CAE(Computer-Aided Engineering)란?

CAE(Computer-Aided Engineering)는 소프트웨어 툴을 사용하여 제품 설계를 디지털 방식으로 시뮬레이션하고 최적화하는 엔지니어링의 하위 분야입니다. CAE는 산업 전반에 걸쳐 고장 해석을 지원하고, 성능을 개선하고, 개발 비용을 줄이고, 설계 주기를 단축하며, 엔지니어에게 제품 성능에 대한 통찰력을 제공하는 데 사용됩니다.

항공 우주 산업에서 처음 개발된 CAE 툴은 엔지니어링 프로세스의 필수적인 부분으로 발전하여 물리적 프로토타입이 나오기 훨씬 전에 제품 개발 결정을 내리는 데 중요한 역할을 하는 경우가 많습니다. 엔지니어링 분야에서 CAE 툴과 기술에 대한 투자 수익률이 가장 높은 이유는 실제 시나리오를 가상으로 테스트하고, 중요한 설계 질문에 답하고, 설계 프로세스 초기에 기능과 성능을 검증할 수 있기 때문입니다.

CAE 툴은 적용된 하중에서 주어진 지오메트리, 재료, 연결 및 구속 조건이 거동하는 방식에 대한 수학적 표현을 생성합니다. 모든 CAE 시뮬레이션의 목표는 알려진 시스템 수량을 정의하고 미지의 값을 계산하는 것입니다. 가능한 경우 물리적 테스트 대신 사용되거나, 실제 테스트가 필요한 경우 반복을 줄이기 위해 사용됩니다.

CAE에서 사용되는 일반적인 용어

CAE 엔지니어들이 사용하는 3단계 프로세스를 자세히 살펴보기 전에 몇 가지 일반적인 용어를 복습해 보겠습니다.

• 하중: 디지털 모델에 작용하는 외부 힘 또는 에너지 변화입니다.
• 구속 조건: 자유도를 사용하는 모델에서 사용자가 고정하는 특성 값입니다.
• 경계 조건: 모델에 적용된 하중 및 구속 조건입니다.
• 연결: 모델의 각 개체 간에 물리적 값이 전송되는 방식에 대한 정의입니다. 이는 일반적으로 압력 또는 변위와 같은 하중 또는 구속 조건입니다.
• 재료 특성: 주어진 재료에 경계 조건이 적용될 때 해당 재료가 어떻게 거동하는지에 대한 정의입니다. 강성, 전도성, 밀도와 같은 속성은 재료 특성입니다.
• 모델: 알려진 속성과 적용된 하중에 반응하는 방법에 대한 수학적 표현입니다.
• 메시 및 메싱: 많은 CAE 툴은 모델 영역을 셀 또는 요소라고 하는 개별 지오메트리 영역 또는 체적으로 분할합니다. 이러한 요소와 해당 연결에 대한 수학적 정의가 메시이며, 메싱은 이산화 프로세스입니다.
• 솔버: 일련의 지수가 주어졌을 때 미지수를 계산하는 데 사용되는 알고리즘을 나타냅니다.
• 결과: 해석된 미지수를 수치로 표현한 것입니다.

CAE가 적용되는 분야와 관계없이 실무자들은 일반적으로 전처리, 해석, 후처리의 세 단계를 따릅니다. 각 단계의 복잡성은 시뮬레이션에서 포착된 물리, 요구되는 정확도 수준, 제품의 복잡성, 디지털 모형에 구현된 운영 환경의 복잡성에 따라 달라집니다. 또한 이 프로세스는 항상 엔지니어링 팀이 시뮬레이션에서 얻고자 하는 정보에 따라 진행됩니다.

표준 3단계는 다음과 같습니다.

