CAE 기반 MBSE 전환의 필요성과 계층적 접근 전략
CAE·가상 개발 기반의 MBSE 및 MBD 프로세스 구축 (1)
현대 제품 개발은 복잡성 증가, 다분야 협업, 짧은 리드타임 등 다양한 도전 과제에 직면해 있다. 이에 대응하기 위한 전략으로 CAE 기술의 고도화와, 모델 기반 시스템 엔지니어링(MBSE) 및 모델 기반 개발(MBD)의 통합 프로세스가 주목받고 있다.
이번 호부터 디지털 엔지니어링 관점에서 CAE 기술을 기반으로 한 MBSE/MBD 프로세스의 구축 전략을 소개하고, 이를 실무에서 실현하기 위한 연결기술, 다분야 통합 해석, 설계–검증 연계, 시스템 수준 최적화 방법 등을 종합적으로 제시한다.
또한, 기능–구조–물리 모델 간 연계, 1D/3D 시뮬레이션 통합, 데이터 자산화, 대리 모델 기반 설계, 코시뮬레이션(co-simulation), 디지털 트윈 등 최신 기술 요소를 포괄적으로 다루어, 실제 산업 현장과 연구개발 조직에서 실천 가능한 디지털 제품 개발 전략을 구체화한다.
■ 오재응
한양대학교 명예교수
많은 기업과 연구기관에서 CAE 해석 기술과 MBD 방법론을 적용하고 있음에도 불구하고, 여전히 시스템 수준의 요구사항 추적과 검증, 다물리 통합 시뮬레이션, 협업 설계 및 지식 재활용 등의 영역에서 실질적인 한계를 경험하고 있다. 특히 다음과 같은 배경은 이번 연재의 주요한 동기가 되었다.
MBSE와 CAE의 분절적 적용 : 설계 초기의 아키텍처 모델과 후속 해석 모델이 연계되지 않아 반복 설계와 검증의 비효율이 발생함
도구 기반 접근의 한계 : SysML, 시뮬링크(Simulink), 모델리카(Modelica) 등 다양한 도구의 활용이 실질적인 프로세스와 연결되지 못해 정착되지 못함
설계 데이터의 단절 및 축적 미비 : 프로젝트 간 설계 자산이 재사용되지 못하고, 조직 내 설계 지식이 흩어져 있음
연결 기술(integration technology)의 부재 : 톱다운(top-down)과 보텀업(bottom-up) 사이의 구조적 연결, 기능과 물리 모델 간의 연계가 설계 전반에 적용되지 못함
이러한 문제의식을 바탕으로, 이번 연재에서는 CAE–MBSEMBD를 하나의 통합된 가상 제품 개발 체계로 정립하고, 실무자와 조직이 직면한 장벽을 실천적으로 해결할 수 있는 전략을 제시하고자 한다. 특히 기계 시스템, 제어, 전장 등 다양한 도메인을 포함한 다분야 협업 설계의 실현과, 시뮬레이션 기반의 최적 설계 환경 구축을 목표로 하고 있다.
CAE와 MBSE의 관계
디지털 엔지니어링을 위한 고급 CAE 기술은 제품 개발 과정에서 필수 역할을 한다. 특히, MBSE(Model-Based Systems Engineering)와 연계하여 전체 시스템의 설계 및 검증을 체계적으로 수행할 수 있다.
시스템 레벨 시뮬레이션을 위한 요구 정의 및 개념 설계는 시장 요구 및 성능 목표를 기반으로 시스템 설계를 시작한다. 안정성 및 신뢰성 분석은 시스템이 예상한 성능을 충족하는지 검토한다. 검증 및 테스트에서 설계된 시스템이 실제 운영 환경에서도 신뢰성을 유지하는지 확인한다. 디지털 엔지니어링 플랫폼은 설계, 해석, 검증을 통합하여 최적화된 시스템을 개발할 수 있도록 지원한다. 주요 요소는 다음과 같다.
3D 시뮬레이션 : 초기 설계 단계에서 CAE 기반 가상 엔지니어링을 수행하여 비용 절감 및 최적화를 가능하게 한다.
MILS/SILS/HILS 검증 프로세스 : 모델, 소프트웨어, 하드웨어 단위로 점진적인 검증을 수행하여 신뢰성을 확보한다.
RPA(로봇 프로세스 자동화) 및 기계학습 최적화 : 반복적인 시뮬레이션과 최적화 작업을 자동화하여 개발 효율을 극대화한다.
하드웨어 및 소프트웨어 설계 : 하드웨어 설계는 형상 설계 및 성능 설계를 통해 물리적 구현을 최적화한다. 소프트웨어 설계는 임베디드 시스템 및 소프트웨어의 로직을 구성하여 시스템과의 호환성을 확보한다. 특히 모델 기반 개발에서 기구 모델과 제어 모델을 통합 설계한다.
따라서 CAE 및 MBSE를 활용한 디지털 엔지니어링 프로세스는 제품 개발의 효율과 신뢰성을 향상시키는 핵심 전략이다. 요구 분석에서부터 최종 검증까지 체계적인 설계 프로세스를 적용하면 비용 절감과 성능 최적화를 동시에 달성할 수 있다.
그림 1. 디지털화 추진을 위한 CAE 기술 및 디지털 엔지니어링 플랫폼
CAE에서 MBSE로 전환 : 시스템 수준 통합을 위한 계층적 모델 기반 접근
현대 제품 개발 환경에서 복잡성과 다분야 연계성의 증대는 단순한 해석 중심의 접근만으로는 한계를 드러낸다. 이에 따라 CAE 기반 설계 방식에서 MBSE로의 전환이 중요한 과제로 부상하고 있다. 특히, 제품 요구사항부터 물리적 구현까지 전 과정을 모델로 체계화함으로써 설계 효율성 품질을 동시에 확보할 수 있는 기반이 마련된다.
MBSE의 적용을 위한 단계적 접근은 계층적 모델링을 중심으로 전개된다. 이 계층적 구조는 시장 및 사용자 요구로부터 시작하여 점차 구체적인 시스템 구성 요소로 세분화되며, 다음과 같은 흐름을 따른다.
시장 요구 → 기능 설계 → 성능 목표
물리적 콘텐츠 → 물리 모델링
시스템 → 시스템 모델
서브시스템 → 서브시스템 모델
컴포넌트 → 상세 모델
재료 수준의 최종 세부 요소
그림 2. CAE에서 MBSE로 전환
이러한 구조는 단순한 부품 중심 해석이 아닌, 전체 시스템의 동작을 포괄적으로 이해하고 최적화하기 위한 토대를 제공한다. 상단의 상위 프로세스에서는 요구 분석과 아키텍처 설계가 중심이 된다. 이 단계에서는 시스템 및 서브시스템의 요구사항을 정의하고, 이를 정량화하여 성능 목표로 변환한다. 예를 들어 제품의 출력, 온도 유지, 내구성, 소음 및 진동과 같은 요소를 수치적으로 설정하고, 이를 설계 초기 단계부터 고려함으로써 전체 개발 과정에서의 목표 일관성을 확보할 수 있다.
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작성일 : 2026-06-05