Forum | 시뮬레이션을 활용한 설계 최적화
설계자가 직면하는 주요 문제들은 무엇이며, 시뮬레이션이 이를 해결하는 데 어떻게 효과적인 도구가 될 수 있는지 2가지 개선 사례를 통해 살펴보실 수 있습니다.
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시뮬레이션을활용한설계최적화 - 개발초기 단계에서의 시뮬레이션활용
황보원/SCK Manager | Bill.hwang@sckcorp.co.kr
Agenda
1 시뮬레이션-효율적인 도구
시뮬레이션 활용 -지그 설계2
4
3 시뮬레이션 활용 -냉각 성능
Q&A
설계자가직면한문제
설계자가직면한문제 해결방안
최적의설계안찾기 • 가장튼튼한설계 • 가장가벼운설계 • 가장값싼설계
“선택의문제”
설계자가직면한문제 해결방안
“가장효과적인방법”
“SIMULATIO N”
효과적인도구 Simulation 종류
구조해석( S tructure ana lys is )
정적(Static)해석 동적(Dynamic)해석
선형(Linear) 비선형(Non-Linear)
좌굴해석 열전달
유동해석( C FD )
MBD주파수응답 랜덤응답 과도응답
사출해석
기타
Explict
범용
피로 최적화 프로세스자동화, 위상최적화, Generative Design
모달해석
효과적인도구 Simulation 종류
구조해석( S tructure ana lys is )
정적(Static)해석 동적(Dynamic)해석
선형(Linear) 비선형(Non-Linear)
좌굴해석 열전달
유동해석( C FD )
MBD주파수응답 랜덤응답 과도응답
사출해석
기타
Explict
범용
피로 최적화 프로세스자동화, 위상최적화, Generative Design
모달해석
시뮬레이션활용 • 지그 설계
• 캠핑용 미니빔냉각 성능
적용사례
지그 ▪ 제한조건
▪ 재질선정
▪ 위상 최적화
▪ Generative Design
캠핑용미니빔 ▪ 부품 배치
▪ 모델링
▪ 자연대류
▪ 강제대류
▪ 최적안선정
지그 설계
2-1. 지그설계 시험용지그
지그 설계최적화
o 제품이나부품을장착하여시험
o 진동/충격시험
o 기존재질 Mg alloy(고가) 변경
요구 조건
o 체결부파손없을것
o 최소고유진동수 1000hz 이상
o 지그무게 20Kg 이하
기존 방식
o 경험에의존(기존설계변형)
o 튼튼하게 만들고시험장비용량확대
기존
신규
2-1. 지그설계 지그설계프로세스
기본 설계
o 설계과정중형상확정까지
o 형상설계→ 시뮬레이션→ 설계확정
o 성능우선
o 최적화를통해최적형상도출
상세 설계
o 제작비용
o 사용편의성
o 관리편의성
NO OK?
Jig Spec. 검토
기본 설계
제작
시험
완료
OK?
시뮬레이션
YES
NO
YES
수정
상세설계
2-1. 지그설계 파라메터탐색
프로세스자동화
o 기본크기
o 체결부위치
o 피처파라메터선정
o 파라메터 변경에따른결과
o 최적 파라메터형상검토 기본 형상
Parameter 1 Parameter 3Parameter 2
2-1. 지그설계 최적값선정
P1 P2
30 60 90 120
30 1070 20.73
1040 20.0
4
884 18.9
0
1070 20.73
60 1090 20.0
4
1058 19.3
5
905 18.21
738 17.14
90 1094 18.9
0
1086 18.21
929 17.06
754 15.99
120 916
17.29 930
16.61 948
15.46 767
14.39
P1 P2
30 60 90 120
30 1147 24.0
3
1132 23.34
1087 22.19
880 20.61
60 1166 23.34
1150 22.65
1104 21.51
893 19.92
90 1190 22.19
1177 21.51
1131 20.3
6
910 18.78
120 1143 20.5
9
1159 19.9
0
1156 18.76
918 17.17
P1 P2
30 60 90 120
30 1196 24.66
1178 25.35
1154 24.20
1084 22.62
60 1204 25.35
1196 24.66
1171 23.52
1101 21.93
90 1229 24.20
1219 23.52
1196 22.37
1124 20.79
120 1211
22.60 1230 21.91
1216 20.77
1140 19.18
