• 개발 : Impact Design Europe
• 주요 특징 : 설계 초기 단계부터 차량의 충돌 성능 평가/개선 및 최적화 지원, SFE 및 SBE 기반으로 충돌하중을 받는 박판구조물의 설계/해석/최적화, 간편한 모델링 및 설계 변경, 빠른 계산 속도 및 신뢰성 있는 결과 도출, 사용자 친화적인 통합 작업 환경 등
• 사용 환경 : 윈도우 PC/랩톱
• 자료 제공 : 브이에스텍

그림 1. 유한요소 모델

그림 2. VCS 모델

차량 충돌 안전 법규 및 상품성 평가는 실제 충돌 상황을 최대한 반영하고 승객의 사망 및 심각한 상해를 줄이기 위하여 지속적으로 강화되고 있고, 자동차 제조업체는 이러한 평가 프로토콜에 따라 차량의 안전 등급을 높이기 위해 노력하고 있다.

다양한 충돌 테스트는 제품 설계 및 개발 프로세스를 가속화하기 위해 가상 엔지니어링 모델링 및 시뮬레이션 기술에 크게 의존하는 차량 제조업체에 상당한 부담을 주고 있다.

일반적으로 각 설계 단계에서 CAD 모델 준비, 각 하중 케이스/물리적 테스트에 대한 유한요소(FE) 모델 생성, 평가 및 개선 작업이 필요하므로 복잡하고 많은 시간이 소비되어, 간편하고 빠르게 차량의 충돌 성능을 평가하고 개선하는 것이 큰 관심사이다. 특히, 프로토타입 제작 및 개발 프로세스 후반의 설계 변경으로 인한 시간과 비용을 줄이기 위해서는 초기 콘셉트 단계에서부터 다양한 설계에 대한 충돌 성능의 평가 및 개선을 통한 충돌 성능의 최적화가 필요하다.

매크로요소법(Macro Element Method)을 사용하는 Visual Crash Studio(VCS)는 비전형적 모델링 및 시뮬레이션 접근 방식으로 단순한 설계 환경에서 빠르고 신뢰할 수 있는 결과를 제공하며, 설계 초기 단계부터 차량의 충돌 성능 평가/개선 및 최적화가 가능한 CAE 소프트웨어이다.

그림 3

VCS의 주요 특징

• 매크로요소법, 수퍼폴딩요소(SFE : Super-folding Element) 및 수퍼빔요소(SBE : Super-beam Element) 개념을 기반으로 객체지향유한요소(OOEF : Object Oriented Finite Element) 정식화와 결합된 충돌하중을 받는 박판구조물의 설계, 해석 및 최적화가 가능
• 다양한 재료의 박판구조물의 대변형 붕괴 거동의 예측에 성공적으로 적용이 가능하며, 유한요소 솔버와 경쟁이 아닌 보완 관계
• 매크로요소법에 기반한 간편한 모델링 및 설계 변경, 빠른 계산 속도 및 신뢰성 있는 결과의 도출을 통해 설계 초기 단계에서부터 충돌 부재의 충돌 성능 분석 및 최적화 가능
• 사용자 친화적인 통합(all-in-one) 작업 환경
  • 주요 기능 : Material Editor, Cross Section Editor, 3D environment, Cross Section Optimizer, Chart Wizard
  • 단면 수준에서 부재의 충돌 특성 파악 및 설계를 위한 2D 환경 제공
  • 부재, 어셈블리 및 전체 구조물 등의 복잡한 충돌 해석 및 설계를 위한 3D 환경 제공
  • 2D 및 3D 환경에서 독립적으로 설계 수정 및 계산이 가능하며, 각 환경에서의 수정 및 계산 결과는 자동으로 전 모델에 반영
  • 통합 전/후처리 도구 : 솔버와 통합된 전/후처리 프로세스로 모델링 및 설계 변경이 간단하여 다양한 설계안의 충돌 성능 평가가 빠른 시간에 가능하고 챗 위저드(Chart Wizard) 등으로 다양한 결과의 비교 분석이 용이

그림 4. VCS의 일반적 설계 및 계산 프로세스

VCS의 작업 프로세스

박판 충돌구조물의 설계, 해석 및 최적화는 통합 환경에서 수행되며, 일반적인 작업 프로세스는 <그림 4>와 같다.

<그림 5>는 VCS의 메인 뷰(Main View) 화면이며, 메인 툴바(Main Toolbar)는 작업 프로세스에 따른 툴 그룹(File, Model, Calculate and Results, Analysis, View 및 Help Tool)으로 구성된다.

