컴퓨터 이용 공학

3. CAE 작업 흐름

컴퓨터 기술의 발달로 제품 설계 데이터를 컴퓨터 계산에 활용하고, 복잡한 형상의 성능을 예측하며, 최적 설계 조건을 찾는 것이 가능해졌다. 또한, 투자 및 리드 타임 단축을 위해 시제품 제작을 최소화해야 할 필요성이 높아졌다. 이러한 요구를 충족하기 위해 다양한 CAE 도구가 등장하여 설계 사전 검토에 활용되고 있다.^[4][5][6]

CAE 작업은 일반적으로 다음과 같은 단계를 거친다.

# 해석할 현상을 예측하고 해석 내용을 결정한다.

# 해석 조건을 정리한다.

# 필요한 데이터를 수집하고, CAD로 작성한다.

# 프리프로세서를 사용하여 해석용 데이터를 생성한다. (예: 계산 격자 생성)

# 솔버를 실행하여 시뮬레이션을 수행한다.

# 포스트 프로세서를 사용하여 결과를 분석한다.

해석 결과를 바탕으로 설계 타당성, 성능 시험, 최적 형상 및 조건을 검토하여 문제점을 파악한다. 필요에 따라 위 과정을 반복하여 목표 성능을 달성한다. 최종적으로 시제품을 통해 CAE 결과의 타당성을 확인하고 대량 생산에 착수한다. 경우에 따라 시제품 제작 없이 CAE 결과만으로 양산에 들어가기도 한다.^[4][5][6]

4. 해석 기법

대표적인 CAE 해석 기법은 다음과 같다.^[11]

• 유한 요소법^[12][13][14]
• 유한 차분법
• 경계 요소법^[15]

5. 주요 적용 분야

CAE는 다음과 같은 다양한 공학 분야에 적용된다.

• 유한 요소 분석(FEA)을 사용한 부품 및 어셈블리의 응력 해석
• 전산 유체 역학(CFD)을 이용한 열 및 유체 흐름 해석
• 다물체 동역학(MBD) 및 운동학
• 주조, 성형과 같은 공정 시뮬레이션을 위한 분석 도구
• 제품 또는 공정의 최적화

5. 1. 자동차 산업에서의 CAE

6. CAE와 EDA의 융합

최근 CAE 기업과 EDA(Electronic Design Automation, 전자 설계 자동화) 기업 간의 인수합병이 활발하게 이루어지고 있다. 2017년 지멘스는 멘토 그래픽스를 인수했고, 2024년에는 시놉시스가 ANSYS를 인수할 예정이다.^[18][20] 이러한 현상은 반도체 공정 미세화에 따른 수율 저하를 해결하기 위해 멀티칩 모듈이 보급되면서 나타났다. 멀티칩 모듈을 구성하는 칩렛에서 발생하는 다양한 물리적 현상 문제들을 해결하기 위해 CAE와 EDA를 통합하는 솔루션이 중요해졌기 때문이다.^[19][20] 대표적인 칩렛용 솔루션으로는 케이던스의 Cadence Integrity 3D-IC Platform^[21]과 시놉시스의 Synopsys 3DIC Compiler가 있다.^[19]

7. 주요 CAE 소프트웨어 제조사

CAE 소프트웨어 제조사들은 지속적인 인수합병을 통해 기술력을 강화하고 있다. 주요 제조사들은 다음과 같다:

• TOYOTA SYSTEMS: 주조 시뮬레이션 소프트웨어인 TopCAST를 개발, 판매한다.^[22]
• MSC Software^영어: 2015년 Simufact, 2016년 Software Cradle을 인수했다.^[23][24] 2017년 헥사곤에 인수되었으며, 헥사곤은 2020년 Romax Technology 및 CAEfatigue, 2021년 CADLM을 인수했다.
• 다쏘 시스템즈: 2005년 Simulia^영어 (Abaqus), 2006년 Dynasim, 2011년 Simulayt, 2013년 Safe Technology, SIMPOE, SFE, 2016년 CST, Next Limit Dynamics,^[26] 2017년 Exa Corporation, 2018년 Opera Simulation Software를 인수했다.
• ANSYS: 2003년 CFX, 2005년 Century Dynamics, 2006년 Fluent, 2008년 Ansoft, 2017년 3DSIM, 2018년 OPTIS, 2019년 DfR Solutions 및 Livermore Software Technology Corporation (LSTC), 2020년 Lumerical, 2021년 Zemax, 2022년 Motor Design Limited와 C&R Technologies를 인수했다.
• Autodesk: 2008년 Moldflow^영어, 2009년 Autodesk Simulation|label=ALGOR^영어, 2014년 Magestic Systems를 인수했다.^[27]
• 지멘스: 2007년 UGS (현 Siemens PLM Software^영어), 2011년 Vistagy^영어, 2012년 LMS International, 2016년 CD-adapco, 2017년 멘토 그래픽스 및 Infolytica, 2019년 MultiMechanics^영어를 인수했다.
• Altair Engineering: 2006년 MECALOG 및 AWE Communications, 2010년 SimLab, 2011년 ACUSIM Software, 2014년 EM Software & Systems, 2016년 CEDRAT, 2017년 Componeering, 2018년 FluiDyna 및 SIMSOLID, 2019년 Cambridge Collaborative (SEAM) 및 DEM Solutions, 2020년 newFASANT 및 S&WISE, 2021년 GE·에비에이션 (Flow Simulator) 및 S-FRAME Software^영어, 2022년 Gen3D, 2023년 OmniQuest를 인수했다.
• ESI Group^영어 (키사이트 테크놀로지스 자회사^[28][29]): 2011년 Efield, 2012년 OpenCFD, 2013년 CyDesign Labs, 2015년 PRESTO 및 Ciespace 자산,^[30] 2016년 ITI, 2017년 Scilab Enterprises를 인수했다.
• 케이던스 디자인 시스템즈: 2018년 NUMECA International^it (Flowkit 인수), 2021년 NUMECA International 및 Pointwise, 2022년 Future Facilities, 2024년 BETA CAE Systems를 인수했다.
• COMSOL Multiphysics|label=COMSOL^영어: 1986년 창업, 1998년 FEMLAB 출시, 2005년 COMSOL Multiphysics로 제품명을 변경했다.
• AMPS Technologies
• 주식회사 알라이드 엔지니어링: 1981년 창업. 구조 해석 소프트웨어 "ADVENTURECluster"를 개발. SCSK의 자회사.
• 주식회사 계산역학연구센터
• 주식회사 퀸트: 1985년 창업. 구조 최적 설계 소프트웨어 "OPTISHAPE" 등을 개발.
• 주식회사 첨단역학 시뮬레이션 연구소: 1999년 창업의 이화학연구소 벤처. 창업자는 마키노우치 아키타케.
• 어드밴스 소프트 주식회사
• 주식회사 과학기술연구소
• 무라타 소프트웨어 주식회사: 설계자용 CAE 소프트웨어 "Femtet"를 개발. 무라타 제작소의 자회사.
• 펑션 베이 주식회사
• 프로메텍 소프트웨어 주식회사: 2004년 창업의 동경대 발 벤처. 입자법 유체 해석 소프트웨어 "Particleworks" 및 분체 해석 소프트웨어 "Granuleworks"를 개발.
• 주식회사 JSOL: 전자기장 해석 소프트웨어 "JMAG"을 개발.
• 사이버넷 시스템: 후지소프트 주식회사의 완전 자회사

8. 주요 해석 종류

컴퓨터 이용 공학(CAE)을 통해 수행할 수 있는 주요 해석 종류는 다음과 같다.

금형 분야에도 CAE가 많이 적용되고 있다.

적층 조형(Additive Manufacturing) 용도로도 CAE가 활용되고 있다.

농업 분야에도 CAE의 응용이 시작되었다.

지구물리, 토목, 지하수류 분야에도 CAE가 적용되고 있다.

생명 공학, 의용 공학 분야에도 CAE가 적용되고 있다.

식품 분야에도 CAE가 적용되고 있다.

전기 통신 분야에도 CAE가 적용되고 있다.

무선 통신 분야에도 CAE가 적용되고 있다.

9. 주요 전/후처리 소프트웨어

CAE 해석을 위한 전처리(pre-processing) 및 후처리(post-processing) 소프트웨어는 다음과 같다.

• 유한 요소 해석용: Altair HyperMesh, 지멘스 Femap, MSC Patran, ANSA, CATIA FMS/FMD
• 유체 해석용: Pointwise, ANSA
• NVH 해석용: ANSA

10. 미래 전망

CAE는 설계 검증 및 분석 도구로서 중요한 역할을 해왔지만, 정확한 결과가 설계 주기의 상당히 늦은 시점에 나와서 실제로 설계를 주도하기에는 부족하다는 인식이 있었다.^[1] 이는 현대 제품이 더욱 복잡해짐에 따라 문제가 될 수 있는데, 스마트 시스템과 같이 제어 시스템을 포함한 다중 물리학 분석이 필요하고, 엔지니어들이 덜 익숙한 새로운 경량 재료가 사용되기 때문이다.

CAE 소프트웨어 회사와 제조업체는 이러한 상황을 개선하기 위해 끊임없이 도구와 프로세스를 개선하고 있다.^[1] 소프트웨어 측면에서는 더 강력한 솔버를 개발하고, 컴퓨터 리소스를 더 잘 활용하며, 전처리 및 후처리에 엔지니어링 지식을 포함시키기 위해 노력하고 있다. 프로세스 측면에서는 3D CAE, 1D 시스템 시뮬레이션 및 물리적 테스트 간의 더 나은 정렬을 통해 모델링의 현실감과 계산 속도를 높이고자 한다.^[1]

또한, CAE를 전반적인 PLM에 더 잘 통합하여, 스마트 제품에 필요한 제품 설계와 제품 사용을 연결할 수 있도록 하고 있다. 이러한 향상된 엔지니어링 프로세스를 예측 엔지니어링 분석이라고도 한다.^[2][3]

참조

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