합니다. 산업의 각종 규제나 인증, 여러 품질 보증 등은 종종 소프트웨어의 신뢰성과 성능에 영향

을 미칩니다. 소프트웨어 개발은 더 이상 코드를 생성하는 것만을 의미하지 않습니다. 그것은 검증과 확인에 관한 것입니다. 소프트웨어 엔지니어들은 종종 실행 코드보다 실행 코드를 검증하기 위해 더 많은 코드를 생성하곤 합니다. 코드의 검증을 위해 상당한 노력을 쏟아붓고 있지만 소프트웨어 코드의 오류는 여전히 안전에 관한 리콜과 안정성 문제, 그리고 때로는 비극적 결과를 초래합니다. ANSYS는 임베디드 소프트웨어 개발 속도를 상당히 향상시킬 수 있는 내

장형 자동 코드 생성기를 포함하여, 모델 기반의 임베디드 소프트웨어 개발 환경과 해석 환경을 만들어 왔습니다. 엔지니어들은 복잡한 시스템을 모델링하고, 다양한 하위 시스템의 상호작용을 이해하며, 산업 표준을 준수하는 무결성이 높은 소프트웨어 코드를 생성하기 위해 ANSYS의 솔루션을 사용할 수 있습니다. 단 한 번의 클릭으로 수백 만 라인의 코드를 생성하는 이 기능은 사람이 실수로 만들어낼 수 있는 코드 오류의 위험을 근본적으로 제거할뿐만 아니라 생산성과 품질, 코드의 추적성을 높여줍니다. ANSYS의 소프트웨어 모델링 프로그램을 이용한 자동 코드 생성 기능은 엔지니어들이 업계에서 표준화된 방식으로 설계 사양을 표현하도록 도와줍니다. 결과적으로 회사는 소프트웨어 개발에 들어가는 상당한 금액의 인증 비용과 많은 비용이 드는 테스트 횟수를 줄일 수 있었습니다. 소프트웨어 모델링과 시뮬레이션 기술은 소프트웨어 개발 기간을 단축시켜 원하는 시기에 시장에 출시할 수 있는 이점도 제공합니다.

36 ANSYS ADVANTAGE


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Mastering Complexity ansys.com/complexity

팅 비용의 절감, 물리적 테스트의 횟수 감소, 제품의 정확성과 안전성 개선을 통해 100만 달러 이상의 비용을 절감하였습니다.

사물인터넷이 그 적용 영역을 산업과 항공우주, 소비재 산업으로 까지 확장함에 따라, 사물인터넷 기기들이 진동과 충격, 피로 파괴와 같이 열악

한 동작 환경에 노출될 가능성이 증가

하고 있습니다. 이러한 악조건 속에

서도 사물인터넷 기기들은 반드시 정상적으로 동작해야 하고, 유지 보수 없이 장시간 긴 거리 지나면서도 문제 없이 잘 동작해야 합니다. 이렇게 극한 상황에서의 오동작은 시스템을 수리하거나 교체하는데 드는 막대한 비용을 초래할 수도 있고, 중요한 임무

를 실패하거나 심지어 사람의 생명에 위험을 초래할 수도 있습니다. NASA는 우주선을 발사하는 첫 날 발생하는 전자 장치 오동작의 45%는 발사할 때의 진동 때문이라고 밝혔습니다. 엔지니어들은 프로젝트 일정에 가장 적은 영향을 끼치도록 개발 초기 단계에서 이러한 열악한 환경이 초래할 수 있는 잠재적인 위험을 고려

할 수 있어야 합니다. 물리적으로 시제품을 만드는 것만이 많은 문제들에 대한 명백한 해결책은 아닙니다. 왜냐하면 제한된 시간과 예산, 장소와 자원들을 이용하여 가능한 모든 테스

트 시나리오를 생성하는 것이 쉽지 않을 뿐 만 아니라 시제품의 측정을 통해 얻게되는 결과 또한 상당한 오차

를 포함하기도 하고, 측정한 시제품

의 성능이 사물인터넷이나 기타 다른

응용 제품이 요구하는 성능을 만족시

키지 못할 수도 있기 때문입니다. 항공우주와 방위분야의 한 선진사는 값비싼 파괴 테스트를 대신할 목적으로 진동을 포함한 열악한 동작 환경들에 대한 시뮬레이션을 수행하였습니다. 그 결과 그들은 개발 기간 단축, 컨설

열악한 환경을 고려한 설계

“ANSYS가 제공하는 설계 소프트웨어와 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하는 함으로써 Astrobotic社는 경량 알루미늄과 복합재료를 사용하여, 허용된 안전 수준을 만족하면서 발사할 때 발생하는 정적 가속과 동적 램덤 진동 하중을 견딜 수 있는 우주선을 빠르게 설계할 수 있었습니다. 시뮬레이션은 시제품화와 물리적 테스트에 관련된 비용을 줄이는데 도움이 됩니다.”— JOHN THORNTON, 수석 엔지니어, ASTROBOTIC TECHNOLOGY, INC.

^ 개발자들은 웨어러블(wearable) 벨트 클립의 강도와 피로 수명 및 두께를 최적화하기 위해 ANSYS 시뮬레이션 소프트웨어를 사용했습니다.

Astrobotic Case Study ansys.com/astrobotic

© 2016 ANSYS, INC.ANSYS ADVANTAGE 37

가상 시스템 시제품화

제품의 복잡도가 증가하면서 시뮬레

이션 능력도 향상되어야 합니다. 시스

템이 복잡해 질수록 시스템 내의 개별 요소들을 서로 잘 연결하어 유기적으

로 동작해야 하는 것이 쉽지 않기 때문

입니다. 시스템을 구성하는 제품들의 물리적인 특성들과 임베디드 소프트

웨어를 결합하면 시스템 통합에 따르

는 문제점들을 최소화하고 비용을 절감하며 최초 시제품의 성공 가능성을

높여줌과 동시에 제품의 성능도 보장

할 수 있습니다. 스마트폰이나 온도 조절 장치 또는 풍력 터빈과 같은 개별 기기나 구성요

소를 사물인터넷 관점에서 시각화하

는 것은 어렵지 않지만, 그러한 기기

들을 연결하는 복잡하고 보이지 않는 네트워크나 사용자의 요청에 따른 데이터 저장하고 전달하는 클라우드와 같은 시스템은 보다 정교한 모델링과 시뮬레이션 기술을 필요로 합니다. 예를 들어 스마트 풍력 터빈은 바람의 패

턴뿐만 아니라 현재 전력망 상에 비축된 에너지 양, 다른 스마트 풍력 터빈의 상태에 따라 적절하게 동작해야 합니다. 이러한 풍력 터빈의 모든 동작 그리고 이 풍력 터빈과 실세계와

의 상호 작용을 모델링하기 위해서 엔지니어는 유체

^ 오늘날의 자동차에서 흔히 쓰이는 ADAS(Advanced Driver Assitance System)를 개발하기 위해서는 전자장 시뮬레이션 소프트웨어와 시스템 시뮬레이션 소프트웨어가 둘 다 필요합니다.

ESSS 이미지 제공

역학, 임베디드 소프트웨어, 구조 및 전기적 성능을 모델링할 수 있는 소프

트웨어들을 사용해야 합니다. 소프트웨어와 하드웨어 그리고 다중 물리 현상에 기인한 문제들 간의 상호 작용은 더욱더 크고 복잡한 문제를 엔지니어가 해결할 수 있는 가능성을 크게 증가시켜 줄 수 있습니다. ANSYS 소프트웨어는 시스템 수준의 품질과 특성, 기능, 동작 및 성능에 대한 통찰

력있는 검증 결과를 제공해 주며, 시스템 개발자는 이러한 상위 수준의 통찰력으로부터 개별 구성 요소에 대한 성능 최적화뿐만 아니라 전체 시스템

의 성능을 최적화하는데 도움이 되는 여러 설계 정보들을 얻을 수 있습니

다.

