Audi, BMW, DaimlerChrysler 및 Renault

유체역학 분석 분의 혁명

Audi, BMW, DaimlerChrysler, Renault는 PolyWorks®를 도입하여 CFD 분석 시간을 최대 83%까지 단축

주요 자동차 제조사들은 유체역학(CFD) 분석에서의 비용을 대폭 절감하기 위해 PolyWorks의 폴리곤 모델링 기술을 도입했습니다. PolyWorks가 제공하는 독창적인 도구들을 통해 Audi, BMW, DaimlerChrysler, Renault는 CFD 분석에 적합한 폴리곤 모델을 준비하는 데 걸리는 시간을 기존 7일에서 단 하루로 줄이는 데 성공했습니다.

유체 흐름 분석은 공기, 액체, 가스와 같은 유체가 비행기 날개, 자동차 차체, 석유 파이프라인 등 고체 물체 주변을 어떻게 움직이는지를 연구하는 분야입니다. 전 세계 대부분의 주요 자동차 제조사들은 차량 설계 과정에서 공기 흐름과 관련된 문제, 예를 들어 양력, 항력, 요잉, 마찰 등의 요소를 측정해야 하는 과제를 안고 있습니다.

전통적인 유체역학 분석은 일반적으로 풍동 테스트를 통해 이루어지며, 이는 비용이 많이 들고 시간이 오래 걸리는 데다 고도의 전문 인력이 필요합니다. 하지만 3D 디지털 측정 기술의 등장으로 ‘디지털 풍동 테스트’가 가능해지면서 유체 흐름 분석 방식에 혁신이 일어났습니다. 비접촉식 3D 디지털 측정기를 통해 캡처한 수백만 개의 데이터 포인트는 디지털 환경에서 유체 흐름을 시뮬레이션하고 전통적인 풍동 분석을 훨씬 적은 비용과 시간으로 재현하는 데 탁월한 정보를 제공합니다.

과제

강력한 디지털 풍동 분석을 수행하기 위해서는 Exa사의 PowerFlow®와 같은 CFD 소프트웨어가 정밀도, 형상 위상(topology), 크기 등 엄격한 요건을 충족하는 폴리곤 모델을 필요로 합니다. 불과 얼마 전까지만 해도, 이러한 CFD 분석용 모델을 준비하기 위해 여러 단계를 거쳐야 했고, 작업 시간만 최대 7일이 소요되었습니다.
우선, 디지털로 측정한 포인트 클라우드를 리버스 엔지니어링 소프트웨어를 사용해 NURBS 서피스로 변환해야 했습니다. 이렇게 생성된 서피스는 CAD 소프트웨어로 불러와 재구성, 불필요한 디테일 제거 등의 편집 작업을 거쳐야 했고, 이후에는 또 다른 소프트웨어를 사용해 메쉬 모델을 만들기 위한 테셀레이션 작업을 진행해야 했습니다. 그러나 대부분의 경우, 이렇게 만들어진 폴리곤 모델은 CFD 분석에서 요구되는 약 10만 개 삼각형 기준을 충족하기 위해 추가적인 수정이 필요했습니다.

솔루션

자동차의 폴리곤 모델 최적화를 위한 PolyWorks 완전한 툴킷

1. 폴리곤 모델 생성

• 자동차 디자이너는 점토 또는 이와 유사한 복합 소재를 사용해 실물 크기 또는 1/2, 1/4, 1/10 축소 비율의 프로토타입 모델을 제
• 이 점토 모델 3D 디지털 측정 장비를 사용해 전체 표면을 스캔하여 디지털화
• 스캔된 데이터는 모델 크기에 따라 서로 다른 방식으로 정렬됩니다. 실물 크기 모델의 경우 포토그래메트리를 사용해 정렬하고, 소형 모델의 경우에는 PolyWorks의 고유한 베스트 핏 알고리즘을 활용해 객체의 형상 특징을 기준으로 빠르게 정렬합니다.
• 정렬된 포인트 클라우드는 PolyWorks에서 메쉬 작업을 통해 처리되며, 약 50만에서 100만 개의 삼각형으로 구성된 고정밀 폴리곤 모델로 생성됩니다. 이 모델의 허용 오차는 10~30마이크론 범위에 이릅니다.

