소프트웨어소개 혁신적인 해석프로세스자동화 및 다분야통합설계 툴 PIAnO 혁신적인 해석프로세스자동화 및 다분야통합설계 툴 PIAnO Advanced Analysis Process Integration and Automation and Multidisciplinary Design Optimization Tool, PIAnO 윤상준 * * ( 주 ) 피도텍이사 1. 서론 복잡한해석및설계절차를통합하고자동화할수있는 PIDO(Process Integration and Design Optimization) 기술을국내자체기술로상용화한 PIAnO(Process Integration and Design Optimization) 소프트웨어는다양한 CAE 해석기들과연계되어산업체현장에서실제제품설계에매우효과적으로활용되고있다. PIAnO는현재현대자동차, GM대우자동차, 쌍용자동차, 르노삼성자동차, 삼성전자, 삼성전기, LG전자, 대우조선해양, 제일모직등산업체는물론, 국방과학연구소 (ADD), 자동차부품연구원 (KATECH), 전자부품연구원 (KETI), 한국과학기술연구원 (KIST), 한국생산기술연구원 (KITECH), 한국항공우주연구원 (KARI) 등다양한연구소에서이미도입되어사용되고있으며, 서울대, 포항공대, 연세대, 고려대, 한양대등국내유수대학들은물론, 미국 Georgia Tech, Univ. of Maryland, Univ. of Nevada 그리고일본 JAIST 등해외대학으로그활용도가급속히확장되고있는추세이다. 2. 해석프로세스자동화 기능 Fig. 1 Structure of PIAnO Software 기존 CAE 해석기에탑재되어반드시그해석기만을사용하는제한적인최적설계툴과는달리 PIAnO는다양한이종의 CAE 해석기들 (ex. NX, CATIA, SolidWorks, Hypermesh, LS-Dyna, ABAQUS, MSC.Nastran, MSC.Patran, MSC.Fatigue, FEMFAT, DADS, ADAMS, DAFUL, Recur Dyn, Madymo, CarSim, Simulink, ANSYS, Fluent, StarCD, CFD-ACE, ADINA, SAMCEF, SPEOS, Code-V, Flux3D, CML, FLOTHERM, MoldFlow, MAP-3D, GT-Power, GT- Drive, AVL BOOST, Gambit, Tgrid, Vorstab, PAM-STAMP, etc.) 은물론, MatLab, Excel, VisualScript 또는임의의 In-house codes 들과도쉽게 Interface하여사용할수있으므 전산구조공학제 25 권제 2 호 (2012. 6) 73
정보기사 Fig. 2 Analysis Process Integration & Automation of PIAnO 로해석프로세스자동화관점에서그확장성과유지보수성능이매우뛰어난장점이있다. 또한, 고객요청에따라 ADAMS/Car, 그리고 CarSim에대한전용 Interface툴이개발되어있으며, In-house 프로그램을포함한다양한형태의 CAE들에대해서는가변적인입 / 출력형식에도대처할수있도록가변랩핑기술을지원하여사용자의불편함을최소화하고있다. 또한 CAE 해석기뿐만아니라실제현장에서주로사용되는실험을기반으로실험계획법기반최적설계가가능하여실용적인산업체현장맞춤형설계도가능하다. 3. 다분야통합설계 기능 Parametric Study (PS) 이는주어진설계변수의변화에따른성능인자의변화를한눈에관찰하기위한경향분석툴이다. PIAnO에서는 1-Dimension Parametric Study(1PS) 와 Vector Parametric Study(VPS), 총 2가지를제공한다. What-if Study 이는각설계변수들이각성능인자들에미치는영향도를분석하는툴이다. 즉, 성능인자에미치는영향도가큰설계변수를시스템적으로선별 (Screening) 할수있도록 Design Sensitivity Analysis (DSA) 를수행한다. PIAnO에는최신의설계분석, DOE, 신뢰성해석, 근사화, 최적설계, 강건설계기법들이내부에모두탑재되어있어설계자가원하는복잡한형태의설계프로세스도추가적인프로그래밍없이 PIAnO 내에서모두소화할수있는총체적인설계프로세스의구현이가능하다. 각설계툴들에대해간략히요약하면다음과같다. Fig. 3 1PS and VPS Fig. 4 Design Sensitivity Analysis 74 전산구조공학제 25 권제 2 호 (2012. 6)