38 ANSYS ADVANTAGE


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정 부의 각종 규제와 고객의 요구에 의해, 자동차 제조사들은 연비를 개선하고 차량의 배기가스

를 줄여야 합니다. 이러한 이유로 많은 제조사

들이 자신들의 자동차에 터보차저(turbocharger, 엔진에 주입되는 공기를 압축하여 엔진의 출력을 높여주는 장치)를 장착합니다. 하지만 이러한 터보차저가 적용된 차량은 안정적인 운전과 성능을 보장하기 위해서 엔진을 수정해

야 합니다.

터보차저와 인터쿨러대부분의 피스톤 엔진에서 가스의 흡입은 피스톤의 하향 행정에 의해 실린더 내의 압력이 낮아짐으로써 이루어집

니다. 터보차저와 슈퍼차저는 흡기 매니폴드에 진입하기 전에 공기를 압축함으로써, 더 많은 공기가 실린더 내로 유입되도록 하여 각각의 엔진 사이클마다 더 많은 동력을 생성하고 내연 기관의 성능과 효율을 향상시킵니다. 그러

AUTOMOTIVE

채널 개선기존에는 고효율 자동차에 적용되는 새로운 형식의 통합 흡기-매니폴드-인터쿨러(intake-manifold–intercooler)의 복잡한 Wave 채널의 전체 형상을 모델링하고 해석하는데 많은 시간이 필요했습니다. 하지만 Magneti Marelli社의 엔지니어들은 ANSYS CFD 소프트웨어의 방향성 손실(directional loss) 모델을 이용한 다공성 물질로 적용하여 채널 해석 시간을 3분의 1로 줄일 수 있었습니다.

작성자: Massimiliano Di Paola 이탈리아 볼로나 소재 마그네 렐리 선임 해석 애널리스트Nazario Bellato 이탈리아 볼로나 소재 마그네 렐리 해석 관리자Bhartendu Tavri 인도 구르가온 소재 마그네 렐리 인도 해석 기술자

ANSYS ADVANTAGE 39© 2016 ANSYS, INC.

^ 방향성 손실(directional loss) 모델을 사용하여 여기에 나타낸 velocity plot을 생성하는데 걸리는 시간을 3분의 1로 단축시켰습니다.

40 ANSYS ADVANTAGE

채널 개선 (계속)

나 터보차저가 공기를 압축하면 할수록 공기의 온도가 증가하기 때문에 다시 공기 밀도가 낮아져서 기대했던 것보

다 적은 양의 공기가 실린더 내로 흡입되는 한계가 있습니

다. 또한 흡입 공기 온도가 높을 경우, 엔진에 심각한 손상

을 일으킬 수 있는 사전 점화(Pre-ignition)와 노킹(knock-ing, 엔진 실린더 내에서의 이상 연소에 의해 망치로 두드

리는 것과 같은 소리가 나는 현상)의 위험을 증가시키기도 합니다. 수 년간 자동차 경주에 사용되었던 진보된 형식의

터보차저와 슈퍼차저가 적용된 엔진은 공기의 압축 과정에

서 발생하는 열을 제거하기 위해 인터쿨러(intercooler)를 사용함으로써 공기의 밀도를 높일 수 있었습니다. 인터쿨

러의 가장 일반적인 형태인 Air-to-Air 인터쿨러는 흡입 공기의 냉각을 위해 외부 공기를 사용합니다. 이 유형은 비교

적 간단하고 저렴하지만 그 효율은 대기의 접촉 양과 및 온도에 의해 제한됩니다. Air-to-Water 인터쿨러는 공기가 가진 열을 냉각하기 위해 물을 사용하여 상당히 높은 성능을 제공합니다. 그러나 Air-to-Water 인터쿨러는 차량에 상당한 비용과 무게가 추가되는 펌프와 방열기, 유체 배관을 필요로 하기 때문에 과거에 생산된 차량에는 거의 사용되지 않았습니다. 최근에

는 흡기 매니폴드와 통합되어 더 소형이고 경량이며 저렴

한 Air-to-Water 인터쿨러를 사용하는 것이 자동차 설계의 추세입니다. 하지만 인터쿨러와 흡기 매니폴드를 효율적

으로 통합하는 것은 쉽지 않습니다. 흡입 공기와 냉각수는, 흡입 공기의 온도를 낮게 유지하기 위해 흡입 공기와 냉각

수 간의 열전달 효율을 높게 유지하는 동시에 공기의 압축 손실을 줄여서 엔진의 효율 저하를 최소화하는 방식으로 통합 흡기-매니폴드-인터쿨러를 통해 흘러가야 합니다. Magneti Marelli社의 엔지니어들은 새로운 통합 흡기-매니

폴드-인터쿨러의 성능을 최적화하기 위해 ANSYS 전산유체

역학(CFD) 소프트웨어를 사용함으로써 해석에 필요한 시간을 이전의 몇 분의 일로 줄일 수 있었습니다.

복잡한 시스템의 모델링제작과 실험을 반복하는 기존의 설계 방법은 오늘날과 같이 복잡한 시스템을 개발하는 데에 적합하지 않습니다. 왜냐하면 설계 변수가 너무 많고 실험을 통해서 얻을 수 있는 정보의 양 또한 상당히 제한적이어서 비용과 시간이 많이 소요되기 때문입니다. 또한 인터쿨러는 냉각수로 가능한 많은 열을 전달하기 위해서 길고 복잡한 경로를 통해 공기

가 이동하도록 설계하는데, 이러한 작은 Wave 채널의 복잡

한 형상을 해석하는 데에는 상당한 기술과 시간이 필요합

니다. 속도와 압력, 온도와 같이 주요한 변수들이 급격하게 변화할 것으로 예상되는 영역에서의 유체의 물리적 현상

을 정확하게 계산하려면, 일반적으로 Inflation (boundary) Layer(특정 면의 수직방향으로 격자를 생성하여 경계에서

의 격자 조밀도를 증가시킨 층)를 생성하여 격자를 조밀하

게 생성해야 합니다. 과거 Magneti Marelli社 엔지니어들은 이러한 해석을 진행할 때, 경계층에서는 육면체(hexahe-dral) 요소를 사용하고 나머지 영역에는 상대적으로 계산

량이 적은 사면체(tetrahedral) 요소를 함께 사용하는 하이

브리드 격자를 사용하였습니다. 하지만 이렇게 하이브리드 격자를 사용하더라도 wave 채널의 기하하적 구조가 너무 복잡해서 정확한 해석을 위

“현재의 설계는 인터쿨러를 통한 열교환 효율을 상당히 향상시킴으로써 이전 인터쿨러에 비해 출구 온도를 8% 낮추었으며 이에 따라 엔진의 성능을 향상시켰습니다.”

Thermal Management with ANSYS Multiphysics ansys.com/thermal101

^ Air-to-water 인터쿨러를 흡기 매니폴드와 통합하면 가격과 중량을 상당히 줄일 수 있습니다.