2. CFD용 폴리곤 모델 편집

A) 형상 곡선 재구성

모델의 공기 흐름에 가장 큰 영향을 미치는 요소 중 하나는 형상 곡선의 품질입니다. 그러나 3D 디지털 측정 장비는 날카로운 모서리와 같은 요소를 정밀하게 캡처하기 어렵기 때문에, 이를 보완하기 위한 편집 작업이 필요합니다. PolyWorks는 이러한 과정을 위한 강력한 도구를 제공합니다. 해당 도구는 피처 곡선을 자동으로 감지하고 추적하며, 이론적으로 존재해야 할 날카로운 모서리를 최적화된 곡선으로 재구성합니다. 추출된 샤프 엣지 곡선은 이후 연장하거나 교차시켜 코너 형상을 생성할 수 있습니다.

B) 콤팩트하고 빈틈없는 폴리곤 메쉬 생성

컴팩트하며 빈틈없는 모델을 만드는 단계는 다음과 같습니다.

• 디지털화된 단계에서 생성된 구멍 채우기:
• PolyWorks는 폴리곤 모델의 표면을 밀폐하기 위한 다양한 홀-필링 도구를 제공합니다. 복잡도가 낮거나 중간 수준인 홀의 경우, 사용자는 자동 홀-필링 기능을 활용할 수 있으며, 이 기능은 사용자가 지정한 3D 브리징 거리 내에서 곡면 형태의 삼각형을 부드럽게 보간하여 홀을 자동으로 메워줍니다.
• 더 크고 복잡한 형태의 홀에 대해서는, 사용자가 폴리곤 모델 위에 복합 베지어 서피스 또는 NURBS 서피스를 생성한 후, 해당 곡률을 따르는 삼각형 메쉬 표면을 삽입하여 홀을 메울 수 있습니다. 이러한 방식은 곡면의 형상을 보다 정밀하게 재현하면서도 모델의 연속성과 정확도를 유지할 수 있게 해줍니다.

• 모델의 불필요한 형상 삭제:
• 이 작업의 목적은 삼각형의 개수를 가능한 한 줄이는 데 있습니다. Exa의 PowerFlow와 같은 CFD 소프트웨어는 최대 약 100,000개의 삼각형으로 구성된 폴리곤 모델을 처리하도록 최적화되어 있습니다. 삼각형 수를 줄이기 위해 사용자는 홈, 에어 트랩 등 모델의 세밀한 영역에 존재하는 불필요한 삼각형을 제거할 수 있습니다. 
• 이후 사용자는 해당 영역에 복합 베지어 서피스나 NURBS 서피스를 적용하여 폴리곤을 재구성할 수 있습니다.

C) CAD 서페이스 삽입

• 언더바디, 휠, 앞유리, 창문, 조명과 같은 요소를 채우기 위해 기존 CAD 모델의 부품을 삽입할 수 있습니다.
• CAD 데이터가 없는 영역은 베지어 서피스나 NURBS 서피스를 사용하여 채울 수 있습니다.

3. 삼각형 수를 줄이고 삼각형 방향 최적화

PolyWorks의 적응형 메싱 기술을 활용하면, 엣지나 필렛과 같은 세부 영역에서는 높은 해상도를 유지하면서도 평평한 영역에서는 더 큰 삼각형을 생성하는 “지능형” 폴리곤 모델을 만들 수 있습니다. Exa PowerFlow의 엄격한 요건을 만족시키기 위해 폴리곤 모델은 다음 조건을 충족해야 합니다:

• 삼각형 개수가 약 100,000개 수준이어야 합니다.
• 종횡비(높이/밑변)가 나쁜 삼각형이 없어야 합니다.
• 삼각형의 방향이 실물의 곡률을 따라 정렬되어야 합니다.

PolyWorks는 이러한 요구사항을 충족하는 모델을 준비하기 위한 고급 기술을 제공합니다. 사용자는 다음 작업을 수행할 수 있습니다:

• 삼각형 수 목표치를 설정하여 삼각형 개수 감소
• 최대 엣지 길이를 지정하여 종횡비가 좋지 않은 큰 삼각형 생성을 방지
• 형상 라인을 유지하기 위해 엣지 검 각도 지정
• 곡률 흐름에 따라 삼각형의 엣지를 정렬하는 메쉬 최적화 알고리즘을 적용