펌프 세계유수의펌프제조업체중하나인 Grundfos 는시뮬레이션기반개발로펌프효율을높이고제품개발기간을단축하고있습니다. 작성자 : 야콥베르네르센, 덴마크베어링브로소재 Grundfos, 기계기술사업부부장및니콜라스엔겐페데르센, Grundfos, 수석유압엔지니어 G rundfos는현재전세계전기사용량의 10% 를펌프가차지하고있다고추정합니다. 이회사의엔지니어들은에너지사용량과운용비용을줄이고환경을개선하기위해펌프효율을최적화하는일에지속적으로주력하고있습니다. 펌프를설계하기위해 Grundfos는 1980년대이래로유한요소해석 (FEA) 를사용하고있으며 1990년대이래로전산유체역학 (CFD) 을사용하고있습니다. 원래 FEA와 CFD는연구및문제해결용도로사용되었으며, 이러한시뮬레이션에서얻은정보 Grundfos 엔지니어들은시뮬레이션을사용하여새로운펌프의수력효율을상당히향상시켰습니다. WWW.ANSYS.KR ANSYS ADVANTAGE 17
문제의규모를줄이고합리적인메시밀도를얻기위해임펠러에순환대칭이사용되었습니다. 수력학적형상정의에사용된임펠러의파라메트릭모델 GRUNDFOS 와 ANSYS ansys.com/93grundfos CFD 메시 중일부가새제품설계에도움을주었습니다. 이러한기간을거친후, 15년전에 Grundfos는신뢰성과효율성이뛰어난제품을개발하기위해제품설계에시뮬레이션을사용하기로결정했습니다. 최근에이회사는일련의시뮬레이션툴을결합하여 PumpIt이라고하는자동화된설계루프로만들었으며, 엔지니어들은이 PumpIt을사용하여수동적개입없이수백가지의설계를검토할수있게되었습니다. 여기에사용된최적화루틴은전체설계공간을탐색하여 Grundfos 엔지니어가설정한조건에맞는최적의설계를식별합니다. PumpIt의사용자인터페이스에서는엔지니어가임펠러, 안내날개, 볼류트등설계하려는구성요소유형을지정 할수있습니다. 그런다음 PumpIt이자동화된설계최적화루프를시작합니다. 이루프에서는 ANSYS CFD 소프트웨어를비롯한시뮬레이션툴을호출하여설계공간을탐색합니다. 예를들어최근에 Grundfos 엔지니어들은 PumpIt을사용하여 ANSYS CFX CFD 시뮬레이션을구동하는방식으로새펌프의유압표면을최적화했습니다. 엔지니어들은펌프의수력효율을 1~2% 씩증가시키면서보다넓은유속범위에서최대한의효율수준을얻을수있도록확장시켜나갔습니다. 이팀은 ANSYS Mechanical FEA 소프트웨어를사용하여구조적관점에서펌프를최적화했기때문에중량과제조비용을최소화하는동시에피로수명목표를충족시킬수있었습니다. 펌프설계과제펌프연간생산량이 1천 6백만대이상인 Grundfos는세계유수의펌프제조업체중하나입니다. 이회사는주택, 사무실, 호텔등에서난방, 환기및공조에사용되는순환펌프의주요생산자이며약 50% 의시장점유율을확보하고있습니다. Grundfos는상수, 하수, 보일러, 압력과급및기타산업응용분야에사용되는원심펌프와다른 OEM(Original-Equipment Manufacturer) 제품에통합되는펌프도생산합니다. 다중물리시뮬레이션프로세스로새펌프의총설계시간을 30% 줄였으며물리적프로토타입제작비용을약 400,000 달러절감했습니다. 18 ANSYS ADVANTAGE Volume IX Issue 3 2015