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Steering Toward the Futureansys.com/steering

해 양질의 격자를 생성하면 대규모의 연산 자원을 사용하

더라도 오랜 해석 시간이 필요했습니다. 이렇듯 난류를 발생시켜서 열전달 능력이 향상되도록 유동 장애물을 적용한 설계를 해석할 경우 Hex-dominant 격자를 사용하는 것은 현실적이지 않습니다. 왜냐하면 격자를 생성할 때 인터쿨러 내부의 미세한 유동 장애물들을 무시하고, 단면이 사다리꼴인 일반적인 유체 통로로 단순

화하여 미세한 채널(microchannel)의 격자를 생성하더라

도, 매우 많은 요소와 불균일한 격자 밀도 때문에 해석 시간

이 상당히 오래 걸리기 때문입니다. 다중 물리 해석Magneti Marelli社의 엔지니어들은 ANSYS CFX의 방향성 손

실(directional loss) 모델을 이용하여 이러한 문제를 극복

했는데, 이것은 다공성(porous) 매체에 흐르는 유체에 대한 Darcy의 운동량 손실 방정식을 근거로 한 것이었습니다. 이 모델 안에서, Darcy 법칙과 Navier-Stokes 방정식의 일반형

을 함께 사용하여 매질의 공극간극률(volume porosity)을 설명하고, Darcy 법칙의 관점에서 압력 강하를 설명하는 방식으로 해당 도메인을 해석하였습니다. 엔지니어들은 해석을 수행하고 실제 시험 결과를 비교한 다음, 인터쿨러의 공극율(porosity) 수준을 제어하는 방정식의 1차와 2차의 손실 계수를 조정함으로써 시험에서 측정된 공기 압력 손실과 해석을 통해서 얻은 공기 압력 손실을 일치시켰습니

다. 이러한 조율을 거친 후에 실제 흡기-매니폴드-인터쿨러

의 전체 형상을 모델링하는데 필요한 시간보다 훨씬 단축

된 시간으로 실측치와 일치하는 결과를 얻을 수 있었습니

다. 시뮬레이션을 통하여 개발자가 생각하고 있는 여러 대안 설계에 대해 과거 수기 계산을 통해서 얻은 것보다 훨씬 더 정확하게 성능을 예측할 수 있었습니다. 사다리꼴 요소에 기초한 CFD 모델은 해석하는데 사흘이 걸리는 반면, Darcy 법칙에 근거한 1,200만 요소를 갖는 모델은 단 하루 만에 해석이 완료되었습니다. 검증된 모델을 이용하여, Magneti Marelli社 엔지니어들

은 여러 설계 변수들이 인터쿨러의 열전달 및 압력 강하에 미치는 영향을 평가하였습니다. 또한, 그들은 해석을 통해 얻은 압력장 결과를 ANSYS Mechanical 소프트웨어로 내보

내서 구조물의 안정성을 평가하기 위한 구조해석을 수행

하였습니다. 설계 프로세스의 여러 단계에서 엔지니어들은 ANSYS DesignXplorer를 사용

하여 설계 공간을 빠르게 탐색

함으로써 특정 설계 기준에 가장 적합한 설계 변수를 찾아낼 수 있었습니다. 개발팀은 현재 엔진이 시동 모터에 의해 회전

될 때 흡기 매니폴드 내부의 응축 효과나 흡기 시스템의 수격

(水擊) 현상(관 속을 흐르는 물의 유출을 갑자기 막았을 때의 물의 충격; 그때 나는 소리)과 같은 여러 복잡한 현상들을 연구하기 위하여 시뮬레이션을 사용하고 있습니다. 개발 초기 단계에서 시뮬레

이션을 사용하면 기존의 최적

화에 걸리는 기간보다 단축된 기간에 최적화를 수행할 수 있기 때문에 시간과 비용을 절감

할 수 있습니다. 이로써 기업은 이전의 설계 방법을 적용했을 때보다 적은 수의 시제품을 제

작하면서 더 개선된 성능의 제품을 만들 수 있습니다. 현재의 설계는 인터쿨러를 통한 열교환 효율을 상당 수준 향상시킴으로써 이전 인터쿨러에 비해 출구 온도를 8% 낮추

었으며 이에 따라 엔진의 성능을 향상시켰습니다. 또한 새로운 설계는 전반적인 압력 손실을 감소시켜 5%의 연비를 개선하였습니다. 현재 이 과제는 시스템의 구조 안정성 및 열 안정성에 대한 최적화를 진행하고 있습니다. Magneti Marelli社는 통합 흡기-매니폴드-인터쿨러 기술에 대해 주요 자동차 제조사로부터 매우 호평을 받고 있으며, 앞으로 개발되는 차량을 위한 새로운 제품을 만들기 위해 노력하

고 있습니다.


^ 사다리꼴 단면으로 Wave 채널의 격자를 생성하는 좀 더 고전적인 방법은 과도한 해석 시간을 필요로 합니다.

^인터쿨러 안의 작은 wave 채널을 해석하는 것은 상당히 어려습니다.

Improving Turbocharger Designansys.com/turbocharger

42 ANSYS ADVANTAGE

2014년, HH-60G Pave Hawk 헬기가 영국의 Norfolk에서 훈련하던 중 사고가 발생하여 네 명의 미국 공군 요원이 사망한 일이 있었습니다. 미국 조사위원

회는 이 사고가 주변에서 날아가던 거위가 항공기의 앞 유리와 부딪히고 이로 인해 조종사와 부조종사가 의식을 잃으면서 발생한 것이라고 밝혔습니

다. 이어서 조사위원회는 또 다른 거위가 헬기의 앞 부분에 부딪혀 헬기의 중심을 잡아주는 평형 장치가 고장나

면서 더 이상의 대응이 불가능했으며, 그 결과 헬기가 지상으로 추락하여 4천 만 달러 상당의 헬기가 파괴되고 생

명까지 앗아갔다고 밝혔습니다. 하지만 조류와 관련된 사고는 이것 만이 아니었

습니다. 미국 농무부의 동식물 검역소(APHIS)에 따르면 조류와 민간 헬기나 군용 헬기의 충돌로 인해 1990년 이후 11명의 사망자와 61명의 부상자가 발생

했다고 합니다. [1]

테스트과

거에는 복합재로 만든 항공 부품이 조류와의 충돌을 견딜 수 있는지 확인하려면 엄청난 시간이 소요되는 실제 시험 만이 유일한

방법이었습니다. 하지만 현재 HAL社(Hindustan Aeronautics Limited社) 엔지니어들은 한번에 올바른 설계를 얻기 위해서 시뮬레이션을 사용합니다. 조류 충돌 시뮬레이션으로 인해 회사는 설계 시간과 부품 하나당 수천 달러가 소요되는 복합재 헬기 부품 시험 비용을 절약할 수 있었습니다.

AEROSPACE ANDDEFENSE

작성자: Vijaykumar Rayavarapu 인도 방갈로르 소재 힌두스탄항공 연구개발 관리자

^항공기의 덮개에 대한 Lagrange 모델과 SPH 조류모델

ISSUE 2 | 2016


조류와의 충돌 위험으로부터 승객과 승무원을 보호하기 위한 노력의 일환으로 미국 연방 항공국(FAA)과 유럽 항공 안전청(EASA)을 포함한 규제 기관들은 조류 충돌을 견딜 수 있는 헬기의 성능에 관한 규제안을 발표했습니다. 예를 들어 현재 FAA의 14 CFR 29.631 규정은 조류와의 충돌 후에도 계속 안전하게 비행하고 착륙할 수 있는 A 범주(장애 발생 시 계속적인 비행 보증에 관한 최고 인증 표준)의 회전익 항공기를 요구하고 있습니다. 조류 충돌 인증은 시간이 오래 걸리고 상당한 비용이 들어가는 절차인데, 이것은 실제 시험 만이 부품이 조류 충돌을 견딜 수 있는지 없는지를 확인할 수 있는 유일한 방법이기 때문입니다. 그리고 각기 새로운 설계를 시험할 때마다 부품이 자주 파손되고 교체가 필요했기 일반적으로 시험은 여러 번 반복되어야 했습니다. HAL社는 ANSYS Composite PrepPost와 ANSYS Autodyn을 사용하여 정확한 조류 충돌 시뮬레이션을 수행함으로써 시간과 비용을 상당히 절약할 수 있었습니다. 또한 시뮬레이션을 활용하면 효율적이고 적절한 설계가 가능하기 때문에 부품마다 한 번의 시험 만이 필요하게 되었습니다.