전처리: 문제 설명

전처리는 CAE 워크플로우에서 가장 중요한 첫 번째 단계입니다. 이 단계에서 엔지니어는 알려진 값을 문서화하고, CAE 소프트웨어를 사용하여 지오메트리를 이산화하고, 필요한 모든 데이터를 데이터베이스에 캡처합니다. 대부분의 경우 시스템의 지오메트리 또는 구성 요소를 가져와서 지오메트리를 이산화 또는 메싱하는 것으로 모델 구축이 시작됩니다. 그런 다음 사용자는 특정 물리적 값을 정의하고 지오메트리에 작용하는 하중을 정의하는 구속 조건을 적용해야 합니다. 또한 사용되는 각 재료의 속성, 구성 요소 간의 연결, 경계 조건이 시간이 지남에 따라 어떻게 변하는지도 지정해야 합니다. CAE 시뮬레이션을 수행하는 엔지니어의 마지막 작업은 솔버가 작업을 수행하는 데 필요한 입력과 변수를 지정하여 수학적 문제를 해석하는 방법을 지정하는 것입니다.

솔버가 문제의 출력을 계산할 때 입력이 잘못된 경우 출력이 실제 상황을 반영하지 못하기 때문에 전처리는 중요합니다. 전형적인 GIGO(Garbage In, Garbage Out) 상황입니다. 또한 자동화와 CAD(Computer-Aided Design) 지오메트리 툴과의 긴밀한 연결이 전처리의 속도와 정확도를 높인다는 점을 알아야 합니다.

해석: 수학적 모델 구축 및 해석

전처리 과정에서 소프트웨어가 구축한 수학적 표현을 실제로 처리하는 과정을 해석이라고 합니다. 먼저, 솔버는 수학적 정의를 기지의 값과 미지수를 포함하는 방정식 세트(일반적으로 편미분 방정식)로 변환합니다. 그런 다음 수치 방법을 사용하여 미지수에 대한 방정식 세트를 해석합니다. 소프트웨어를 사용하여 미지수를 구하지만, 일부 알고리즘은 많은 양의 메모리, 디스크 공간 및 CPU 자원을 소모할 수 있습니다. 많은 CAE 모델을 해석할 때는 효율적인 솔버 방법과 고성능 컴퓨팅 자원에 대한 접근이 중요합니다.

후처리 솔루션 살펴보기

해석 단계의 결과는 데이터베이스에 숫자로 저장됩니다. 이러한 값을 활용하려면 엔지니어가 CAE 소프트웨어를 사용하여 유용한 표현으로 변환해야 합니다. 후처리 중에 생성되는 일반적인 결과 표현 중 일부는 다음과 같습니다.

• 그래프
• 결과 값이 색상으로 표현된 지오메트리
• 필드의 결과를 주어진 값의 표면으로 표현
• 유체의 움직임은 유선, 필드 값은 화살표, 빛의 경로는 광선으로 표현
• 왜곡된 지오메트리
• 표
• 결과 값과 해당 값의 좌표 위치가 있는 컴퓨터 파일

값이 색상으로 표현된 지오메트리 플롯은 후처리 중에 생성되는 가장 일반적인 유형의 출력입니다. 대부분의 경우 엔지니어는 후처리를 사용하여 설계를 확인하고 검증하거나 설계 또는 제조 프로세스에서 의사 결정을 내리는 데 도움이 되는 정보를 제공합니다.

CAE에서 중요한 부분은 모델을 수정하고 다시 해석하여 이러한 변경 사항이 결과에 어떤 영향을 미치는지 평가하는 것입니다. 이는 엔지니어가 수동 워크플로우를 따르거나 원하는 출력 값으로 수렴하는 알고리즘을 사용하여 입력을 파라미터적으로 변화시키는 루프를 자동화하는 방식으로 수행할 수 있습니다( 최적화 라고 함). 대부분의 최신 CAE 소프트웨어에는 엔지니어가 이러한 반복을 자동화하고 제어할 수 있게 해주는 스크립팅 기능이 포함되어 있습니다. 최근에는 이러한 작업이 Python API를 사용하여 수행되는 경우가 점점 늘어나고 있습니다. Ansys CAE 툴 제품군 전반에서 Ansys 소프트웨어에 액세스할 수 있는 Python 기반 툴인 PyAnsys가 그 예입니다.

엄밀히 말하면 CAE는 컴퓨터를 사용하여 제품의 거동을 계산하는 모든 유형의 시뮬레이션을 의미합니다. 엔지니어는 해석 중인 물리 유형 또는 사용하는 솔버 유형별로 시뮬레이션을 분류할 수 있습니다.