혁신적인 해석프로세스자동화 및 다분야통합설계 툴 PIAnO Design of Experimeuts (DOE) PIAnO에서는전통적인실험계획법 (Conventional DOE) 뿐만아니라전산실험에적합한공간충진실험계획법 (Space-filling DOE), 이미존재하는데이터와의관계를고려하여새로운실험을계획하는순차적실험계획법 (Sequential Sampling) 등다양한실험계획법을제공한다. 따라서이를활용하면설계자들의주요관심사항인주요설계변수판별, 근사모델생성, 설계영역탐색, 설계향상최적설계등이모두가능하다. 또한주어진설계문제에가장효과적인실험계획법을자동으로추천해주는 DOE Wizard 기능이탑재되어초보자뿐만아니라전문가도편리하게사용할수있다. DOE Wizard (Auto/Manual) 전통적인실험계획법 (Conventional DOE) - Full Factorial Design (FFD) - Central Composite Design (CCD) - Inscribed Central Composite Design (ICCD) - Face-centered Central Composite Design (FCCD) - Placket-Burman Design (PBD) - Box-Behnken Design (BBD) - Orthogonal Array 공간충진실험계획법 (Space-Filling DOE) - Optimal Latin-Hypercube Design (OLHD) 순차적실험계획법 (Sequential Sampling) - Augmented / Inherited Latin-Hypercube Design (ALHD / ILHD) 후처리기법 - 상관분석 - 회귀분석 - 분산분석 - 2D. Scatter Plot - Multi-dimensional Plot - 3D. Exploration - Smart Screening - Best Level / Best Point - Etc. Fig. 5 DOE Wizard 전산구조공학제 25 권제 2 호 (2012. 6) 75
정보기사 Fig. 6 edr Reliability Analysis (RA) RA는시스템에존재할수있는불확정성 ( 모델링에의한불확정성, 계측환경에의한입력의불확정성, 계측정밀도에의한입력의불확정성등 ) 으로인해야기될수있는성능인자의불확정성 (Uncertainty) 을확률 통계기법기반으로정량화하여해석결과에반영하는기법이다. PIAnO에서는다음과같이다양한 RA기법들을제공한다. First Order Reliability Method (FORM) - Hasofer Lind ad Rackwitz Fiessler (HLRF) Sampling Method - Monte Carlo Simulation (MCS) - Latin Hypercube Sampling (LHS) Approximation Integration Method - enhanced Dimension Reduction (edr) Approximate Model PIAnO에는공학분야에서주로사용되는대부분의근사모델들을제공한다. 이를사용하여 Black-box인시스템의설계식생성및탐색, 3차원시각화 (visualization) 등의작업을수행할수있다. 또한비용이많이요구되는해석모델 ( 또는실제실험 ) 을대체할수도있으며, 이를통해최적설계안을도출할수도있다. Approximate Wizard Interpolation Model - Kriging - Radial Basis Function for Interpolation (RBFi) Regression Model - Polynomial Regression (PR) 또는 Response Surface Model (RSM) - Radial Basis Function for Regression (RBFr) Design Optimization (DO) PIAnO의 DO툴은오랜기간축적된최적설계기술과경험이집대성되어생성된혁신적인최적화기법들로이미다양한산업체현장에서도그성능이검증된바있다. Sequential Two-point Diagonal Quadratic Approximate Optimization (STDQAO) 국내자체기술로개발된기울기기반최적화기법 (Gradientbased Optimization Technique) 으로, 민감도정보가해석기에서직접계산되거나, 민감도정보를얻기위한수치적부담이적은최적화문제를효과적인순차적근사최적화기법으로해결한다. Fig. 7 Approximate Wizard Progressive Quadratic Response Surface Method (PQRSM) 국내자체기술로개발된함수값기반최적화기법 (Direct Search Optimization Technique) 으로, 약한전역수렴성 (Weak Global Convergency) 을보장하는순차적근사최적설계기법이다. 이는 Polynomial Regression (PR) 기반의근사최적화기법이기때문에수치적노이즈가존재하는최적화문제에서탁월한효과가있다. 76 전산구조공학제 25 권제 2 호 (2012. 6)