시뮬레이션의 어려움“현대의 헬기에서 인증이 필요한 항공기 덮개(Cowling), 수평 안정장치(Horizontal stabilizer)와 종판(End plates)과 같은 부품은 일반적으로 섬유 강화 복합재로 만듭니다. 항공기 덮개란 엔진이나 변속기와 다른 주요 시스템과 같이 고장수리 등의 이유로 접근성이 보장되어야 하는 영역

을 덮는, 분리 가능한 패널을 말합니다. 조류 충돌 시뮬레

이션은 매우 어려운 작업인데 이는 짧은 시간에 재료가 크게 변형을 일으키고, 급격하게 변하는 표면 형상과 물체

와의 상호 작용을 포함하기 때문

입니다. 게다가 겹겹이 쌓여 있는 다층의 구조와 각 층을 구성하는 물질의 특성, 영역, 두께, 방향성 등 복합재를 모델링해야 하기 때문에 시뮬레이션 난이도 또한 대단히 높습니다. HAL社는 사용된 모델의 유효성

을 검증하기 위한 첫 번째 단계로

^평판에 부딪히는 조류 모델의 단순화된 시뮬레이션

쉽게 시험해 볼 수 있는 단순한 경우를 해석하

였습니다. 물리적인 시험의 결과와 해석 결과

가 서로 상관성이 있다

고 밝혀진다면, 이는 곧 항공기의 해석에 사용된 모델이 유효하다는 것을 의미하는 것입니다. 이 단순화된 조류 충돌 시뮬레이션은 평평한 판에 부딪히는 이상적인 기하

학적 형상으로 이루어졌

습니다. 조류의 한쪽 끝은 평면으로, 반대쪽 끝은 반구로 이루어진 원통으로 모델링하였습니

다. 빠른 속도로 충격을 받는 조류는, 지속 응력보다 항복 응력이 훨씬 더 낮기 때문

에 마치 쉽게 변형될 수 있는 투사체처럼 거동하게 됩니다. 이를 근거로 조류 몸체의 밀도는 물의 밀도와 유사하기 때문에 대상물에 부딪히는 물 덩어리로 조류를 근사할 수 있습니다. 대규모의 격자 왜곡(distortion)에 따른 수치 오류

를 피하고자 smoothed particle hydrodynamics (SPH, 유체

를 무수히 많은 입자로 표현하고 움직임을 계산하여 렌더

링 시에 3D 표면을 가진 형태로 가시화시키는 방법) 기법을 사용하여 Autodyn 솔버로 해석을 수행하였습니다. 해석 결과, 유체 역학의 이론을 사용한 충격압의 계산과 매우 일치

하는 결과를 얻을 수 있었습니다.

복합재 형상 정의하기인증 시험을 사실적으로 시뮬레이션하려면 복잡한 복합

재 구조물을 모델링해야 합니다. HAL社의 엔지니어들은 ANSYS Workbench 환경에서 항공기 덮개 형상을 불러왔

습니다. 항공기 덮개는 Kevlar® 섬유 외피와 벌집 모양의 심재로 이루어져 있습니다. 엔지니어들은 층 수를 정의

하고, 각 층마다 형상과 두께, 방향을 정의하는데 ANSYS Composite PrepPost를 사용하였으며, 심재의 특성을 파악

^시뮬레이션에 의한 등가변형률 표시

44 ANSYS ADVANTAGE

테스트 (계속)

“조류와 헬기의 충돌로 인해 1990년 이후 11명의 사망자와 61명의 부상자가 발생했습니다.”

하기 위해서 ASTM 표준에 따라 사각 시편

의 압축 시험을 수행

하였습니다. 이렇게 얻어진 복합재 특성

은 유한 요소 모델과 입력 파일에 반영되

었습니다. 각 복합재 층의 재료 물성치는 적절한 손상 개시 조건과 손상 전개와 함께 ANSYS Composite PrepPost 내의 물성 구성 방정식으로 정의되었으며, 추가적인 전처리 작업은 ANSYS Explicit STR에서 수행되었습니다. ANSYS Com-posite PrepPost에서 정의된 복합재 정의는 ANSYS Work-bench를 통해 Autodyn로 완벽하게 전달되었습니다. ANSYS Autodyn explicit 솔버의 주요 장점은 합리적

인 시간 내에 가능한 정확도가 높은 결과를 생성하기 위해서 하나의 문제에 대해서 Lagrange와 Euler, Arbitrary Lagrange-Euler(ALE), SPH 기법을 결합하여 해석하는 능력

입니다. 이 해석에서 SPH 조류 모델은 조류를 모델링하기 위해 사용되었고, 항공기 덮개 구조물은 빠른 계산 속도를 위해 Lagrange 모델이 사용되었습니다. 아울러 연구소에

서 실시된 조류 충돌 시험의 실험 조건과 일치시키기 위하

여 항공기 덮개에 공기역학적 하중을 적용하는 것을 포함한 모델이 구축되었습니

다. 또한 실제 시험에

서 사용된 것과 동일

한 항공기 덮개의 위치에 가상의 스트레인 게이지(strain guage, 물체의 표면에 부착하여 물체가 외력으로 변형될 때 변형을 측정하는 측정기)를 가 Autodyn 내에 정의되었습니다.

실제 시험과의 상관관계각각의 요소 내에서, Lagrange 솔버는 이산화된 모델의 재료 위치를 포착하고, 힘이 가해짐에 따라 변형이 진행되는 과정을 추적하였습니다. 0.004초 동안의 과정을 시뮬레이

션하는데 걸린 시간은 1시간 이내였습니다. 시뮬레이션은 시험의 기본 파라미터뿐만 아니라 손상의 위치와 파손의 크기를 정확하게 예측하였습니다. 서로 다른 시간 간격에서의 파손 모드 또한 시험 결과와 잘 일치하였습니다. 충돌의 초기 단계에서는 복합재 구조

물의 기계적 응답은 섬유 구조물 계면에 의해 좌우됩니다. 충돌의 중간 단계에서는 충격이 외피와 심재의 접점에 다다랐을때 음의 압력 영역이 외피의 후방에서 생성되기 시작하고, 이 영역에서 섬유의 인장 파손이 생기게 됩니다. 충돌의 마지막 단계에서는 외면의 상당히 큰 영역이 음의 압력을 받아 구조적 파손에 이르게 됩니다. 한편 발사체 상단

을 감싸고 있는 항공기 덮개에서 높은 변형율이 관측됩니

다. 높은 에너지의 조류 충돌에 대한 동적 응답과 구조물 파손을 예측하기 위한 시뮬레이션 성능에 있어서, 상관성 연구는 높은 수준의 신뢰성을 보여주었습니다. 현재 HAL社는 한번에 조류 충돌 인증 시험을 통과할 수 있도록 새로운 외부 구조 구성요소를 설계하는 데에 이 검증된 모델을 사용하고 있습니다. HAL社는 다루프(Dhruv) 고등경헬기(Advanced Light Helicopter)의 민간용 EASA 인증 획득에 시뮬레이션을 활용함으로써, 과거에는 거의 항상 필요했던 한 두 번의 추가 시험을 줄여 시간을 절약할 수 있었으며 인증 받아야 하는 부품들에 대해서 부품당 수천 달러의 시험 비용을 절약할 수 있었습니다.

Impact ansys.com/impact

^여러 시간 간격에서의 항공기 덮개의 변형

References[1] Keirn, G. Helicopters and Bird Strikes; Results from First Analysis Available Online. blogs.usda.gov/2013/06/06/ helicopters-and-bird-strikes-results-from-first-analysis- available-online (12/17/2015).