Top Square Size : 40 Top Square Size : 80 Top Square Size : 120
2-1. 지그설계 상세설계
상세 설계
o 최적 파라메터 선정
o 상세 설계 추가
o 최종 검토
o 설계확정및제작 기본 형상 최적 값
상세 설계 검토
프로세스 자동화
상세설계
검증
2-1. 지그설계 위상 최적화
위상 최적화
o 하중에대한 응답
o 체적을 제거 하면서 형상 탐색
o 하나의결과도출
o Mesh Output
o 제조 방식고려 X
2-1. 지그설계 위상 최적화
기본 형상 고정 조건 하중 조건 영역유지
대칭평면 목표 메쉬
쉐이프 생성
생성
2-1. 지그설계 위상 최적화
위상 최적화
o 체적을 제거 하면서 반복 해석
o 목표 값에 달성할때 중지
o 최종형상 Mesh 출력
o Mesh를 CAD 모델로변경필요
o 제조를고려하여형상특성반영재설계 기본설계 경계조건
최적화결과 CAD 모델전환
2-1. 지그설계 Generative Design
Generative Design(생성형설계)
o 다양한복합조건
o 형상을추가/제거하면서탐색
o 여러개의결과
o CAD 모델출력
o 제조방식고려
2-1. 지그설계 Generative Design
유지형상 장애물형상 시작 형상 경계조건
대칭 목표 제조방식 생성
2-1. 지그설계 Generative Design 방법
Generative Design(생성형설계)
o 다양한결과
o 제조반영시결과수감소
o 최적설계 CAD 파일출력
결과
2-1. 구조설계 검토결과
고려사항
o 성능
o 가격
o 납기
o 운용성
o 유지보수
최적 설계안성능검토
o 고유진동수 1253Hz
o 무게 19.09Kg
o 재질 : 알루미늄합금
파라메터 스터디 위상최적화 Generative Design
2-1. 지그설계 결론
제작
o 재질 : 알루미늄합금
o 무게 : 19.9Kg
최종 제작품
o 고유진동수 1117Hz(해석결과 1253Hz)
결과
o 비용절감
o 사전 시뮬레이션을 통하검증으로개발기간단축
o T0에개발완료
상세 설계
제작 및 검토
빔냉각성능
2-2. 전자제품냉각 개요
목적
o 미니 빔개발(냉각성능)
목표
o LED 모듈 온도
o Chip 온도
o 최적냉각방법
2-2. 전자제품냉각 워크플로우
냉각 성능검토
o 부품배치(기구물, PCB, 광학계, 배터리)
o 자연대류, 강제대류
o 축류팬(Axial Type), 원심팬(Blower Type)
o 공기흐름조정
검토 방법
o CFD 활용
o 시험
모델 분석
기본설계모델
냉각 방식
FAN Type/위치
유로 최적화
시제품 제작 및 테스트
2-2. 전자제품냉각 해석모델
3D 모델
o 단순화 > 해석 시간감소
o 다양한 Case에대한검토필요
o 부품 배치에 따른 공기 유동장 변화
해석용모델
o 해석에고려되는부품수최소화
o 형상단순화를통한요소개수조정
o 벤트형상수정
o 팬형상단순화
레이아웃
InletInletInlet
Inlet Inlet
outle t
outle t
outle t
Inlet
Inlet Inlet
2-2. 전자제품냉각 해석조건
주요 변수
o 냉각핀
o 벤트
o Fan
열원
o LED 모듈발열
o Main Chip(Driver) 발열
o 그외발열부는무시
냉각핀 LED 발열부
광원 최대소비전력
[W] 열변환효율 평균사용량
열발생량[W ]
R 3.1 0.8 0.3 0.744 G 6.5 0.8 0.3 1.56 B 6.5 0.8 0.3 1.56
Main Chip 1.5 - - 1.0
LED R
LED GLED B
2-2. 전자제품냉각 냉각방식-자연대류
냉각 방법
o 자연대류벤트+냉각 Fin
o 냉각 핀크기조정
o 벤트위치및크기
해석 방법
o 자연대류를위해가변공기밀도
o 냉각핀사이요소개수추가
o 벤트모델링
o 열전달포함
냉각핀크기변경
벤트위치/크기
벤트 위치 그림2벤트 위치 그림1
Fin RG Fin
RG
F in
B
F in
B
2-2. 전자제품냉각 냉각방식-자연대류
해석 결과
o 하면유입공기는측면으로배출
o 측면유입공기는일부상면으로배출
o LED 부근최대온도 : 206°C
o 충분하지못한냉각성능
o PCB 의유동방해
검토 결과
o 자연대류로는목표성능어려움
o CASE 상면벤트 Hole 위험성
o PCB 위치변경필요
온도및속도
Inlet 별영향
사이드 면 Stream line 위치
하면 Stream line
속도 분포