물리별 CAE 유형

• 구조 및 기계:    
  • 구조 해석: 정적 하중을 받는 재료의 처짐 및 변형입니다.
  • 동적 해석: 시간에 따라 변하는 하중을 받는 재료의 처짐 및 고유 진동수 응답입니다. 음향 시뮬레이션도 포함됩니다.
  • Explicit Dynamics: 짧은 시간 동안의 처짐 및 변형입니다.
  • 다물체 동역학(MBD): 시스템 내 물체의 상대적인 변위로, 운동량을 고려하지 않을 경우 운동학을 모델링합니다.
• 열 및 유체
  • 열역학: 시스템 내 발열 및 에너지 전달입니다.
  • 연소 및 분자 역학: 화학 반응으로 인한 발열입니다.
  • 열 전달 또는 열 해석: 대류, 전도 및 복사로 인해 시스템을 통해 열이 이동하는 것입니다.
  • CFD(전산유체역학): 나비에-스토크스 방정식을 해석하는 시스템의 유체 흐름입니다.
• 전자 및 전자기학:
  • 회로 시뮬레이션: 전기 시스템의 전류 흐름 및 전압 값입니다.
  • 논리 및 RTL 시뮬레이션: 회로의 디지털 신호입니다.
  • 저주파 전자기학: 파장이 물체보다 훨씬 큰 전자기장입니다.
  • 고주파 전자기학: 파장이 물체보다 작은 전자기장입니다.
  • 신호 무결성 시뮬레이션: 서로 다른 회로 간에 상호 작용하는 신호입니다.
• 기타:
  • 시스템 시뮬레이션(1-D): 시스템을 "블록"으로 표현한 것으로, 각 블록은 시스템의 구성 요소를 나타냅니다.
  • 프로세스 시뮬레이션: 화학 처리에서 공급망에 이르기까지 모든 유형의 공정을 1D로 시뮬레이션한 것입니다.
  • 기술 CAD: 집적 회로(IC) 내 트랜지스터의 물리적 작동 원리입니다.
  • 광학 시뮬레이션: 굴절, 반사, 복사 및 흡수를 포함한 빛의 움직임입니다.
  • 다중물리: 두 물리가 하나의 시뮬레이션에 결합된 것입니다. 가장 일반적인 것은 유체-구조 상호작용(FSI)과 전기-열입니다.

솔버별 CAE 유형

여러 솔버 유형으로 다양한 물리 유형을 해석할 수 있습니다. 예를 들어, 열 전달 시뮬레이션은 유한 요소, 유한 차분 또는 유한 체적 솔버를 사용하여 열 흐름을 계산할 수 있습니다.

엔지니어가 사용하는 CAE 접근 방식을 설명할 때 언급되는 가장 일반적인 유형의 솔버는 다음과 같습니다.

• FEA(유한 요소 ‍해석): 선형대수를 이용하여 지오메트리를 이산화된 표현을 사용하는 요소로 계산합니다. FEA는 CAE에서 가장 일반적인 솔버 접근 방식이며 구조, 전자기 및 열 해석에 주로 사용됩니다.
• 유한 차분 해석(FDM): 모델의 이산 지점에서 미지의 값을 계산합니다. 시스템, 회로 및 프로세스 모델링에 자주 사용되고, 단순화된 표현에 사용되며 실시간으로 해석할 수도 있습니다.
• 유한 체적 해석(FVM): 에너지 또는 질량 보존 법칙을 이용하여 작은 체적에서 미지의 값을 계산합니다. 이는 CFD의 가장 일반적인 솔버 유형입니다.
• 경계 요소 해석(BEM): 시스템에서 개체 표면의 이산화된 표현을 사용하여 필드를 해석합니다.
• 이산 요소법(DEM): 개별 입자의 위치와 운동량을 계산합니다. 암석, 곡물 또는 분말과 같은 벌크 재료의 입자 거동을 모델링하는 데 사용됩니다.
• SPH(Smoothed particle hydrodynamics): 체적 대신 블롭을 사용하여 유체의 미지수를 해석합니다. 슬로싱 및 파도에 효과적입니다.
• 레이 트레이싱: 빛과 소리의 속도, 에너지, 반사, 굴절 및 흡수를 계산합니다.

