[공학저널 전찬민 기자] 공기와 우주선은 매우 빠른 속도로 이동하며 대기권 밖의 우주로까지 진출하게 되는 만큼, 공기의 유동, 마찰에 의한 열, 진동 등 다양한 하중 조건들을 견뎌낼 수 있어야 하는 것이 매우 중요 하다.
이로 인해 우주, 항공공학 분야는 재질이나 임의의 항공기와 우주선 등의 형상을 결정할 수 있는 최적 설계 기법들과 연계되는 연구가 많이 진행되고 있다. 또한, 실제로 시험 평가를 수행하기에 많은 제약이 존재하기 때문에 항공기, 우주선 등이 운용되는 실제 환경을 모사하는 방법과 수치해석 모델로서의 접근이 필수적이라 할 수 있다.
수치해석 모델로서의 접근 방법 중 하나인 구조해석은 기계와 기계구조물의 하중 조건에 대한 변형, 강도 등의 특성들을 수학적으로 모델링해 계산하는 것이다. 항공기와 우주선에는 민감한 통신 장비와 다양한 센서들이 적용되기 때문에 충격하중과 진동에 대한 구조적 안전성 확보 여부를 필수로 확인해야만 하며, 이를 구조해석을 통해 예측할 수 있다.
즉, 설계하려는 기계구조물의 구조적 특성을 엔지니어가 확인할 수 있도록 관련 자료를 제공하고, 하중이 가해지는 환경에서 기계구조물이 안전한지, 그렇지 않다면 설계적으로 어떻게 보완해야 하는지를 판단할 수 있도록 해준다.
특히, 항공기와 우주선에 적용되는 센서들과 반도체는 공진이 일어날 수 있는 환경을 피해 설계가 이뤄져야 하며, 이에 대한 설계가 미흡할 경우 천문학적인 금액의 물질적 피해와 나아가서는 심각한 인명피해까지 야기할 수 있다. 그렇기 때문에 우주, 항공공학 분야에서 구조해석을 바탕으로 한 예측과 검증은 점차 더 중요해지고 있는 시점이다.
이에 따라 구조, 열, 유동 등의 사용자가 원하는 다양한 해석을 수행할 수 있고, 특히 프로그램 자체적인 구조와 유체 솔버(Solver)를 통한 연성(Coupling) 해석에 강점을 가지고 있는 다분야 통합 해석 프로그램 ADINA(Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis)가 주목을 받고 있다.
ADINA는 자체 구조 솔버를 바탕으로 ‘Contact’이라는 접촉 조건이 함께 고려되는 구조 비선형 해석 응답을 높은 신뢰성으로 사용자에게 제공한다. 이는 결과적으로 하나의 프로그램 내에서 열-구조 연성 해석(TMC), 유체-구조 연성 해석(FSI), 열-유체-구조 연성 해석(TFSI)을 정확하고, 쉽게 수행할 수 있도록 하고 있다.
또한, AUI(ADINA User Interface)라는 강력한 그래픽 사용자 환경을 제공해 수치해석 수행에 필요한 모든 전처리(Pre-processing)와 후처리(Post-processing) 작업을 Drag and Drop을 통한 모듈 변경만으로 추가적인 프로그램의 구동 없이도 가능하게 해준다. 이와 함께 다양한 물성(Material properties) 모델과 수치해석 모델을 제공해 사용자로 하여금 해석을 보다 수월하게 수행할 수 있도록 해준다.
ADINA의 연성 해석 기능을 활용한 대표적인 해석 사례로는 냉장고 컴프레서에 대한 유체-구조 연성 해석과 판형 열교환기에 대한 열-유체-구조 연성 해석 등이 있다. 이와 같은 사례들은 유체와 열에 의한 구조물의 변형과 응력을 확인함과 동시에 만약 변형이 발생했다면, 제품들의 시간이력에 따른 구동에서 어떠한 영향이 추가로 발생할 수 있는지를 예측한 것이다.
연성 해석 기술로서 주목받고 있는 Two-way 연성 해석은 사용자가 각각 따로 설정한 유동해석 모델과 구조해석 모델의 격자(Mesh)를 바탕으로 유동해석에서 도출된 결과를 경계조건으로 구조해석에 적용하고, 다시 구조해석에서 도출된 결과를 유동해석의 경계조건으로 적용해 해석을 수행함으로써 시간이력에 따른 양방향 연계가 가능한 것이 특징이다.
㈜에이블맥스 박정혁 대표이사(사진)는 “이는 ADINA에서도 지원하고 있는 기술로써 연성 해석 기술의 발전은 기존의 결과들에 대한 각 해석을 따로 수행해야 하는 번거로움을 덜 수 있도록 했으며, 복합적인 하중 환경에 대한 해석 결과의 신뢰성을 향상시켰다”며 “연성 해석은 민감한 기계구조물이나 복합재료, 구조물의 형상에 크게 영향을 받는 유동 현상 해석 등에서 주목받고 있으며, 그 필요성이 점차 증가하고 있다”고 말했다.
엔지니어링 기술지원을 통해 기술사업 성장에 기여하고자 설립된 에이블맥스는 ‘엔지니어링 토탈 솔루션’이라는 캐치프레이즈를 목표 아래 최상의 엔지니어링 서비스를 제공하고자 노력 중이다. 이러한 기업의 목표에 부합하는 프로그램인 ADINA는 여러 해석을 수행할 수 있는 다분야 통합 해석 프로그램인 만큼, 에이블맥스의 각 분야 CAE와 ICT 엔지니어들의 풍부한 경험을 바탕으로 엔지니어링 솔루션 혁신을 이어나가고 있다.
박 대표는 “에이블맥스는 우주 항공 분야뿐 아니라 다방면에서 공학적 해석에 최상의 서비스를 제공할 수 있도록 준비돼 있으며 최근 신사업으로 떠오르는 수소사회 준비를 위한 다양한 요구에 적극 참여해 관련 업계와 협업을 통해 통합솔루션의 일원으로 자리매김하고 있다”며 “뿐만 아니라 디지털트윈 기술을 접목할 수 있는 iTwin, Context Capture, Microstation과 같은 벤틀리시스템즈의 툴을 활용해 가시성을 향상하고 고객의 가치를 높일 수 있는 서비스를 제공하기 위해 노력할 예정”이라고 말했다.
