[드론 세계 탐구] #2 난류 모델 해석부터 3D 프린팅까지 – Multi-physics 시뮬레이션

3DEXPERIENCE Platform의 다양한 UAS 해석 솔루션 사례

포스트는 다쏘시스템의 김병균 컨설턴트, 김영주 컨설턴트, 이상훈 컨설턴트가 공동집필했습니다.

UAS 개발에 있어 End to End 설계 프로세스를 지원하는 3DEXPERIENCE Platform 시스템 엔지니어링에 이어 시간과 비용을 절약하며 최상의 결과물을 도출한 다양한 해석 솔루션 사례를 소개합니다.

시간, 인력, 비용 절감에 탁월한 다쏘시스템 유체 해석 솔루션

Quad-Rotor UAV (Unmanned Aerial Vehicles) 난류 모델 해석 사례

UAV는 사람이 탑승하여 조종하지 않고, 주로 원격 조종으로 움직이는 무인항공기입니다. 세계 무인항공기 시장이 지속적으로 성장하는 추세인 만큼 군사, 상업 및 레크레이션 등 다양한 업계에서 많은 용도로 사용되고 있습니다. 특히 제조업체에서는 Quad-Rotor UAV를 3D 설계부터 부품을 조립하는 과정을 고려하여 최적의 설계, 엔지니어링 시간 감소 및 고성능 컴퓨팅 사용을 위한 목적으로 사용되며, 이를 위해 LBM(Lattice-Boltzmann Method) 기반의 XFlow를 사용합니다.

XFlow는 다쏘시스템 Fluids Simulation 포트폴리오의 하나로 신뢰성 있는 CFD(Computational Fluid Dynamics) 작업 수행을 위한 입자 기반의 Lattice-Boltzmann 기술을 제공합니다.

이를 통해 사용자는 실제 형상의 움직임, 복잡한 다상(2-Phase)유동, Meshless 전산유체해석, 자동 스케일 조정을 통한 해석 품질 향상, 자유 표면 흐름 및 유체와 구조물의 상호 작용에 따른 유동현상, 급격한 시간 변화가 동반되는 고주파 특성을 갖는 유체 해석을 진행할 수 있습니다.

또한 Quad-Rotor UAV를 WMLES접근법을 통해 난류모델을 사용하여 해석하고, 기존 Navier-Stokes 솔루션의 오류 및 불확실성을 제거하였으며 이를 통해 계산 시간 단축, 인력과 비용 절감이라는 성과를 볼 수 있었습니다.

드론 운영 성능 향상을 위한 다쏘시스템 전자기장 해석 솔루션

드론 제어용 안테나 설계 및 EM (ElectroMagnetic) 분석

Fig1. 드론 안테나 장착 위치 / Fig2. 다이폴 안테나 형상 VSMR M&S 결과 / Fig3. 모노폴 안테나 형상 VSMR M&S 결과

Fig4. 드론 EM 해석 결과 (배면/다리)

다쏘시스템은 드론의 통신을 위한 내장형 안테나를 상용 전자기장 툴인 CST MICROWAVE STUDIO(CST MWS)로 설계하고 안테나 장착 환경을 고려한 EM 해석을 수행하였습니다. 탑재 안테나는 C대역(5,030 ~5,091 MHz)의 항공 이동 업무용 주파수에서 VSWR 2:1 이하의 동작 주파수를 갖도록 설계되었습니다. 또한 지상안테나와 원활한 통신을 위해 전 방향으로 통신이 가능한 무지향성 방사패턴을 가지며, 드론의 운영 성능 향상이 가능하도록 설계되었습니다.

드론을 고려한 EM 해석 시 탑재 안테나의 중간 주파수(5,060MHz)에서의 방사패턴 데이터를 추출하여 EM 해석을 수행하고 장착된 위치에 따라 방사패턴을 확인하여 최적의 안테나 위치를 도출하였습니다. 이렇게 도출된 안테나 설계 기법을 적용하여 실제 안테나를 제작하고 운용성능에 대한 분석을 진행하였습니다. *논문참조 : 드론 제어용 데이터링크 안테나 설계, 2018

CST Studio Suite는 전자기장 및 다중 물리 시뮬레이션을 진행할 수 있는 동급 최강 소프트웨어 패키지이며 제품 설계, 분석 및 최적화를 위한 다양한 솔루션을 제공합니다.

CST Studio Suite에서는 안테나 및 필터 등과 같은 다양한 RF Components의 성능 및 효율성 분석과 PCB, Cable의 전자파 적합성 및 간섭 (EMC/EMI) 분석이 가능하며 전자기 필드에 의한 인체 유해성 분석뿐만 아니라, 모터 및 발전기의 전기 기계적 영향과 고전력 제품의 열 분석을 진행할 수 있습니다.