ISSUE 2 | 2016

골프 드라이버를 설계하려면 여러 설계 요소들을 적절하게 절충해야 합니다. 클럽의 크기가 작고 클럽면이 좁으면 스윙할 때 클럽이 받는 저항이 작아지면서 클럽 속도가 빨라져 타구가 멀리 나갈 수 있는 반면 클럽면이 크고 따라서 무게 중심이 낮으면 관성 모멘트가 증가하여 더 정확하게 타구할 수 있습니다. PING社는 클럽면을 크게하고 무게 중심을 낮게 설계하여 공이 클럽의 중심에서 조금 벗어난 위치에 맞더라도 안정감이 있으면서 동시에 저항을 줄여 타구가 멀리 날아가도록 자신만의 독특한 공기역학 특성을 갖는 새로운 드라이버를 개발하는 데에 ANSYS의 유체 역학 시뮬레이션을 사용합니다.

SPORTS EQUIPMENT

작성자: Erik Henrikson 미국 피닉스 소재 핑 골프 혁신 관리자

< PING社의 새로운 G 드라이버의 클럽헤드 위쪽에 터뷸레이터 보입니다.

PING社는 아마추어 골퍼와 프로 골퍼 모두 자신의 능력을 최대한 발휘할 수 있도록 50년 넘게 골프 클럽

을 개발해오고 있습니다. 꾸준한 혁신과 전문적인 설계 기술 때문에 많은 챔피언 골퍼들이 PING社의 클럽을 사용해왔습니다. 이러한 혁신의 속도를 유

지하기 위해서 개발자들은 설계에 도움이 되는 가능한 모든 도구를 사용해야 합니다. PING社의 엔지니어들은 클럽

의 공기역학 특성을 개선하기 위해 ANSYS의 전산 유체 역학(CFD) 솔루션을 사용합니다. 골프 드라이버의 클럽면은 일반적으로 규정이 허용하

는 범위 내에서 클립의 질량이 중심으로부터 가능한 멀리 분포하도록 크게 설계합니다. 이렇게 설계하

면 클럽의 각가속도(angular acceleration) 저항의 기준이 되는 클럽의 관성 모멘트가 증가

하여, 클럽면의 중심으로부터 조금 벗어난 위치에 공이 맞더라도 뒤틀림이 적어집니다. 이렇듯 클럽면이 크면 모든 방향에서 유효 스위

트 스폿(sweet spot) 면이 넓어져 더 쉽게 정타를 칠 수 있습

니다. 하지만 클럽면이 크고 클럽의 질량이 중심으로부터 멀리 떨어져 있으면 일반적으로 클럽의 전면과 후면의 압력 차에 의해 큰 저항이 발생합니다. 이것은 크고 뭉툭한 물

ANSYS ADVANTAGE 45

장타장타

체 주위로 흐르는 유체

가 물체로부터 분리되

어 물체의 후면에 유체

의 재순환 영역을 형성

하면서 물체의 후면보다 전면에 더 큰 압력을 만들어 내기 때문입니다. 이러한 압력의 차이가 클럽 헤드를 뒤에서 잡아 끄는 역할을 하면서 골퍼가 클럽 헤드를 통하여 공에 전달하고자 했던 속도가 줄어 들고, 결과적으로 공의 속도

가 느려져 타구의 비거

리가 짧아집니다. PING社는 클럽 표면

에서의 공기 흐름을 자극하여 최적의 공기역학 특성을 갖는 클럽 헤드를 설계하는데 ANSYS CFD 소프트웨어를 사용

했습니다. 공기 흐름을 자극하여 난류층의 형성을 촉진시

키면 클럽 헤드의 후면에 발생하는 재순환 영역의 형성이 지연되어 난류 후류의 크기가 작아지고, 클럽 헤드 후면

의 압력이 증가하여 결과적으로 클럽 헤드를 뒤에서 잡아 끄는 힘이 작아집니다. 이러한 기술의 결과로 탄생한 G30을 포함한 PING社의 새로운 G 드라이버 시리즈들은 Bubba Watson과 같은 최고의 프로 골퍼들의 비거리를 10 야드까

지 늘려주었을뿐 아니라 일반 골퍼들의 비거리도 상당히 늘려주었습니다.

골프 스윙의 시뮬레이션PING社의 엔지니어는 드라이버의 성능에 큰 영향을 미치

는 관성 모멘트와 질량을 희생하지 않으면

서도 저항을 줄이는 클럽페이스에 대한 공기역학 연구를 시작했습니다. 그들

은 ANSYS Workbench를 이용하여 PTC Creo®社의 CAD로 설계된 클럽헤드 모델을 불러들였습니다. 그들은 ANSYS

Meshing을 사용하여 자동적으로 사면체

(tetrahedral) 요소와 육면체(hexahedral) 요소가

혼합된 격자를 자동생

성하였습니다. 일반적

으로 육면체 요소 격자

가 클럽헤드와 공기층 사이의 경계면에 대해 더 높은 정확도를 제공

하기 때문에, 엔지니어

들은 이 영역에서의 급격한 속도 변화를 정확

하게 계산하기 위해서 클럽헤드 주위에 육면

체 요소로 구성되는 10개의 확장 층을 설정하

였습니다. 각 확장층의 두께는 클럽헤드로부터 멀어질수록 인접층의 약 1.2배가 되도록 설계하

였습니다. 다운스윙이 진행되는 동안에는 클럽헤드와 공기의 흐름이 부딪히는 속도와 각도가 계속해서 변하기 때문에, PING社의 엔지니어들은 다운스윙의 각 단계에서의 속도와 각도에 대한 일련의 모델을 개발하여 다운스윙 전체를 해석하였습니다.

골프를 위한 물리학PING社의 엔지니어들은 시뮬레이션을 통하여 이전 모델의 드라이버 주위로 공기가 흐를 때 발생하는 물리적인 현상

에 대해 근본적으로 이해할 수 있었습니다. 그것은 유체가 클럽헤드의 앞쪽에서 분리되어 클럽헤드의 뒤쪽에 큰 난류 후류(turbulent wake, 유체가 물체의 주위로 흐르면서 물체

의 뒤쪽에 난류를 발생시키는 현상)을 남기는 것이었습니

다. 이 통찰력은 엔지니어들에게 한 가지 아이디어를 제공

했습니다. 그것은 바로 ‘클럽헤드의 윗 면에, PING社에서는 터뷸레이터(난류발생기)라고 부르는, 돌기(Ridge)를 추가

하면 클럽헤드 뒤쪽에서 난류 후류의 형성이 지연되고 그

^ 터뷸레이터가 장착되지 않은(왼쪽) 클럽헤드와 장착된(오른쪽) 클럽헤드의 시뮬레이션을 통하여 터뷸레이터가 장착된 클럽헤드의 난류 후류가 더 작음을 볼 수 있습니다.

On the Ball ansys.com/ball

46 ANSYS ADVANTAGE

장타 (계속)

ISSUE 2 | 2016

^ 터뷸레이터가 장착되지 않은(왼쪽) 클럽헤드와 장착된(오른쪽) 클럽헤드에 대한, CFD 시뮬레이션은 새로운 설계가 어떻게 난류 후류를 지연시켜 저항을 줄이는지 보여줍니다.