CFD 압력결과는구조시뮬레이션에하중으로매핑됐습니다. 압력분포와속도벡터를사용하여표시한 CFD 결과 Grundfos 장비를최적화하려면엔지니어가펌프의최대효율을향상시켜야합니다. 또다른목표는넓은유속범위에서높은수준의효율성으로비교적일정한성능곡선을제공하는것입니다. 펌프의유속은설치환경에따라달라지기때문에비교적일정한성능곡선을가져야많은응용분야에서높은수준의효율성을제공할수있습니다. 일정한성능곡선은공동현상을줄여주기때문에수명도연장합니다. 펌프설계의또다른중요목표는최소한의중량으로구성요소의구조적요구사항을충족시키는것입니다. 재료사용량을최소화하면제조비용이절감되고구성요소중량이감소합니다. 펌프구성요소가가벼워지면소음과진동을줄이면서더저렴한베어링을사용할수있게됩니다. 유동시뮬레이션최근에, Grundfos 엔지니어들은 PumpIt 을사용하여새펌프를위한다단유압기계를설계했습니다. 팀은펌프로끌어오는유체와접촉하는표면의수력학적형상을정의하기위해모든펌프구성요소의파라메트릭모델을개발했습니다. 설계목표는수력효율을극대화하고최대한넓은유속범위에서최대효율을제공하는것이었습니다. PumpIt 툴에서는실험계획법 (DOE) 을사용하여설계공간에서각구성요소를탐색하는일련의반복과정을만들었습니다. 다음으로, PumpIt 에서는반복과정의각설계에대한형상을생성하고 CFD 소프트웨어를호출하여 유압임펠러의변형 전역응력시뮬레이션 WWW.ANSYS.KR ANSYS ADVANTAGE 19
구조적메시 Grundfos 엔지니어들은하위모델링을사용하여시뮬레이션시간을크게증가시키지않고구성요소의중요영역을꽤세부적으로평가했습니다. 오른쪽이미지는응력결과를보여줍니다. 각설계의시뮬레이션을했습니다. 초기 DOE 에는약 40 개의설계가포함 되었습니다. 이를통해시뮬레이션에서가 장중요한역할을하는파라미터를결정 했으며이러한확실한파라미터값을광 범위하게기술했습니다. 그런다음, 이렇 게구한파라미터와값을크리깅 (Kriging) 기반최적화알고리즘의시작위치로사 용하여 CFD 평가에사용할추가적인설 계반복을자동으로생성했습니다. 최적 화루틴에서는각설계반복의결과를평 가한후그결과를바탕으로추가적인설 계반복을수행했습니다. 반복할때마다 설계가효율성목표에가까워졌습니다. 초기분석은확실한파라미터값을얻 는데걸리는기간을단축하기위해밀도 가낮은메시와표준난류모델을사용하 여수행했습니다. 설계가최적의값에수 렴하게된후에는밀도가더높은메시와 더향상된난류모델을적용하여 CFD 모 델을재정의했습니다. 정확도가높은결 과를얻기위해엔지니어들은최대 48 개 Grundfos 에서는하룻밤사이에수백개설계반복의시뮬레이션을할수있었습니다. 의코어를사용하여고성능컴퓨팅클러스터에서분석을수행했습니다. 클러스터에는 8TB의랜덤액세스메모리와 Lustre 병렬파일시스템에서실행되는 50TB의고속저장장치를사용하는 1,000개이상의코어가있었습니다. 엔지니어들은하룻밤사이에수백개설계반복의시뮬레이션을했습니다. 다음단계는가장유력한제조성을평가하는것이었습니다. Grundfos 엔지니어들은다양한대체생산기술을사용하여각설계를얼마나쉽게생산할수있는지를검토했습니다. 검토방법은각생산방법에필요한기하학적파라미터를평가하는것이었습니다. 이경우엔지니어들은스테인리스강판에서구성요소를압착하기로결정했습니다. 최선의설계에대한성능통계는모든출력변수를표시하도록구성할수있는 PumpIt 다차원솔루션시각화툴에표시되었습니다. 구조분석 CFD로유압기계설계를최적화한후 Grundfos 엔지니어들은 ANSYS Mechanical 로구조분석을수행하여각구성요소가가능한한낮은비용과중량을유지하면서피로수명요구사항을충족할수있는지확인했습니다. 엔지니어들은 CFD 시뮬레이션에서결정된유압을유한요소해석에매핑하여복잡한유압분포와정확하게일치하는하중조건을지정했습니다. 계산비용을최소화하고합리적인메시밀도를적용할수있도록순환대칭을적용했습니다. 