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Simulationx를 이용한 기계, 유체, 전기 통합 시스템 모델링 및 해석 Simulationx, Multi-Domain Simulation and Modeling Tool for the Design, Analysis, and Optimization of Complex Systems

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Simulationx를 이용한 기계, 유체, 전기 통합 시스템 모델링 및 해석 Simulationx, Multi-Domain Simulation and Modeling Tool for the Design, Analysis, and Optimization of Complex Systems 기술해설 SimulationX를 이용한 기계, 유체, 전기 통합 시스템 모델링 및 해석 SimulationX, Multi-domain Simulation and Modeling tool for the Design, Analysis, and Optimization of Complex systems 윤영환, 장주섭 Y. H. Yoon and J. S. Jang 1. 서 론 SimulationX의 사용상 장점은 다음과 같다. 1) 각기 다른 분야의 엔지니어들이 각자의 방식대 컴퓨터의 성능 발달로 인하여 이것을 활용한 시 로 부품이나 시스템을 모델링 할 수 있고, 이를 뮬레이션의 활용도가 높아지고 있고, 그 결과 복잡 서로 공유함으로써 복합적인 시스템 전체의 해 한 시스템을 실제 시스템처럼 모사가 가능하다. 이 석을 가능하게 하여 Multi-Domain Simulation 러한 CAE(Computer Aided Engineering) 기술 활 S/W라고 한다. 용은 비용 절감 및 개발 기간의 단축이라는 점에서 2) 상호 작용 및 피드백을 포함하는 다양한 도메 매우 중요하며, 현재 많은 제품 개발에 해석 기술이 인 부품들의 상호 작용을 모델링 할 수 있다. 활용되고 있다.1-4) 3) 시스템 개발에 있어서 공통적인 모델링 및 해 SimulationX는 독일의 드레스덴(Dresden)에 본사 석 환경을 이용함으로써 모든 관계자들 간 상 를 두고 있는 ITI GmbH에서 개발한 Multi-Domain 호 이해의 기반을 다질 수 있다. 시뮬레이션 프로그램으로서, 어떤 시스템을 구성하 4) 시제품(prototype) 제작 및 테스트 기간을 단축 고 있는 부품들의 상호 작용을 해석하고 평가할 수 하고 개발 비용을 절감할 수 있다. 있는 대표적인 소프트웨어(Software, S/W)이다. 5) 실제로 측정이 어렵거나 불가능한 모델에 대한 SimulationX를 가장 많이 시용하는 업체로는 유 관찰이 가능하여 시스템 전반에 대한 이해도를 럽의 BMW, Benz와 같은 자동차산업의 선두그룹으 높여 준다. 로 독일 자동차 회사들이 왜 세계 최고의 제품을 SimulationX의 조작 화면(GUI)은 그림 1과 같이 만드는지 알 수 있을 정도로 잘 만들어진 S/W이다. 왼쪽의 각종 물리적인 모델을 포함하고 있는 라이 SimulationX는 이미 라이브러리 화 되어있는 기 브러리, 오른쪽 위에 이러한 모델들을 배치하고 서 계(1D mechanics, 3D multi-body systems), 유압 로 연결하여 시스템 전체의 회로도를 작성하는 (Hydraulics), 공압(Pneumatics), 제어(Controls), 전 Model view외 각 모델의 물리적 특성 파라미터의 기, 전자(Electric, Electronics), 자장(Magnetics), 파 표시 및 조정, 해석과 관련된 사항을 조정하는 워트레인(Power transmission 1D, 3D), 전기 기계 Model explorer로 구성되어 있다. (Electro-mechanical), 열(Thermals), 열 유체 3D Multi-body 모델을 작성할 경우에도 마찬가 (Thermal-Fluid) 등을 포함하는 복합적인 시스템의 지로 해당 모델 요소(Model elements)를 선택하여 물리적 작용을 모델링, 해석 및 분석을 할 수 있는 서로 연결하고, 각각의 물리적 특성을 입력한 후에 종합적인 설계 도구(CAE Tool)이다. 