물의 흐름이나 열의 이동과 같은 자연계의 모든 현상은 특정한 법칙과 구속의 지배를 받는다. 이것을 다르게 표현하면 대상 물체의 거동은 지배하는 법칙과 구속을 정확히 파악하여 똑같이 부여하면 얼마든지 재현이 가능하다는 뜻이다. 재현은 대부분 실험이나 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션으로 이루어진다.
컴퓨터 시뮬레이션은 해당되는 현상을 지배하는 법칙과 구속을 수학적으로 계산하여 그 결과를 화면상에 가시적으로 보여주는 것이다. 그렇게 하기 위해서는 이러한 법칙과 구속을 수학적으로 표현하고, 수학적인 표현을 컴퓨터가 계산할 수 있는 수식 형태로 전환하여야 한다.
→ 앞의 포스팅에서 몇 번 설명했듯이, 어떤 물체의 움직임이나 받는 응력을 계산하기 위해서, 실제로 물체를 지배하는 법칙과 구속을 정확히 알 수만 있다면 컴퓨터 시뮬레이션으로 비슷한 결과값을 구현해 낼 수 있습니다. 알고자 하는 모델의 정확한 치수와 모델을 사용하는 환경, 모델에 직접적인 영향을 미치는 조건을 안다면 시뮬레이션으로 결과값을 알 수 있습니다. 이는 실험하는 것과 직접 제작하는 것보다 많은 지출을 줄일 수 있으며 다양한 환경(극한 시험, 가속화 시험 등)에서의 결과값 또한 상대적으로 빠른 시간 내에 알 수 있을 것입니다.
대상 물체의 크기가 크고 재현하고자 하는 자연 현상이 복잡해질수록 수식이 방대하여 사람의 손으로 풀 수가 없게 된다. 따라서 거의 대부분의 경우에는 컴퓨터에 설치한 전문 소프트웨어를 이용하게 수식을 푼다. 이러한 시뮬레이션 소프트웨어의 내부에는 수식 계산을 담당하는 부분이 있는데, 이 부분을 특별히 솔버(solver) 혹은 처리기(processor)라고 부른다. 처리기라는 용어는 컴퓨터 주 연산자의 영문 표기인 '프로세서'에서 유래된 것이다.
→ 비행기의 날개를 실험하고자 한다면 동일한 환경을 조성하고(유동조건 등) 비율에 맞게 비행기의 날개를 작게 제작하면 됩니다. 하지만 날개의 구조가 표준화되어있지 않으며 직접 제작하기 어려운 모양일 경우 및 계산하기 복잡해질 수 있습니다. 이때 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 계산한다면 매우 편리하겠지요?
→ 전 포스팅에서 전처리기(pre-processor)에 대해서 공부했습니다. 거기까지는 동일한 조건과 모델을 이용해서 요소를 나누는 작업(meshing)까지 했습니다. 솔버(processor)는 전처리기에서 설정한 값을 행렬형태로 계산하는 것입니다. 이때 사용되는 이론이 맨 처음 공부했던 수치해석(numerical analysis)입니다. 수치해석은 미분방정식을 행렬 방정식으로 변환하고 이 행렬 방정식을 컴퓨터를 이용하여 푸는 방법입니다. 수치해석에는 많은 해석 방법이 있는 것 아시겠죠 ㅎㅎ 마이다스 기계분야에서는 NFX의 유한요소법(FEM)과 MeshFree의 무요소법(MeshFree)이 있습니다. 이렇게 다양한 해석 방법을 만드는 이유가 궁금하신 분이 계시던데, 여러 가지 해석 방법이 있는 것은 각자만의 장단점이 있기 때문입니다. 두 가지 이외에도 다양한 해석 방법이 있는데 이러한 내용은 나중에 공부할 시간이 올 것입니다. 기대해주세요!!! 하하...
대부분의 시뮬레이션 프로그램은 크게 세 부분(혹은 모듈(module)), 즉 처리기(pre-processor), 솔버(혹은 처리기) 그리고 후처리기(post-processor)로 구성되어 있다. 그리고 하나의 시뮬레이션은 전처리기를 통한 해석 모델링, 솔버를 통한 수식 계산 그리고 후처리기를 통한 결과 가시화란 일련의 작업으로 이루어진다.
→ 대부분의 시뮬레이션은 전처리기, 처리기, 후처리기 순으로 해석을 진행합니다. 전처리기에서 조건을 설정하고 meshing을 수행하며 처리기에서 solving을 수행합니다. 후처리기에서는 처리기에서 계산한 결과값을 시각적, plot값, excel값 등으로 내보낼 수 있습니다. CAE는 이러한 모든 과정을 통틀어 지칭하는 단어이며 이 과정을 수행함으로써 모델을 최적화하고 제작 비용을 줄이며 안전한 모델을 제작할 수 있을 것입니다.
본 글은 'midasNFX CAE용어해설집'을 참고하고 있으며 공부용 블로그이므로 어떠한 상업적 의도가 없음을 밝힙니다. 또한 CAE에 관심있는 기계공학과 학생이 개인적으로 공부하며 작성하는 것이므로 정확하지 않을 수 있습니다. 혹여나 내용이 알맞지 않은 부분이 있다면 지적 부탁드립니다.
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