‘Model Tool’은 모델 생성 프로세스에 필요한 모든 도구(Select, Nodes, Beams, Spine-line, Rigid, Contact, Group, Special, Measure 등)를 제공하며, ‘Calculate and Results Tool’은 계산 및 결과 비교에 유용한 처리 장치(Processing Unit), Chart Wizard, 애니메이션 도구 모음 등의 기능이 있다. ‘Analysis Tool’은 단면자동분석(Cross Section Analyzer) 기능 전용이며 ‘View Tool’은 추가 3D 보기 도구를 제공한다. ‘Help Tool’에서는 VCS 소프트웨어의 모든 기능에 대한 최신 설명서와 도움말 정보를 찾을 수 있다. 또한 개발사 홈페이지에서도 모든 사용 매뉴얼과 따라하기 매뉴얼을 다운로드할 수 있다.

그림 5. VCS의 메인 뷰 화면

VCS의 작업 프로세스의 순서에 따른 주요 기능은 다음과 같다.

FE Mesh/Initial geometry import

다양한 FE 데이터 및 CAD 지오메트리(geometry) 불러오기 기능을 제공한다.

재료 정의(Material Editor)

• 재료상수(Material Constraint) : Hardening Factor, Mass Density, Poisson Ratio, Proof Strain, Proof Stress, Young Modulus
• 응력-변형률(Stress-Strain) 특성 : Array, Power Law, Polynomial, User Function-2D, Array 3D
• 변형률속도(strain rate) 특성 : Cowper Symonds, Modified Cowper Symonds, User defined function-3D, Johnson Cook  
• Fracture Indicator : Surface strains, Cockcroft-Latham/Norris
• LS-DYNA MAT24(MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY) 호환
• Material & Characteristic Repository 기능

2D Structure(Cross Section Editor) : Cross Sections & Cross Section analysis

Cross Section Editor는 단면의 충돌 성능 최대화를 위한 설계, 계산 및 최적화를 위한 편집기이다. 여기서 처리된 단면은 3D 수퍼빔요소(SBE)에 사용되며, Cross Section Editor의 이론적 배경의 핵심은 수퍼폴딩요소(SFE)이다. Point, plate, segment, SFE 및 connection으로 모든 단면을 생성할 수 있으며, 쉽고 편리한 단면 형상 및 재료 특성의 변경으로 다양한 디자인의 빠른 변경이 가능하다.

• Cross Section 계산 결과
  • 단면 상태에서는 7가지의 충돌 거동(Axial Response, Design Recommendations, Bending Response, Lateral Response, Denting Response, Torsion Response, Elastic Properties-축/굽힘/전단 강성 등)을 결과로 표시
  • 각 결과는 주어진 붕괴 응답 모드에 대한 특성 파라미터((최대 하중 및 모멘트, 에너지 흡수 능력, 굽힘힌지의 총 회전 등과 같은 변형제한 값)의 정보 표시
• Design Recommendations  
  • 효과적인 축방향 붕괴를 위한 단면 최적화 프로세스 : 결함이 있는 단면은 점진적 붕괴가 발생하지 않고 불규칙한 접힘으로 인해 많은 에너지 흡수가 적음
  • 상세 단면 형상 근사화를 위한 단순화 모델링 과정을 통한 결함 제거 : 단면 수준에서 허용 가능한 접힘 모드를 선택하면 다음단계로 단면에 대한 각 SFE에 대해 결함 제거 과정을 수동으로 진행
• 단면 계산 결과 비교 툴 제공 및 결과 report 생성

3D Structure : Super Beams

• 3D 가상 설계 공간은 SBE를 기반으로 한 부재 및 박판구조물의 모델링과 계산에 사용
• 유한요소 모델로부터 SFE를 바로 생성할 수 있는 도구 제공
• VCS 3D 모델을 구성하는 모든 객체는 빔(beam)과 강체(rigid body)를 정의할 수 있는 노드(node)로 구성되며, 노드는 VCS 객체에 대한 공간 참조 point로 사용
• 노드 속성 : 형상(CoG, Origine), 질량(mass, Concentrated Mass) 및 관성(Concentrated Inertia, Principal Moments, Transformed Moments)
• SBE는 두개의 노드로 구성되고 2D 계산에서 사용된 단면 형상이 적용되며, 하나의 노드에 다수의 SBE가 연결될 수 있다. 또한 동적 해석(초기/구속 조건 등)을 위해 필요한 많은 데이터를 포함한다.
• 3차원 공간에서 구조물(부재, 어셈블리, 전체 차량)의 생성을 위해서는 Node, Beam, Rigid body 등이 사용되며, 매크로요소법에 기반한 SFE가 포함된 SBE의 생성으로 시작
• 다양한 충돌 하중조건에 대한 풀 카(full car)의 해석을 위해 VCS 전용 배리어가 제공

