공기역학 설계 최적화

라이트 형제가 비행기를 만든 이후, 공기역학 분야의 진보는 주로 필드 테스트와, 풍동 (wind tunnel) 을 통해 이루어졌다. 그런데 근래에 공기 역학 분야의 진보를 이끌어갈 새로운 도구가 나타났다. 컴퓨터를 사용한 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics/ CFD)이 새로운 디자인을 개발하고 테스트 하는 데에 매우 중요한 기술이 된 것이다. 카이저슬라우테른 기술 대학교 (Technical University of Kaiserslautern/ http://www.uni-kl.de) 기계 및 공정 공학과는 항공기와 항공 우주 비행체의 안정성과 효율성을 향상시키면서, 공기역학 연구분야에 큰 발전을 가져온 것으로 높은 평가를 받았다. 최근에, 카이저슬라우테른 기술 대학교는 필드 테스트, 풍동, 전산유체역학의 3가지 방법을 모두 사용해서 항공기 구조를 테스트하는 내용 등을 포함한 프로젝트를 진행하게 되었다.

Fuselage model in a wind-tunnel

이 프로젝트는 실제 비행기 테스트와 풍동 그리고 CFD 시뮬레이션을 통한 시험 결과물들을 사용한다. 물론 각각 실험 방법에서 얻어진 결과의 가치는 실제 모델을 토대로 얼마나 정확하게 컴퓨터 모델이 만들어졌는가에 달려있다. 모델 형태에 차이가 생긴다면 실험 결과를 망칠 수 밖에 없다. 최고 품질의 모델을 얻기 위해서, SAM 부서는(Strömungsmechanikm Akustik und Strömungsmaschinen) Rapidform XOR을 사용했다.

Scanning process of Fuselage model using FARO Scan Arm

추진동력을 발생시키기 위해 어떤 전력을 사용하는 지와 상관없이, 항공 우주 공학자들은 항공기의 공기역학구조를 최적화하도록 설계해야 한다. 기존의 설계를 보완할 때는, 엔지니어들은 보통 조밀한 폴리곤 모델을 사용해서 CFD 시뮬레이션으로 현 상태의 항공기를 분석하는데, 이 폴리곤 모델은 주로 실제 모델(비행기의 동체나 풍동 모델 등)을 레이저로 스캔해서 만들어진다. Rapidform XOR은 스캔데이터뿐 아니라 CAD 모델에서도 최고급 메쉬 데이터를 생성해낸다. 실제 모델을 컴퓨터 모델로 전환시킬 때에는 “Mesh Buildup Wizard”를 사용한다. Mesh Buildup Wizard로 여러 각도에서 찍은 스캔 데이터들을 결합하고 정렬, 병합 기능을 이용해 CFD에 적합한 빈틈없는 메쉬 모델을 자동으로 생성할 수 있다. 또한 CAD 모델로부터 고품질의 메쉬 모델을 생성하기 위해서는 XOR의 메쉬 생성기(Mesh Generator)를 사용하면 된다.

생성된 모델의 수치 정보를 확인하려면 XOR의 “Accuracy Analyzer”를 사용하면 된다. “Accuracy Analyzer”는 모델링 전 데이터와 다양한 분석 툴로 만들어진 폴리곤 모델간의 수치 편차의 피드백 정보를 제공해준다.

Defect-free mesh model generated from XOR using Mesh Buildup Wizard™

CFD 실행 결과 중 만들어진 변화들은 반드시 CAD 모델에 반영되어야 하며, XOR을 통해서 폴리곤 모델에 생긴 수정 사항들을 다시 CAD로 전송하는 방법은 2가지가 있다. 수정된 폴리곤 모델을 나타내는 NURBS 표면을 CAD 모델로 보낼 수 있는데, 이를 2세대 모델링이라고 한다. 또 다른 방법으로는, 설계자가 XOR의 CAD correct라는 기능을 사용해서 기존의 CAD 표면을 자동적으로 폴리곤 형상을 나타내도록 수정할 수 있다. 하지만 2세대 모델링에는 한 가지 단점이 있는데, 그것은 CAD 환경에서는 모델을 쉽게 편집하거나 수정할 수 없다는 것이다.

편집 가능한 CAD 모델을 추출하기 위해서는, XOR의 3세대 모델링을 사용하면 된다. XOR을 사용하면 폴리곤 모델로부터 편집 가능한 파라메트릭 CAD 모델을 생성할 수 있다. 이 파일들은 편집이 가능한 히스토리 트리를 포함하고 있으며, NX, Pro/Engineer, Solidworks 등에서 아무런 불편 없이 호환 사용이 가능하다. 3세대 모델링은 CAD 환경에서 한 기능과 그와 관련된 기능들에 유기적인 변화를 주고 싶을 때에(Parametric Editing) 유용하며, 다른 소프트웨어로 후속 프로세스 중에 편집이 필요할 때에도 매우 용이하다.

카이저슬라우테른 기술 대학교의 프로젝트는 현재 순조롭게 진행 중이며, XOR의 최고급 폴리곤 모델을 사용한 CFD 환경에서 여러 번 반복 시험을 하고 있다. 현재까지의 결과는 연구팀의 기대를 충족시키거나 기대 이상의 결과를 가져다 주었으며 연구팀은 Rapidform XOR의 모델링 기술을 사용할 새 프로젝트를 기획하고 있다.

 

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