컴퓨터를 활용하여 제품 개발 프로세스, 제조 및 유지 관리를 포함한 전체 제품 수명 주기 전반에 걸쳐 다른 단계를 지원하면 CAE 솔루션을 더욱 효과적으로 사용할 수 있습니다. 디지털 엔지니어링 접근 방식을 사용하면 각 영역이 여러 면에서 동일한 이점을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, CAE 툴의 데이터 흐름도 훨씬 원활해집니다.

가장 일반적인 형태의 컴퓨터 지원 영역은 다음과 같습니다.

• 컴퓨터 지원 설계(CAD): 2D 물리적 도면이 CAD 도면으로 전환되고, 나중에 솔리드 모델로 전환되면서 제품 개발에 소프트웨어가 사용되기 시작했습니다. CAD 사용은 수십 년 동안 사실상 표준이었습니다. 거의 모든 CAE 툴이 지오메트리 및 치수 파라미터를 교환하기 위해 CAD 툴과의 긴밀한 커플링을 지원합니다.
• 전자 컴퓨터 지원 설계(ECAD): 토목 및 기계 공학 분야의 CAD와 유사하게, ECAD는 제품 개발을 지원하는 컴퓨터 소프트웨어 툴 모음으로, 특히 전기 시스템 구성에 중점을 두고 있습니다. ECAD는 집적 회로의 트랜지스터부터 다층 인쇄 회로 기판(PCB) 레이아웃에 이르기까지 제품 정의에 사용됩니다. 전자 장치 설계 자동화(EDA)라는 용어는 엔지니어가 PCB 및 집적 회로를 설계, 시뮬레이션, 검증 및 제조하도록 지원하는 툴을 말합니다.
• 컴퓨터 지원 제조(CAM): CAD는 CAM 소프트웨어를 사용하여 제조 계획 및 실행을 지원하는 툴과도 결합됩니다. CAM 툴은 컴퓨터 수치 제어(CNC) 가공 시스템 프로그래밍부터 로봇 및 자동 조립 라인에 이르기까지 모든 작업에 사용할 수 있습니다.
• 컴퓨터 지원 프로세스 계획(CAPP): 또한 제조 및 프로세스 엔지니어는 CAPP 툴을 사용하여 프로세스를 계획하고 최적화하며, 때로는 옵션의 가상 프로토타입을 제작하기 위해 CAE 툴을 통합하는 경우도 있습니다.

CAE 분야에서 변하지 않는 유일한 한 가지는 컴퓨터 하드웨어, 수치 해석 방법, 사용자 인터페이스 설계의 발전을 활용하여 기능과 속도가 지속적으로 향상되어 왔다는 점입니다. 이러한 동향은 정확성, 사용 편의성 및 솔버 성능 개선에 똑같이 중점을 두면서 계속되고 있습니다.

다음은 향후 몇 년 안에 개선을 가져올 것으로 예상되는 몇 가지 발전 사항입니다.

생성형 인공지능(AI)

CAE 소프트웨어는 수십 년 동안 AI, 특히 머신러닝(ML)과 전문가 시스템을 사용해 왔습니다. 현재 연구는 대규모 언어 모델을 사용자 경험 및 솔버에 통합하는 것과 신경망에 초점이 맞춰져 있습니다. 사용자는 이미 광범위한 Ansys 툴에서 전처리 및 후처리 중에 Ansys Engineering CoPilot과 같은 툴을 사용하여 사용자 인터페이스에서 이 기술을 활용할 수 있으며, 시뮬레이션을 위한 Ansys SimAI AI 플랫폼, 지오메트리를 위한 Ansys GeomAI AI 플랫폼 및 Ansys TwinAI AI 기반 디지털 트윈 소프트웨어를 통해 솔버 측에서도 이 기술을 활용할 수 있습니다.