해석을 수행한다. 시스템 해석은 기본적으로 시간 여기서 Multi-Domain Simulation S/W란 기계(직 영역(Time domain) 해석이지만, 주파수 영역 선, 회전 운동), 유체, 전기, 열을 통합하여 해석할 (Frequency domain) 해석, 안정성(Pole Zero) 해석, 수 있는 것을 의미한다. 즉 다른 Physical domain에 공진 주파수 및 모드 해석(Natural frequencies & 있는 시스템을 통합하여 해석할 수 있다. Mode shapes analysis), 시스템의 특성 검토를 위해 해석에 이용되는 모델들은 물리적인 실용성이 검 서 주파수 응답함수(Frequency response function) 증된 것으로서 도식적이며 대화 형식으로 사용할 를 얻기 위한 인/아웃 해석(Input-Output analysis), 수 있게 되어 있어 엔지니어들에게는 아주 직관적 시간에 따라 회전수가 변하는 시스템의 소음, 진동 인 작업 방식이므로 쉽게 필요한 요소를 적당한 수 신호를 분석하는 오더분석(Order analysis)등의 다 량만큼 배치하여 모델링 할 수 있다. 양한 해석과 해석 결과를 파형이나 그래프로 볼 수 56 유공압시스템학회지 제9권 제1호 2012. 3 기술해설 가 있으며, 해석 데이터의 후처리(Post processing) 1) Signal Block & Signal Processing : 신호처리 가 아주 편리하다 및 제어시스템 설계 관련 모델링 2) Mechanics(MBS) : 선형, 회전운동 및 기구 관 련 (Linear, Rotational, Multi Body System) 모 델링 3) Power Transmission 1D, 3D : 엔진 및 트랜스 미션 관련 모델링 4) Electronics, Electro-Mechanical, Magnetics : 전기, 전자 및 아날로그 소자, 각종 모터, 컨버 터, 인버터, 자기 소자 관련 모델링 5) Hydraulics, Pneumatics : 유압 및 공압 외 가스 혼합(Gas mixture) 모델링 6) Thermals, Thermal-Fluid : 열 및 열 유체 시스 템 모델링 그림 1 SimulationX 조작 화면 7) ITI Subsea Library : Subsea 관련 모델링 8) Code Export : C, Simulink, LabVIEW, Function 2. 라이브러리 구성 mockup을 위한 Code generation 기능 9) Interface : Pro/E, SolidWorks, Inventor 등 SimulationX는 그림 2에서와 같이 각기 다른 분 CAD S/W 외 ANSYS, Simulink등의 Interface 야의 부품이나 시스템을 모델링 할 수 있는 환경 제공 Multi-Domain Simulation S/W로 물리적 모델링의 10) TVA Package : Torsional Vibration Analysis 최소 단위를 “Model Elements”라고 하며, 모델 요 를 위한 Special library 제공 소에는 질량(mass), 스프링(spring) 등의 일반적인 이외에 SimulationX에서 제공되지 않는 물리적 물리적 요소에서부터 파라미터, 알고리즘, 방정식, 모델은 라이브러리의 모델 요소를 바탕으로 또는 컴포넌트(component)등도 포함되어 있어 사용자는 모델리카(Modelica) 언어를 병용해서 타입 디자이 Drag & drop으로 쉽게 사용이 가능하다. 너(Type designer)를 이용하여 만들거나 확장시킬 그림 2에서와 같이 다른 Physical domain의 물리 수가 있다. 