차량 충돌 설계를 위해 매크로요소법을 사용하는 데 있어 유한요소법 대비 주요 장벽은 구조물 조인트의 강성을 정확하게 모델링하는 것이다. VCS는 구조적 조인트에 대해 교차하는 하중 전달 빔의 기하학적 중심에서 연결되며, X, Y 및 Z 오프셋은 위치와 길이를 수정하기 위해 교차하는 빔의 시작과 끝에 적용할 수 있어 구조물의 실제 형상과 조인트의 강체 코어를 보다 사실적으로 근사화할 수 있다.

3D : Additional elements & Mass distribution

• 엔진 및 기어박스와 같이 충격 하중 동안 거의 변형되지 않는 부품은 강체로 모델링
• 강체를 생성하기 위해 부품의 무게 중심에 있는 노드가 정의되고 이 노드에 총 질량 및 관성 행렬(inertia matrix)이 할당
• 노드는 나머지 구조물에 직접 연결되는 반면, 여러 장착 위치의 경우 간단한 원형 단면을 갖는 SBE를 사용할 수 있음
• 3D 환경에서 생성된 각 객체의 질량 정보는 해당 요소가 정의된 노드에 위치하며, 추가 질량은 노드에 집중질량으로 정의하거나 정의된 질량/또는 밀도로 새로운 강체를 생성하여 추가

Initial & Boundary conditions 및 Contact settings

• 초기 및 경계조건(Kinematic Constraints-Angular Velocities & Linear Velocities, Concentrated Loadings- Forces & Moments)은 모두 노드에 정의
• 전체 모델이 구축되면 접촉을 정의하며, 접촉 정의에 필요한 부품의 부피를 나타내기 위해 질량이 없는 강체(sphere, cone, cylinder and box 형상)가 이 절점에서 생성되고, 모델의 형상에 따라 배치한 후 접촉 정의 - 전용 접촉 감지 루틴으로 물리적 접촉 메커니즘을 구현
• 변형체의 접촉 정의를 위해 변형가능 배리어(Deformable barrier) 툴 제공

Solution Settings

• Solution Explorer tree에서 자세한 솔루션 파라미터를 정의 : Attributes, Animation Progress, Time Stepping Routine, Fields and global parameters, Settings 및 Statistics section
• 특히, Statistics section은 모델 확인의 마지막 단계에서 유용하며, 모델의 요소 수, 질량 및 무게중심에 대한 정보 제공

Calculations & Animation

• 계산 프로세스는 Process Unit에서 한번의 클릭으로 진행되며, Process Unit 창에서 시각적으로 진행 상황을 모니터링
• 전체 차량 충돌 해석은 일반 데스크탑 PC/노트북에서 1분 내외로 계산이 완료되며, 다중 계산이 가능하여 계산시간 추가 단축 가능
• 계산 프로세스가 완료된 후 하중 조건에 따른 해석 결과를 애니메이션으로 확인할 수 있으며, SBE를 색깔 별로 간단히 구분하여 SBE의 순간 변형 상태를 쉽게 분석

Results : Chart Wizard

• 애니메이션과 함께 다양한 결과를 그래프로 생성하며, 사용자는 VCS 결과 파일 내에서 어느 객체든 선택 후 결과를 볼 수 있음
• 3D view에서 선택한 VCS 모델의 각 객체는 Selection Window에 자동으로 추가

VCS의 도입 효과

• 설계 초기 콘셉트 안으로 충돌 부재 단면 최적화가 가능하여 제품 개발 프로세스 촉진
• 장비 도입/운영 비용 절감 : 매크로 요소법에 기반한 빠른 계산으로 랩톱에서도 수초 또는 수분내에 계산이 가능
• 단순한 작업 환경에서 간편한 설계 변경이 가능하여, 해석 엔지니어가 아닌 설계 엔지니어도 쉽게 활용 가능

VCS의 주요 적용 분야

• 자동차 산업 및 조선산업 등에서 충돌하중을 받는 박판구조물의 설계, 해석 및 최적화
• 충돌/충격 부재의 단면 충돌 특성 평가/개선 및 최적화
• 컴포넌트(에너지 흡수 구조 부품, bumper back beam, FR Side 멤버, Fillar component 등)의 충돌 특성 평가 및 개선
• 부분 충돌 모델 및 풀 카 충돌 모델의 충돌 성능 평가 및 개선

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