박판구성요소의용접작업은국제용접협회의발행물 Recommendations for the Fatigue Assessment of Welded Structures by Notch Stress Analysis 의권장사항에따라모델링했습니다. 피로수명은노치응력방법을사용하여평가했습니다. 또한팀에서는하위모델링을사용하여시뮬레이션시간을크게증가시키지않고구성요소의중요영역을꽤세부적으로평가했습니다. 엔지니어들은용접파라미터를변경하는자동화된워크플로를구성했기때문에용접프로세스를최적화하는방법을결정할수있었습니다. 또한구조시뮬레이션을사용하여모든지정된수명기간의파괴가능성을예측했습니다. 이정보를얻는다른유일한방법은많은비용과시간이소요되는물리적테스트프로그램을사용하는것입니다. Grundfos 엔 20 ANSYS ADVANTAGE Volume IX Issue 3 2015
지니어들은용접두께, 공극, 유동점등과같은입력변수에대한다양한민감도분석을수행하여구성요소의피로수명에따른설계의강인성을확인했습니다. 시뮬레이션이각입력변수에대한피로수명의통계적분포를제공했기때문에구성요소의품질과신뢰성을향상시킬수있었습니다. 다른구조적구성요소의경우설계프로세스의콘셉트수준에서토폴로지최적화를사용하여제안설계를얻은후나중에정밀하게조정했습니다. 이렇게하여시간과비용이많이필요한설계반복을피할수있었으며, 설계성능을향상시키면서개발기간과전체비용을줄일수있었습니다. 이를위해 Dassault Systèmes 의 Tosca 토폴로지최적화소프트웨어를 ANSYS Workbench 인터페이스와 ANSYS 구조솔버에연동했습니다. 성능개선및제품출시시간단축결과적으로, 설계비용과리드타임이줄어들고제품성능이상당히향상되었습니다. Grundfos 엔지니어들은시뮬레이션을통해새로운펌프의수력효율을크게향상시켰습니다. 전통적인프로토타입기반설계프로세스와비교하여, 다중물리시뮬레이션프로세스로새펌프의총설계시간을 30% 줄였으며물리적프로토타입제작비용을약 400,000달러절감했습니다. 최근에 Grundfos는한단계더발전하기위해시뮬레이션프로세스를 ANSYS Workbench 환경으로마이그레이션하는결정을내렸습니다. Workbench를통합프레임워크로선택한이유는광범위한 ANSYS 응용프로그램포트폴리오뿐만아니라타사응용프로그램도원활하게통합하는기능이있기때문입니다. ANSYS Workbench를사용하면최첨단사용자인터페이스, 워크플로및응용프로그램을개발할수있습니다. Workbench가제공하는공통적인툴과서비스, 예를들어파라미터관리, 단위및식, 응용프로그램개발툴, 솔버연동기능등으로상당한시간을절약할수있습니다. Grundfos는 ANSYS HPC Parametric Pack 라이선스를사용하여비용효율적으로대규모파라메트릭설계변형의시뮬레이션을하고있습니다. Workbench 워크플로를사용하면엔지니어가다중물리에대한시뮬레이션기반개발프로세스를생성하여임펠러, 안내날개, 볼류트같은유압구성요소를설계 각설계반복이설계목표를충족할수있는역량은 PumpIt 솔루션시각화툴에그래픽으로표시됩니다. Grundfos 엔지니어들은펌프의수력성능을크게향상시켰습니다. 시뮬레이션으로구성요소의품질과신뢰성을향상시킬수있었습니다. 할수있습니다. 이툴을통해 Grundfos는펌프성능을더높은수준으로끌어올리면서설계비용과리드타임을상당히단축할수있습니다. Grundfos는 ANSYS 채널파트너인 EDR Medeso 의지원을받고있으며, EDR Medeso는시뮬레이션기반개발전략을만들고구현하는과정에서 Grundfos를지원해왔습니다. WWW.ANSYS.KR ANSYS ADVANTAGE 21