그래픽 처리 장치(GPU)

CAE 솔버는 그래픽 처리 및 생성형 AI 모델 학습에 사용되는 벡터 연산의 대규모 병렬화를 활용합니다. 프로그래머는 선형 대수 알고리즘을 간소화하여 더 큰 모델을 만들고 더 빠른 해석을 수행할 수 있습니다.

집적 회로 소형화 및 향상된 전력 관리

CPU, GPU 및 메모리 IC의 개선도 마찬가지입니다. 더 작은 피처 크기는 더 많은 트랜지스터 집적과 더 높은 클록 속도를 가능하게 하며, 이는 CAE 도구의 성능 향상에 기여합니다. 이러한 개선된 칩을 설계하는 데 CAE 툴이 매우 중요하다는 점에 주목할 필요가 있습니다.

CAE 툴은 항공 우주 산업에서 그 진가를 처음으로 인정받아 다양한 산업 분야로 활용 범위가 확대되었습니다. 다음은 CAE 워크플로우가 설계 워크플로우의 일부가 된 몇 가지 산업 분야입니다.

• 항공 우주 및 방위(A&D): CAE는 1970년대부터 항공 우주 및 방위 산업 제품 개발과 수명 주기 관리의 필수적인 부분이었으며, 현재까지도 워크플로우의 핵심 구성 요소로 남아 있습니다. 이 업계에서 이를 사용하는 주된 이유는 높은 비용, 낮은 생산량, 테스트하기 어려운 환경, 심각한 안전 우려 때문입니다.
• 자동차: 자동차 업계는 항공 우주 및 방위 업계와 마찬가지로, 시간을 두고 CAE를 적극적으로 도입해 왔습니다. 이를 사용하는 주된 이유는 자동차의 복잡성 증가, 상당한 경쟁력, 비용 압박과 그에 못지 않게 중요한 안전 우려 때문입니다.
• 건설 환경: 토목 공학 분야에서 대형 구조물을 건설하는 엔지니어들은 전체 공정에 걸쳐 CAE를 적용함으로써 큰 이점을 얻습니다. CAE는 항상 구조 엔지니어링의 기반이었지만 건물, 고속도로, 하수 시스템 등의 시스템 시뮬레이션을 통해 사용량이 증가했습니다. 이 업계는 디지털 트윈을 조기에 채택했습니다.
• 전자 장치: CAE 툴을 사용하여 설계를 구동하고 검증할 수 있게 되면서 최신 집적 회로의 설계가 가능해졌습니다. 복잡한 전자 장치 시스템의 냉각, 패키징 및 제조 또한 설계 및 최적화를 위해 CAE 소프트웨어를 사용하는 엔지니어에게 크게 의존합니다.
• 발전: CAE를 일찍부터 도입한 또 다른 그룹은 발전 설비와 발전소를 설계, 건설 및 유지 관리하는 엔지니어들입니다. 증기 터빈에서 모듈식 원자로에 이르기까지 거의 모든 구성 요소와 시스템이 가상으로 모델링되고 테스트됩니다.
• 광업, 석유, 가스 탐사 및 추출: 높은 비용과 높은 수익을 수반하는 천연자원 탐사 및 추출에 종사하는 엔지니어들은 시뮬레이션 툴을 사용하여 매장지를 찾고, 그 자원을 추출하는 데 사용되는 기계와 시스템을 설계합니다.

CAE 소프트웨어 툴의 가치는 엔지니어들이 선택할 수 있는 엄청나게 많은 옵션만 봐도 잘 알 수 있습니다. 어떤 툴을 사용할지 결정할 때 팀이 고려해야 할 사항은 다음과 같습니다.

• 개발 중인 제품에 필요한 정보를 제공하는가?
• 내 CAD와 원활하게 연동되고 양방향 파라메트릭 기능도 지원하는가?
• 사용법을 배우기 쉬운가?
• 유용한 온라인 문서 및 지원 자료가 제공되며, 필요할 때 전문적인 인적 지원도 받을 수 있는가?
• 고용하거나 계약할 수 있는 사용자가 많은가?
• 솔버가 현대적이고 효율적이며 최신 하드웨어 기술을 활용하는가?
• 개발 팀이 항상 새로운 기능과 향상된 기능을 연구하고 있는가?
• 다중물리를 지원하는가?
• 솔루션 결과를 사용 가능한 형태로 신속하게 변환하는 강력한 후처리 기능이 있는가?
• 팀이 전처리기를 쉽게 맞춤화하거나 작업을 자동화할 수 있는가?
• 최적화 및 파라메트릭 스터디가 처음부터 내장되어 있는가?