제작부터 시뮬레이션까지! 최고의 효율을 자랑하는 다쏘시스템 3D PRINTING 해석 솔루션

UAV (Unmanned Aerial Vehicle) 3D print 제작 사례

UAV 제조에서 3D Print는 매우 중요한 역할을 합니다. UAV를 3D Print로 제작할 경우 개량 뿐만 아니라 설계를 단순화하고 제조 공정을 완화함으로써 전체적인 제조 분야에 큰 영향을 미치기 때문입니다. 3D Print의 도입으로 UAV 기존의 조립 방식과 달리 복잡한 부품의 제작이 가능해졌으며, 다품종 소량 생산의 특성으로 빠른 생산을 할 수 있어 경제성이 증가하였습니다.

드론 프로펠러 3D print 해석 사례

3D Print를 사용한 프로펠러는 가볍고 유연하며 효율적인 비용으로 쉽고 빠르게 교체할 수 있습니다. 하지만 Printing 중 발생할 수 있는 제품 왜곡과 void등으로 인해 성능저하가 나타나기도 합니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 다쏘시스템은 3D Printing(적층 제조) 솔루션을 제공하고 있습니다. 다쏘시스템은 3D Printing 시뮬레이션을 통해 시제품 제작 및 시험 등으로 발생할 수 있는 시간과 비용을 감소시키며, 현재 Printing 중 발생할 수 있는 이슈 예방에 도움을 줍니다.

다쏘시스템의 3D Printing 솔루션은 재료 물성 모델링, 위상최적화, 프린팅 공정 모델링, 열변형 적층 해석을 3DEXPERIENCE Platform에서 진행 가능합니다. 3D 모델로 구성된 제품의 위상최적화를 통해 성능은 만족하고 경량화한 설계 형상을 만들고 프린팅 공정 모델링으로서 3D Print상 파트의 방향, 배치, 레이저 출력/각고/이송속도, 슬라이싱 정보 등을 모델링하고 이러한 정보를 가지고 열변형 적층 해석을 진행하여 3D Print 시 발행할 수 있는 변형이나 잔류응력을 예측할 수 있습니다

UAV의 안정성을 보장하는 다쏘시스템 구조 해석 솔루션

Multi-Copter UAV (Unmanned Aerial Vehicles) 충돌 해석 연구 사례

최근 UAV의 기체 대형화로 이륙 중량 증가와 사용 빈도수가 높아짐에 따라 착륙 시 충격으로 인한 착륙 장치의 피로 파괴 가능성이 예상되고 있습니다. 다쏘시스템은 이를 해결하기 위해 충격 완충 장치 적용으로 착륙시 충격을 완화할 수 있는 구조 연구를 진행하였습니다. *논문참조 : 멀티콥터 무인기용 충격 완충 이착륙 장치 연구, 2018

다쏘시스템은 구조 역학 기반의 충돌 시뮬레이션을 통해 UAV의 구조적 안정성 평가 및 충돌 각도를 달리하여 충돌 시뮬레이션을 수행하였으며, 안전율을 기준으로 과도 응력이 발생하는 부분에 대한 구조 안정성 확보를 위해 설계 보강이 필요한 부분을 제시하였습니다.

통합 구조 해석 프로그램인 Abaqus는 전 산업군을 폭넓게 지원하며, 간단한 공학 문제부터 정교함을 필요로 하는 복잡한 문제까지 다룰 수 있는 강력하고 완벽한 솔루션을 제공합니다. 해당 솔루션은 선형 및 비선형 구조 해석, 다중 물리 해석, 낙하 해석, 충돌 해석, 진동 해석 등 정적/동적 해석에 적합합니다. 특히 Abaqus의 사용 용이성과 고성능 컴퓨팅이 결합된 신뢰성과 정확성은 실제 작동 조건에서 재료 및 제품 거동을 해석하는데 필수적 요소입니다.

기업 경쟁력은 다쏘시스템 3DEXPERIENCE 플랫폼으로부터

이미 최고의 기업들은 고객 경험을 중심으로 가상 세계를 구현하는 다쏘시스템 3DEXPERIENCE를 통하여 고유한 해석 프로세스와 기법 들을 확고히 하고, 비용 절감 및 업무 효율성을 확보함으로써 경쟁사들과 차별을 두고 있습니다.

 

[드론 세계 탐구] #1 설계부터 시뮬레이션까지 하나로! – RFLP 시스템 엔지니어링

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