2-2. 전자제품냉각 냉각방식- 강제대류
강제대류냉각
o Fan Type → Axial/Blower
o Fan 용량→ 소비전력및진동
o Fan 위치→ 유동경로
해석 방법
o Fan 모델사용
o 열전달 포함
Blower Fan 적용 변형Axial Fan 적용 모델
2-2. 전자제품냉각 냉각방식- 강제대류
Fan 모델링
o 해석용 Fan → 수학적모델
o Fan 입구/출구
o 유량에따른압력차→ Fan 성능곡선
FE 모델
2-2. 전자제품냉각 냉각방식- 강제대류
Axial Fan 적용
o 입출구 Vent 크기및위치변경
o Fan 두께고려모델선정
o Fan 유량변경
검토 결과
o LED 부근최대온도: 126°C
o 유동장 : 후면공기유입적음
o 입출구유량
o Axial Fan 사용시냉각성능만족
온도및속도
Inlet 별영향
2-2. 전자제품냉각 냉각방식- 강제대류
Blower Fan 적용
o 입출구 Vent 크기및위치변경
o Fan 두께고려모델선정
o Fan 유량변경
검토 결과
o LED 부근최대온도: 93°C
o 유동장 : 후면공기유입적음
o 입출구유량 :
o Blower Fan 사용시냉각 성능만족
온도및속도
Inlet 별영향
2-2. 전자제품냉각 최적안선정
냉각 효율최적화
o 다양한 Case에대한검토
o Fan Type → Blower
o Fan 위치최적화
o Inlet, Outlet 위치최적화
o 에어 가이드위치최적화
o Main chip 냉각핀 추가
최적조건
2-2. 전자제품냉각 결론
개발 초기 단계냉각 성능확보
o 부품배치에따른냉각영향
o Vent 위치및크기에따른냉각영향파악
o FAN 종류및위치에따른냉각영향파악
o 예상온도분포확인
o Main Chip 냉각핀추가
시제품
o 제작후측정을 통한 결과 확인
o 해석과시험과의차이
반영사항
나사조이는데 $1
조여야할나사찾는데 $9999
Q&A
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Inventor Professional
Inventor Nastran
Inventor CAM
Inventor Nesting
Inventor Tolerance Analysis
Factory Design Utilities
One AutoCAD
Navisworks Manage
3ds Max
Fusion 360
ReCap Pro
Autodesk Drive
Autodesk Rendering
Vault Basic
AutoCAD AutoCAD Mechanical
AutoCAD Architecture
AutoCAD Electrical
AutoCAD MEP
AutoCAD Raster Design
AutoCAD Map 3D
AutoCAD Plant 3D
Presentation 슬라이드 1: 시뮬레이션을 활용한 설계 최적화 슬라이드 2: Agenda 슬라이드 3: 설계자가 직면한 문제 슬라이드 4: 설계자가 직면한 문제 슬라이드 5: 설계자가 직면한 문제 슬라이드 6: 효과적인 도구 슬라이드 7: 효과적인 도구 슬라이드 8: 시뮬레이션 활용 슬라이드 9: 적용사례 슬라이드 10: 지그 설계 슬라이드 11: 2-1. 지그 설계 슬라이드 12: 2-1. 지그 설계 슬라이드 13: 2-1. 지그 설계 슬라이드 14: 2-1. 지그 설계 슬라이드 15: 2-1. 지그 설계 슬라이드 16: 2-1. 지그 설계 슬라이드 17: 2-1. 지그 설계 슬라이드 18: 2-1. 지그 설계 슬라이드 19: 2-1. 지그 설계 슬라이드 20: 2-1. 지그 설계 슬라이드 21: 2-1. 지그 설계 슬라이드 22: 2-1. 구조 설계 슬라이드 23: 2-1. 지그 설계 슬라이드 24: 빔 냉각 성능 슬라이드 25: 2-2. 전자제품 냉각 슬라이드 26: 2-2. 전자제품 냉각 슬라이드 27: 2-2. 전자제품 냉각 슬라이드 28: 2-2. 전자제품 냉각 슬라이드 29: 2-2. 전자제품 냉각 슬라이드 30: 2-2. 전자제품 냉각 슬라이드 31: 2-2. 전자제품 냉각 슬라이드 32: 2-2. 전자제품 냉각 슬라이드 33: 2-2. 전자제품 냉각 슬라이드 34: 2-2. 전자제품 냉각 슬라이드 35: 2-2. 전자제품 냉각 슬라이드 36: 2-2. 전자제품 냉각 슬라이드 37 슬라이드 38 슬라이드 39: Q&A 슬라이드 40 슬라이드 41