혁신적인 해석프로세스자동화 및 다분야통합설계 툴 PIAnO Evolutionary Algorithm (EA) 자연의유전적변이와자연선택에의한적자생존원리를이용한 Population-based Metaheuristic Optimization Algorithm 중하나이다. 실변수를직접취급하기때문에연속변수와이산변수모두를다룰수있다. Micro Genetic Algorithm (μga) Genetic Algorithm (GA) 의수렴속도를향상시키기위해개체수를줄이고돌연변이과정을생략한효율적인전역최적화기법이다. Reliability Based Design Optimization (RBDO) RBDO는시스템에존재할지모르는불확정성을확률 통계기법을기반으로정량화하여최적설계과정에반영함으 로써시스템에불확정성이존재하더라도구속조건을 100% 만족하는최적해를찾아내는최적화기법이다. PIAnO에서는효율적인 RBDO 기법인 Single-Loop-Single- Vector (SLSV) 기법을기본으로제공하며, 필요시앞서언급된 4가지 RA 기법들과 4가지 DO 기법들을임의로조합하여총16 가지의 RBDO 기법들을자유롭게사용할수있다. Coupled System Solver (CSS) 이는 Multidisciplinary Analysis (MDA), 즉두개이상의해석시스템 ( 해석기 ) 간에연성이존재하는해석을수행하는툴이다. 따라서 CAE 해석과정중에임의로 data를받아들일수만있다면임의의해석기들간에 FSI 해석도가능하게된다. PIAnO의 CSS는 MDA 수행을위해비선형연립방정식의해법으로 Globally Convergent Newton s Method Fig. 8 Reliability Based Design Optimization Fig. 9 Couple System Solver Fig. 10 Examples of Building Structure Design Optimization 전산구조공학제 25 권제 2 호 (2012. 6) 77
정보기사 또는 Broyden s Method 를제공한다. 4. 주요적용분야 산업체현장에서사용되는다양한해석및실험들을연계하여통합설계하는 PIAnO는토목, 건축, 기계, 항공, 조선을포함하여엔지니어링전반에걸쳐적용이가능하다. 현재까지산업체에서주로적용되고있는분야들을정리하면다음과같다. 조선 / 플랜트 / 토목 / 건축 / 발전 - 선형추진기프로펠러형상 /SONAR 압전변환기 / 풍력발전기진동특성 / 터빈형상 / 주차타워구조최적설계등 항공 / 우주 / 국방 - Rotorcraft 성능 / 항공기구조 /Tracked Vehicle 진동특성 /Missile 궤적최적설계등 기계 / 로봇 / 제조장치 - 유압브레이커하우징형상 /Chip Breaker 장치 / 초정밀 Stage 형상최적설계등 자동차 - CTBA 내구 /Suspension K&C/Frame 형상 / 제어기 Tuning/ 차량충돌및 NVH 성능 /Wiper Linkage Path/Trunk Lid Linkage/Defrost 성능 /Engine Mount NVH 성능 /Turbocharger용 Resonator 위치 /Engine Ladder Frame 형상최적설계등 전기 / 전자 - 에어컨배관 / 드럼세탁기진동특성 / 세탁기액체 Balancer/ 휴대폰액정 / 전기모터특성 /HDD Head Slider 형상 / 프린터블레이드 / 광학랜즈형상최적설계등 5. 결론 본기사에서는국내자체기술로개발된 PIAnO 소프트웨어의기능들에대해간략히기술하고소개하였다. 특히전산시뮬레이션에서반드시필요로하는해석모델검증, 해석 / 설계프로세스자동화, 해석 / 설계데이터관리, 불량원인분석, 실험계획법, 개념설계, 설계개선, 최적설계, 강건 / 신뢰성 / 공정최적설계, 다분야통합최적설계등실제제품및공정설계문제에매우효과적으로적용될수있을것으로사료된다. 참고문헌 (1) PIAnO User s Manual - Version 3.5, April 2012, PIDOTECH Inc. [ 담당 : 윤길호, 편집위원 ] 78 전산구조공학제 25 권제 2 호 (2012. 6)