Ansys, part of Synopsys는 이러한 모든 질문에 긍정적인 대답을 드릴 수 있습니다.

대표적인 제품을 자세히 살펴보면 CAE 툴이 얼마나 발전했으며 엔지니어링 팀에 얼마나 큰 가치를 제공하는지 알 수 있습니다.

3D 설계의 CAE

Ansys Discovery 3D 제품 시뮬레이션 소프트웨어는 설계 팀을 위한 업계 최고의 CAE 툴로, CAD와 긴밀하게 연동됩니다. 직관적인 단일 인터페이스에서 지오메트리 모델링 및 수정, 구조, 열 및 유체 해석과 최적화를 제공합니다. 또한 이는 GPU를 고급 솔버에 통합하여 거의 실시간 결과를 제공하고, 최근에는 AI 툴을 활용하여 CAE 전문가가 아닌 사람들에게도 시뮬레이션 워크플로우를 안내하는 방법을 보여주는 주목할 만한 사례입니다. 엔지니어는 3D 설계 공간에서 시뮬레이션을 완료한 후 시뮬레이션 결과를 상세한 물리 및 다중물리 해석으로 전환할 수 있습니다. 예를 들어, Discovery 소프트웨어 사용자는 Ansys Mechanical 구조 FEA 소프트웨어, Ansys Fluent 유체 시뮬레이션 소프트웨어 및 Ansys HFSS 고주파 전자기 시뮬레이션 소프트웨어와 같은 대표적인 제품으로 전환할 수 있습니다.

Ansys Discovery 3D 제품 시뮬레이션 소프트웨어에서 수행된 CFD 결과는 환기 시스템의 해석을 거의 실시간으로 보여줍니다.

구조, 동적 및 열

전 세계 엔지니어들은 Mechanical 소프트웨어를 최고의 FEA 툴로 신뢰하고 있습니다. 이 소프트웨어는 주로 구조, 진동 및 열 상황을 시뮬레이션하는 데 중점을 두고 있지만 음향, 전압, 파괴 역학 및 기타 여러 물리도 지원합니다. 시뮬레이션은 비선형성과 시간 종속성을 포함할 수 있으며, 이 모든 기능은 내장된 파라메트릭과 최적화 기능을 갖춘 개방형 스크립트 가능 플랫폼에서 제공됩니다.

유체 시뮬레이션

Fluent 소프트웨어는 업계 전반의 유체 역학을 모델링하는 데 사용되는 포괄적이고 강력한 CFD 플랫폼을 대표하는 소프트웨어입니다. CFD 문제를 해석하는 것은 수학적으로 매우 까다롭기 때문에, 더 크고 정확한 모델을 지원하기 위해 고성능 컴퓨팅(HPC)과 GPU를 활용하는 좋은 예이기도 합니다.

고주파 전자기학

고주파 전자기학 CAE에 대한 업계 최고의 표준은  HFSS 소프트웨어입니다. PCB부터 심우주 안테나에 이르기까지, 엔지니어들은 이 FEA 기반 툴을 사용하여 현대 경제의 주축인 전자 장치 및 통신 제품의 설계를 주도해 왔습니다. 이는 첨단 기능, 사용 편의성 및 효율적인 실행의 대표적인 사례입니다.

전자 장치 열 해석

마지막으로 살펴볼 예시는 업계에서 수직적 애플리케이션이라고 부르는 것, 즉 특정 사용 사례에 초점을 맞춘 CAE 툴입니다. Ansys Icepak 전자 장치 냉각 시뮬레이션 소프트웨어는 Fluent 솔버를 기반으로 구축된 전처리 및 후처리 툴로, 전자 장치 냉각과 PCB 열 시뮬레이션 및 해석을 위해 특별히 제작되었습니다.

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