량도 같은 Grade로 분류하여 모델링 및 Solving할 엔지니어링 S/W 사용자들이 중요하게 생각하는 수 있다. 단, 모델 상태에 물리적으로 분리되어 있 몇 가지 분야를 각 소프트웨어 별로 각각에 대하여 어야 한다. 즉 기계시스템에 물리적인 분리 없이 바 세부적으로 설명하면 다음과 같다. 로 전기시스템이 연결되지 않는다. 이런 문제는 모 델링 할 때 S/W가 사전에 Sub-model간 연결을 방 2.1 유공압 분야 지하기 때문에 사용자는 고민하지 않아도 된다. SimulationX는 유체역학적인 부품과 시스템의 동 적 특성을 분석하고 최적화 하는데 아주 적합하다. 카탈로그(catalog)나 사양을 모델에 반영하기 위한 다양한 요소를 제공하고 있어 유공압 회로도를 구 성함에 있어서 효율적이고 빠른 모델 작성이 가능 하다. 유공압 라이브러리의 모델들은 유체역학적인 부품의 비선형적인 특성까지 고려하고 있다. 압력과 온도에 의존하는 유체의 특성, 밸브의 비선형 동특 성과 유동 특성, 액추에이터의 기계적인 효율, 실린 더의 복잡한 마찰과 엔드 스톱(End stop) 모델, 어 큐뮬레이터의 실제적인 가스 특성 등이 내장되어 그림 2 SimulationX 라이브러리 구성 있다. 유공압시스템학회지 제9권 제1호 2012. 3 57 기술해설 그림 3은 유압 라이브러리와 비례제밸브의 엘리 먼트를 보여주고 있다. 그림 4 파워트레인 모델링 사례 2.3 인터페이스(Interface) SimulationX는 그림 5와 같이 CAD외에도 다양한 엔지니어링 S/W와의 인터페이스가 가능하다. 그림 5 SimulationX interface 1) CAD 인터페이스 3D Multi body system의 모델 작성을 위하여 CAD 데이터를 Import 할 수 있다. Pro/Engineer, SolidWorks, Inventor의 데이터는 그 어셈블리 전체 그림 3 유압 밸브의 라이브러리 를 한꺼번에 Import 할 수가 있으며, 다른 CAD 데 이터의 경우에는 하나씩 STL 파일로 Import하여 2.2 자동차 및 건설기계 분야 모델을 작성할 수 있다. SimulationX는 승용차, 트럭 및 건설기계와 같은 2) MATLAB/Simulink Mobile hydraulic 같은 분야의 기계 부품 및 시스템 어떤 어플리케이션에서는 시스템의 일부를 외부 개발에 널리 사용되고 있다. 가장 널리 사용되는 분 의 다른 시뮬레이션 툴에서 실행하는 것이 유리한 야는 시스템 및 기계 부품의 동적 특성 해석을 통 경우 또는 SimulationX에서 제공되지 않는 분야를 한 진동현상 연구와 최적화 설계이다. 이미 검증된 포함하고 있는 경우, SimulationX는 외부의 시뮬레 SimulationX의 모델들은 아래의 분야에 초점을 맞 이션 툴과 Co-simulation을 하기 위하여 별도의 모 추어 라이브러리를 제공하고 있다. 그림 4는 파워트 델 오브젝트를 제공한다. 그림 6과 같이 S-function 레인 모델링 사례를 보여주고 있다. 에 의한 Co-simulation과 C-code 인터페이스가 있 1) Powertrain/Transmission & Clutch system 다. Simulink의 S-function 기능을 이용하여 TCP／ 2) Actuation system & Gearbox system design IP통신으로 SimulationX와 Co-simulation이 가능하 3) Lubrication & Engine Modeling 다. 또한 SimulationX의 C-code를 Export/import 4) Air Conditioning & Engine Cooling 기능으로 Simulink가 읽어 들일 수 있는 C-code 58 유공압시스템학회지 제9권 제1호 2012. 3 기술해설 (SimulationX에서 작성한 Function）를 작성하여 실행할 수 있다. 반대로 Simulink에서 작성한 C-code를 읽어서 SimulationX에서도 실행시킬 수 가 있다. 