크기가 작아져서 결과적으로 클럽이 받는 저항을 줄일 수 있지 않을까?’ 라는 생각이었습니다. 작은 크기의 돌기는 클럽의 질량에는 거의 영향을 주지 않았습니다. PING社의 엔지니어들은 CFD 모델을 수정하여 터뷸레이

터를 추가한 후, 시뮬레이션을 다시 수행하였습니다. 그 결과 클럽헤드의 저항이 크게 감소하는 것을 확인할 수 있었

습니다. 개발팀은 각기 다른 너비와 길이, 각도를 갖는 터뷸레이터가 추가된 클럽헤드에 대해 일련의 시뮬레이션을 수행하였습니다. 이러한 클럽헤드 모델은 Creo CAD 프로그

램을 이용하여 설계되었고 ANSYS Workbench에서 불러들

였습니다. PING社의 엔니어들은 각각의 설계들이 서로 다른 수준의 플레이어들에게 어떠한 영향을 미치는지 평가

하기 위하여 다양한 스윙 속도에 대해 시뮬레이션을 수행

하였습니다. 이로써 그들은 난류 후류를 가장 크게 지연

시킴으로써 가장 작은 저항을 발생시키는 터뷸레

이터 형상을 찾아낼 수 있었습니다.

실험을 통한 해석 검증PING社의 엔지니어들은 CFD 해석 결과의 유효성을 검증하기 위해서 물리적인 실험

을 수행하였습니다. 그들은 애리조나 주립 대학의 풍동(wind tunnel, 공기의 움직임을 관찰하기 위하여 인공적으로 공기가 흐르도록 만든 장치) 설비를 사용하여 클럽헤드에 터뷸레이터가 있는 제품과 없는 제품을 이용하여 시뮬레이션과 동일한 각도와 속도에 대해 시험를 진행하였습니다. 드라이버가 공기의 흐름에 대해 직각일 때, 일반 드라이버와 터뷸레이

터가 있는 드라이버에서, 각각 9N과 6.7N의 저항이 측정되어 약 25%의 저항이 감소하는 것으로 관측되었습니다. 일반 드라이버로 타구할 때는 1.5N가 약간 넘는 다운포스(down force, 공기흐름에 따른 압력의 차이로 인해 발생하는 누르는 힘)를 나타낸 반면, 터뷸레이터가 있는 드라이버는 0.5N의 양력(lift force)을 나타내었습니다. 풍동 실험에서 터널 내 공기의 흐름을 가

시화하기 위해서 연기를 사용하였습니다. 그림은 터뷸레

이터가 없는 일반 드라이버 클럽헤드 윗면의 앞 가장자리

에서의 층류 박리를 보여주고 있습니다. 터뷸레이터가 있는 드라이버 헤드에서는 층류 박리가 상당히 지연되었습

니다. 실제 실험에서 얻는 저항력의 감소와 층류 박리 지연

은 유동 시뮬레이션의 결과와 일치하는 것을 확인할 수 있었습니다. 터뷸레이터 존재 유무에 따른 드라이버 클럽헤드의 속도를 비교하기 위해서 실제 선수들에 대한 실험을 진행하

였습니다. 이 실험에서는 표준 클럽헤드의 속도가 105mph로 관측된 반면 터뷸레이터가 있는 클럽헤드의 속도는

106mph로 관측되어 평균 클럽헤드의 속도가 약 1mph 증가된 것으로 나타났습니다. 클럽헤드 속도에 대한 볼 스피드의 비율은 일반적으로 1.3~1.5 사이에 있기 때문에 이것은 볼 스피

드가 1.5mph 정도 증가하였음을 나타

냅니다.터뷸레이터를 추가한 G30를 포함

한 PING社의 G 드라이버 시리즈는 높은 수준의 공기역학 효율로 시장

의 어떤 드라이버보다 높은 수준의 관성 모멘트를 제공합니다. Bubba

Watson이 터뷸레이터가 있는 G30 드라이버를 처음 테스트했을 때 클럽헤드

에서 2mph, 타구 속도에서 4mph 증가를 보였으며 결과적으로 약 10야드의 비거리를

증가시킬 수 있었습니다. Bubba Watson은 “이 기술로 인해 티샷 시의 더 먼 비거리와 더 높은 페어웨

이 안착률이 가능해졌습니다.”라고 하였습니다. G30 드라이버는 시장에서 매우 성공적이었고, 출시 첫 해인 2015년, 8개월 연속 판매 1위를 기록했습니다.

PING社는 ANSYS의 채널 파트너인 Phoenix Analysis & Design Technologies社의 지원을 받습니다.

“PING社의 엔지니어들은 클럽헤드에 터뷸레이터를 추가한 CFD 모델로 시뮬레이션을 재수행하였으며, 그 결과 클럽헤드를 뒤에서 잡아 끄는 힘이 상당히 감소한 것을 확인할 수 있었습니다.”

< 세계 정상의 프로 골퍼 Bubba Watson은 ANSYS의 CFD 소프트웨어를 이용하여 설계한 드라이버를 사용하여 티샷 비거리를 10야드 늘렸습니다.

48 ANSYS ADVANTAGE

AEROSPACE AND DEFENSE

제트 엔진 시험실(TEST CELL) 시뮬레이션은 LUFTHANSA TECHNIK社의 제트 엔진 성능을 향상시키는데 도움이 됩니다.

LUFTHANSA TECHNIK社는 자사의 복잡한 시험실을 모델링하여 실제 운용 환경에서의 엔진 동작 특성과 매우 유사한

시뮬레이션 결과를 얻을 수 있었으며, 이로써 엔지니어가 시뮬레이션 결과를 제트 엔진의 설계에 반영할 수 있었습니다.

또한 엔지니어들은 시뮬레이션을 이용하여 연료 소비와 엔진 마모를 줄이기 위해 엔진의 열역학 성능을 최적화하고 있으며, 이를

통하여 엔진 개발 비용을 절감하고 엔진 수명을 연장시킬 수 있습니다.

작성자: Gerrit Sals 독일 함부르크 루프트한자 테크닉 성능 및 시험실 기술자

ISSUE 2 | 2016

시험에 통과하기


일반적으로 상용 제트 항공기 엔진의 정비는 전문가 팀의 점검 서비스와 40,000여 개에 달하

는 부품의 교체로 약 2백만 달러의 비용이 소요됩니다. 이러한 정비는 일반적으로 항공기가 2,000번에서 10,000번의 운항을 할 때마다 필요합니다. 그리고 엔진을 점검하면서 부품을 수리만 하면 되는가 아니면 교체해야 하는가에 따라 정비의 작업 범위가 크게 달라집니다. 작업 범위를 정의하는 일은 엔진의 정비에 소요되는 비용과 정비된 엔진의 성능에 크게 영향을 주기 때문에 매우 중요합니다. Lufthansa Technik社는 특정 부품의 상태와 엔진의 동작 특성 간의 관계를 정량화하기 위하여 매우 상세한 단계로 각각

의 엔진을 시뮬레이션함으로써 엔진 정비 프로세

스를 개선하였습니다. 이러한 시뮬레이션에서 얻은 통찰력으로 정비팀은 고객과 긴밀한 협력 하에

서 맞춤형 업무 범위를 수립할 수 있습니다. 이 업무 범위는 엔지니어가 엔진의 열역학적 성능을 향상시켜 엔진의 연료 소비와 엔진 마모를 줄임으로

써 추후 부담하게 될 유지 보수 비용을 절감할 수 있도록 돕습니다. 또한 시뮬레이션으로부터 얻은 통찰력을 통하여 주요 부품의 열역학적 성능뿐만 아니라 고가의 터빈 블레이드를 더 오랜 기간 사용할 수 있게 하는 것과 같은 경제적인 효과도 극대화할 수 있습니다. 최근까지도 이러한 제트 엔진에 대한 시뮬레이션은 엔진이 상공이나 활주로 상에서 동작

한다는 가정 하에서만 이루어져 왔는데, 이것은 실제 제트 엔진의 진단과 승인 시험 진행되는 시험실 안의 동작 조건과는 상당히 다른 것이었습니다. Lufthansa Technik社의 엔지니어들은 오랫동안 자신들이 제트 엔진 시험실에서 엔진을 작동시키는 것과 동일한 조건을 시뮬레이

션하고 싶어했습니다. 그러기 위해서는 시험실을 모델링하여 엔진 시뮬레이션 시에 그 모델

을 사용해야 합니다. 그러나 시험실은 그 크기나 형상이 너무 복잡하고, 시뮬레이션해야 하는 길이나 속도의 범위도 넓으며, 거의 0에서 음속에 가까운 유동의 마하수(Mach number)의 범위로 인해 시뮬레이션을 수행하는 것이 쉽지 않았습니다. Lufthansa Technik社의 엔지니어들은 최근 자사의 여러 시험실들 중의 하나를 시뮬레이

션하고 실제 시험 측정 결과와의 검증을 통해 이러한 어려움을 극복했습니다. 시험실 조건을 반영한 엔진 시뮬레이션이 가능해지면서, 엔지니

어들은 시험실에서의 진단 시험의 결과를 더 잘 이해할 수 있게 되었고, 승인 시험에서 서로 다른 정비 작업 절차들의 차이를 더 잘 예측할 수 있게 되었습니다. 그 결과 엔진의 성능을 향상시킬 수 있었고 좀 더 명확한 정비 작업 범위 지정으로 비용

을 절감할 수 있었습니다.

정비 프로세스 최적화Lufthansa Technik社의 항공그룹은 항공기 유지보

수와 수리, 정비 서비스 분야에서 세계 선두 업체 중에 하나입니다. 엔진을 정비하는 과정에서 불필

요한 작업을 피하고 엔진의 효율을 높이기 위해서

는 엔진 내부의 상호작용에 상세한 이해가 필수적

입니다. Lufthansa Technik社는 끊임 없이 주요 부품들을 점검하고, 부품의 상태에 따라 교체하기도 합니다. 개별 부품의 상태가 전체적인 엔진 성능에 어떤 영향을 주는지 정확히 파악함으로써 추가적인 효율 향상이 가능해집니다. 또한 부품의 상태와 엔진의 작동 상태에 대한 관계를 파악함으로

써, 정비 시에 유심히 살펴봐야 할 부품을 미리 파악할 수도 있습니다.

^외부 경계 조건

Environment

^ 복잡한 시험실을 시뮬레이션하기 위하여 인터페이스를 가진 다섯개의 모델로 분할하였습니다.

Lufthansa Technik社의 엔지니어들은 부품의 상태와 엔진 작동 거동 간의 인과 관계를 파악

하기 위해세 세 가지 수준의 시뮬레이션을 수행합니다. 가장 높은 수준은 전체적 엔진 수준이

며, 상용 열역학 사이클 분석 소프트웨어를 사용하여 추력, 연료 소비 및 배기 가스 온도(EGT, exhaust gas temperature)와 같이 일반적인 엔진 파라메터들을 파악합니다. 두 번째 수준은 다중 평균

선(multiple mean-line) 방법에 근거한 전체 엔진의 유동 시뮬레이션입니다. 세 번째 수준은 엔진 부의 상세한 ANSYS CFX 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션

입니다. 최근 Lufthansa Technik社의 엔지니어들은 엔진 시뮬레이션을 위한 경계 조건을 얻기 위해 자사의 시험 장치를 시뮬레이션함으로써 이 프로세

스를 더욱 개선하기 시작하였습니다. 시뮬레이션을 위한 내부 경계 조건의 95%가 시험실 데이

터에 기반을 둔 사이클 분석으로부터 얻어졌습니다. 시험실의 3-D 유동장으로부터 얻어진 데이타는 엔지니어들이 팬(fan)의 유입구 유량을 결정하는 데에 도움을 주었고, 이 유입구 유량

을 이용하여 습도나 비, 측풍의 영향과 같이 특정 조건하에서의 거동을 시뮬레이션할 수 있었

습니다. 이로써 엔지니어들은 시뮬레이션을 통하여 시험실에서의 부품의 상태와 성능간의 관계를 더 잘 예측할 수 있게 되었습니다. 시험실 형상이 복잡했기 때문에 시험실을 다섯 개의 모델로 분할하였으며, 인접한 모델들은 서로에게 경계조건을 제공하였습니다. Lufthansa Technik社의 엔지니어들은 시험실을 분할함으로써 모델의 복잡도와 크기를 줄일 수 있었으며, 개별 구성요소들을 하나로 합쳐서 서로 다른 시뮬레이션을 쉽게 구성할 수 있는 모듈식 접근이 가능해졌습니다. CFX의 유연한 General Grid Interface(GGI)는 이러한 모듈식 접근을 가능하게 합니다. 그림에서 보는 바와 같이 Part A에는 시험실과 입구 분할기(Inlet splitters)의 흡입구가 포함되었습니다; Part B에는 터닝 베인(Turning vanes, 저항이나 난류를 줄이면서 수직 유동의 방향을 변경

하는 구조물)이 포함되었고; Part C에는 시험 챔버(test chamber)와 난류 스크린(Turbulence screen, 환기구

내 등 유동 현상을 동반하는 관계의 소음 측정 시 난류현상을 피하기 위해 마이크로폰 앞에 부착하는 장치), 추력시험대(Thrust stand), 엔진과 추력 증가 튜브

(Augmenter tube)가 포함되었습니다; Part D에는 배기 스택(Exhaust stack)과 출구 분할기(Outlet splitters)가 포함되었습니다. 테스트용 시험대를 둘러싸고 있는 영역은 Environment라 불리는 별도의 영역으로 모델링되었습니다. 또한, 난류 스크린과 분사 바스켓(Blast Basket)은 서브도메인으로 시뮬레이션에 각각 포함되었습니다.

시험실 모델링Lufthansa Technik社의 엔지니어들은 ANSYS meshing의 일종인 ANSYS ICEM CFD Hexa 기능을 사용하여 개별적으로 각 격자 구획을 생성하였습니다. 격자 생성은 시뮬레이션 프로세스에서 가장 어려운 작업입니다. Lufthansa Technik社의 엔지니어들은 높은 수준의 격자 품질을 유지

하기 위해 격자 생성 프로세스 내내 격자 진단과 수정 도구를 사용하였습니다. Part A, B, D와 Environment의 격자 구조는 육면체 H-grids로 생성하였는데, 이는 육면체 H-grids 격자가 정확

도와 필요 자원을 고려한 가장 적절한 격자를 제공하기 때문입니다. 또 다른 이점으로는 이 격자를 사용하면 사소한 부분들은 쉽게 변경할 수 있습니다. 반면에, 가장 중요한 부분인 Part C는 최대로 높은 정확도를 확보하기 위해 정렬(structured) 육면체 O-grid 격자를 생성하였습니

다. Interface는 정렬 육면체 O-grid가 Part B 내부의 터닝 베인 형상으로 전파될 필요가 없게 만듦으로써 계산 시간을 줄였습니다.

시험에 통과하기 (계속)

Testing the Next Generation of Rockets ansys.com/testing

“시뮬레이션을 통해 얻은 지식을 이용하여 최대의 엔진 수명을 확보할 수

있습니다.”