보다 더 빠른 연산처리를 원하면 C-code 의 Export/import 기능이 더 유리하다. 그림 7 SimulationX의 Analysis 기능 시스템의 특성파악을 위해 고유진동수 및 구조물 의 모드형태(Mode shape)등 시스템 거동(behavior) 을 분석하기 위한 방법을 제시한다. 오더분석은 시간에 따라 회전수가 변하는 시스템 의 소음, 진동 신호를 분석하는 것으로 오더(Order) 는 회전수의 Normalization으로 정의한다. 사용자가 원하는 물리량의 차수 별 공진주파수를 회피할 수 있는 설계 변수 도출에 활용할 수 있다. 엔진 회 그림 6 Simulink interface 개념도 전수에 따라서 진동주파수가 달라지는 회전체에서 는 주파수 분석(Frequency analysis)방법을 사용하 3) ADAMS interface 는 경우, 엔진 회전수(입력회전수)에 따라서 진동주 기존의 기구학 분야의 해석에 사용하는 ADAMS 파수가 수시로 변하게 된다. 따라서 주파수분석 방 모델과 SimulationX를 인터페이스 하기 위해 식으로는 진동의 원인을 찾고 문제점을 해결하는 SimulationX의 COM 인터페이스 기능을 이용하여 데 한계가 있다. 회전수가 수시로 바뀌어 진동주파 구현한다. 각 프로그램 간은 노드의 변위, 회전량 수가 변하는 진동시스템에서 주파수가 변하는 원인 등을 서로 주고받는다. SimulationX가 작성한 토크 이 되는 입력 회전수(1차 order)로 회전수와 연동된 모델 및 제어량을(모터, 엔진, 유압 등)를 ADAMS에 진동성분들을 무차원화 시키는 개념이 오더분석 방 보내고 ADAMS가 작성한 변위량을 SimulationX로 법이다. 입력회전수를 상시 측정하여 입력회전수는 피드백 등 해석 모델상의 모든 물리량을 주고받을 1차 오더로, 입력회전수와 연동된 진동을 오더성분 수 있다. 으로 표시하게 되면, 입력회전수에 상관없이 입력회 전수와 연동된 성분은 항상 일정한 오더성분으로 4) Hardware-in-the-Loop 나타낼 수 있다. (예로 발란싱 진동은 항시 1차 오 NI, dSPACE, Cosateq 등과 같은 공급자들과 긴 더성분으로 표현됨) 이러한 오더성분으로 자동차와 밀한 협조로 시스템의 Real-Time Prototyping을 위 같이 수시로 회전수가 변하는 진동시스템에서 기어 한 완벽하고도 유연한 PC 기반 솔루션을 제공한다. 진동, 베어링 진동 등의 원인을 분석할 수 있다. 오더분석은 구동계 시스템(driver system)등 에너 3. SimulationX의 특징 지 전달계에 대한 주파수 해석의 한 방법으로 Analysis process는 T시간 동안 시간영역에서 해석 3.1 Analysis4 기능 을 수행한 후 FFT(Fast Fourier Transform)를 통 SimulationX의 해석기능에는 그림 7과 같이 해 주파수영역으로 옮겨 분석한다. 그림 8은 오더 NVH(Noise, Vibration, Harshness) 분석에 활용할 분석의 한 예로 Sonogram & waterfall diagram에 수 있는 주파수 분석 및 오더 분석 등의 다양한 분 서는 대상 물리량과 주파수 그래프에 차수성분을 석기법을 제공하고 있다. 사용자가 분석하기 편한 표현하여 쉽게 대상 물리량이 어떤 차수, 어떤 주파 기법 및 다이어그램(diagram)을 선정하여 분석에 수에서 공진이 일어나는 것을 알 수 있다. 즉 차수 활용하면 된다. 시간 영역 및 주파수 영역 분석 외 별 공진주파수 및 Analysis signal의 가중의 정도를 Analysis에서 제공하는 분석기법을 통해 사용자가 Sonogram & waterfall diagram으로 분석할 수 있 원하는 분석 방법을 통해 설계에 활용할 수 있다. 다. 2D view는 차수 별로 Analysis signal의 독립적 유공압시스템학회지 제9권 제1호 2012. 3 59 기술해설 인 그래프를 보여 준다.
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