^ 정적 조건(위)과 측풍(아래)시 시험 챔버 내부의 축 방향 속도

50 ANSYS ADVANTAGE ISSUE 2 | 2016

공기는 유동 분할기(Flow splitters)를 통해 들어갈 때 가속되면서 입구를 통해 들어갑

니다. 터닝 베인은 큰 가속 없이 수직 유동의 방향을 바꾸어 줍니다. 하류에서는, 난류 스크

린을 통과하면서 공기 유동이 더욱 균일해지며 전체 압력이 저하됩니다. 엔진은 엔진 뒤쪽에서 공기의 온도, 속도와 전체 압력을 올리면서 공기 유동에 에너지를 더해줍니다. 이는 결국 이젝터 효과(ejector effect)라고 불리는 엔진을 우회하는 공기의 가속을 만들어 냅니다. 배기 가스는 추력 증가 튜브, 분사 바스켓과 배기 스택을 통해 시험실

을 빠져 나가게 됩니다. Lufthansa Technik社의 엔지니어들은 경계 조건으로 사용된 두 개의 서로 다른 환경 조건에 대해 시뮬레이션을 수행하였습니다. 첫 번째 시뮬레

이션은 시험실에서 입구와 출구에서 대기의 이동

이 없다고 가정했고, 두 번째 시뮬레이션은 입구와 출구에서 20 m/s의 측풍을 가정했습니

다. 방향과 속도가 다른 바람이 시험에서는 사용되지 않았지만, 측풍을 고려하기 위해 CFD 모델이 변경되었고, 시뮬레이션을 통하여 이러한 변경을 평가하였습니다. 측풍 시뮬레이

션에서만 필요한 외부 경계 조건은, 모델 앞쪽의 입구(Inlet), 뒤쪽의 출구(Outlet)와 왼쪽, 위쪽과 오른쪽에서의 개구부(Opening)를 포함합니다. 모델의 내부 출구 경계(엔진 입구)는 모델의 내부 유입 경계(엔진 출구)에 따라 좌우됩니다. 이러한 경계의 유량은 엔진의 배기 노즐에서의 정압(static pressure)과 전체 온도에 기초한 함수로부터 계산됩니다. 이 함수는 열역학적 사이클 분석을 사용하여 유도되었습니다. 이러한 설정은 엔진이 시험실 유동 조건

에 따라 동작점을 변경함으로써 모델의 정확도를 높여줍니다.

시뮬레이션의 검증시험실 결과를 더 잘 이해하기 위해, 시험실 시뮬레이션에서 필요한 것은 엔진의 입구와 출구에서의 경계조건을 결정하는 것입니다. 그러나 Lufthansa Technik社의 엔지니어들은 전체 모델을 검증하고 싶었습니다 – 시뮬레이션 영역의 임의의 위치에서의 압력과 속도를 예측하는 것을 포함하여 – 왜냐하면 이렇게 얻어진 정보는 시험실에 대한 임의의 변경 사항을 평가하는데 사용될 수 있기 때문입니다. 시험실 모델은 추력 증가 튜브 내부의 다양한 위치에서 측정을 통해 얻은 정압값과 동일한 위치에서의 시뮬레이션 결과를 비교하여 검증하였습니다. 시뮬레이션 결과와 시험 결과는 매우 훌륭하게 일치했습니다(네 개의 서로 다른 위치에서 -0.05~-1.33% 편차). 아울러 Lufthansa Technik社의 엔지니어들은 현재 분사 바스켓과 추가적인 하부 영역의 격자를 조밀하게 생성하여 정확도를 향상시키는 작업을 진행하고 있습니다. 시험실 모델은 엔진 정비를 위한 작업 범위 지정 프로세스에서 엔진 시뮬레이션의 경계 조건을 설정하는 데에 바로 사용될 수 있습니다. 또한 정확한 엔진 시험실 시뮬레이션은 엔지니어가 엔진을 정비할 때 성능이 획기적으로 향상되도록 도울 수도 있고, 작업 범위 지정 프로세스를 개선함으로써 상당한 비용을 절감하도록 도울 수도 있습니다. 예를 들면 고객이 정비를 마친 엔진이 시험실에서 자신이 원하는 배기가스온도(EGT)가 나오도록 요청할 수도 있습니다. 또 Lufthansa Technik社의 엔지니어들은 다른 작업 범위가 시험대에서 측정되는 배기가스온도에 어떤 영향을 미치는지도 더 잘 평가할 수 있습니다. 게다가, 시험실 모델은 시험실 설계를 향상시키고 특정 시험에서 여러 센서들의 부착 위치에 따른 영향을 평가하는데에도 사용될 수 있습니다.

103,000

102,000

101,000

100,000

99,000

98,000

97,000

96,000

Sim01 (Static) Measured

Stat

ic P

ress

ure

(Pa)

EXH_PS1 EXH_PS3 EXH_PS5 EXH_PS7

^ 정적 조건(위)과 측풍(아래)시 시뮬레이션에 의해 예측된 시험실 내에서의 유체 유동. 이것은 엔지니어가 실제 조건의 시험실을 더 잘 이해할 수 있게 함으로써 제트 엔진의 정비를 돕습니다.

^ 시뮬레이션을 통해 얻은 추력 증가 튜브 내부의 압력과 측정된 값이 상당히 일치하고 있습니다.

Efficient and High-Performance Flow Path Development ansys.com/flowpath


AEROSPACE AND DEFENSE

무인항공기(UAV, Unmanned Aerial Vehicles)가 완수해야 하는 임무는 점점 더 다양

해지고 있습니다. 가령, 해양 감시와 같은 임무를 수행하기 위해 광활한 수역을 비행하는 것도 이러한 임무에 포함됩니다.

무인항공기의 크기와 적재량에 따라, 항공기가 수면에 착륙해야 하는 비상 상황이 발생

하면 수 천 혹은 수백 만 달러의 비용이 드는 기체 손상이 발생할 수도 있고 나아가 모든 시스템을 잃게 될 수도 있습니다. 예를 들어 무인항공기 동체가 빠른 속도로 물에 부딪히면 동체는 일시적으로 큰 압력 하중을 받게 됩니다. 물이 가지고 있는 고유의 특성(동적 부력

과 압축성) 때문에 무인항공기가 수면 위를 구를 수도 있습니다. 이렇게 되면 기체가 고장이 나거나 심지어 파괴되기도 합니다. 그러므로 무인항공기

가 불시에 수상 착륙하더라도 이러한 상황을 피할 수 있도록 하는 것이 무인

항공기 설계에 있어서 중요한 고려사항입니다. 하지만 새로운 무인항공기를 개발할 때, 성능 검증을 위한 물리적인 비

행 시험을 수행하는 것은 현실성이 없는 일입니다. 왜냐하면 시제품을 만들고, 영공 사용을 승인 받고, 항공기의 다양한 장치들과 비상 착륙할 바다의 상황과 환경을 이해하고 모사하

기 위해서 엄청난 시간과 비용이 필요하기 때문입니다. 막대한 시간과 비용이 소요되는 비행 시험의 실질적인 대안으로 수상 착륙 과정을 시뮬레이션하는 것은, 엔지니어가 다상(공기와 물) 유동, 물의 압축성, 충격 하중을 포착하

기 위해 매우 조밀한 시간 간격(time step) 등을 고려해야 하기 때문에 쉽지 않은 일입니다.

고요한 착륙무인항공기가 수상 착륙하는 것을 포함하여 실제의 항공기를 이용하여 물리적인

비행 시험을 실시하는 것은 엄청난 비용이 소요됩니다. 시뮬레이션은 다상

(Multiphase) 유동과 물의 압축, 작은 계산 시간 간격(Time Step)과 같이

기술적으로 어려운 문제들을 포함하는 수상 착륙 상황을 해석하여 물리적인

시험에 소요되는 많은 시간과 비용을 절감하였습니다.

작성자: Keen Ian Chan 싱가폴 소재 싱가폴 기술 항공 수석기술자

52 ANSYS ADVANTAGE ISSUE 2 | 2016

^엔지니어들은 유동 영역을 두 부분으로 분리함으로써 해석에 필요한 계산 간격의 수를 줄일 수 있었습니다.


의 (IOT) 사물인터넷 Chip ClariPhy 엔지니어들은 Package 근간 Noise ANSYS · PDF...

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