사례 연구
"한 세기에 한 번 찾아오는 혁명 속에서 일본의 제조업을 살리기 위해서는 리드타임을 단축하는 비즈니스 프로세스 혁신이 필수적입니다. 실시간 CAE를 도입함으로써 개발 및 생산 준비 시간을 단축할 수 있는 방법을 찾았습니다. 실제 현상과 기존 해석을 함께 검증하면서 실시간 CAE의 활용 범위를 확대하여 비즈니스 프로세스를 개선하는 데 더욱 기여하고 싶습니다."
— 유키 스즈키, Toyota 엔지니어
Toyota의 글로벌 비전은 "기대 이상의 미소를 위해(For Smiles, Beyond Expectations)"를 실현하여 전 세계의 삶과 사회를 풍요롭게 함으로써 미래의 모빌리티 사회를 선도하는 것입니다. 이를 위해 Toyota의 모든 구성원은 고품질의 제품을 만드는 데 전념하고 있으며 끊임없이 시대를 한발 앞선 혁신을 추구합니다. Toyota는 2050년까지 탄소 중립 달성을 목표로 다각적인 접근 방식을 통해 글로벌 환경과 밀접하게 연결되어야 한다는 필요성을 인식하고 있습니다. 이러한 목표를 달성하기 위해 Toyota의 파워트레인 제조 기초 엔지니어링 부서는 실시간 CAE(Computer-Aided Engineering)를 활용하여 제품 설계 및 제조 부서와 협력하고 있습니다. 이를 통해 철저한 효율성 향상과 개발 시간 단축을 실현하며, 제품 및 라인 개념의 경쟁력을 개선하고 있습니다.
당면 과제
자동차 산업은 지구 온난화 및 대기 오염과 같은 환경 관련 문제에 직면해 있습니다. 이에 따라 자동차 제조업체들은 2019년 수준에서 2035년까지 CO2 배출량을 50% 이상 줄여 탄소 중립을 달성한다는 목표를 설정했으며, 이를 위해 더 지속 가능한 파워트레인에 집중해야 했습니다. 자동차 전동화를 위한 제품 개발에 따른 과제(자원 부족, 수익성 감소 등)는 치열한 경쟁 시장에서 이러한 목표를 더욱 복잡하게 만듭니다.
Toyota는 이러한 문제를 해결하기 위해 효율성을 크게 개선하고 개발 시간을 단축하여 생산성을 배가해야 했습니다.
엔지니어링 솔루션
Toyota는 Ansys Discovery 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 신제품을 연구하고 생산 라인의 문제를 해결했으며 이를 통해 생산 현장에서 즉각적인 결정을 내릴 수 있게 되었습니다.
특히 시뮬레이션은 Toyota의 실시간 CAE 전략을 세 핵심 분야에서 구현하는 데 도움이 되었습니다.
- 기존 메커니즘에 대한 해석이 축적됨에 따라 CAE 분석에 필요한 요소와 뺄 수 있는 요소를 식별할 수 있게 되면서 CAE 해석의 기술적 능력이 향상되었습니다.
- GPU 성능 개선과 자동 메시 생성을 포함한 컴퓨터 진화 속도가 빨라졌습니다.
- CAD 및 3D 모델링과 관련된 디지털화 전략이 발전했습니다.
이점
한 사례로 라인 장비의 핵심 부분인 앵커 볼트 부위의 바닥 표면이 손상되어 컨베이어 시스템의 가속 및 감속 시 심각한 진동이 생기는 문제가 있었습니다. 실제 현장 조사 결과, 바닥 표면에 균열이 발견되었습니다. 이에 신속한 대책이 필요했습니다.
과거 Toyota Motor Corporation은 주로 정량적 평가에 CAE를 사용했습니다. 개별 요구 사항을 현장에 적용하고 세부 사항을 검토하여 분석 결과를 도출하는 데 많은 시간이 소요되었습니다. 실시간 시뮬레이션 기반 CAE를 활용하면 해석 부서의 구성원이 실제 현장의 데이터를 분석하여 문제를 해결할 수 있습니다. 이를 통해 신속하게 의사 결정을 내릴 수 있습니다.
이를 위해:
- Discovery 소프트웨어로 분석 요소를 식별하여 제거하고 분석 범위를 좁혀 현장에서 긴급한 사안에 즉각적인 대책을 적용할 수 있었습니다.
- 초기 분석 결과 앵커 볼트 부위가 심한 응력을 받는 것으로 나타났습니다. Toyota는 결과를 바탕으로 앵커 볼트에 대한 부하를 40% 줄이는 추가 지지 장치를 이용한 대책을 마련했습니다.
- 검증을 위해 세부 분석을 통한 비교 결과, 대책 시행 전후 분석 결과의 추세가 이 분석 결과와 일치하는 것을 확인했습니다.
- 전반적으로 Discovery 소프트웨어를 사용한 실시간 현장 대응 해석으로 다른 세부적인 CAE 방법에 비해 연구 시간을 93% 단축했습니다. 해석에서 얻은 검증 결과로 효과적인 해결책을 신속하게 연구하는 데 중요한 추세 값을 확인할 수 있었습니다.
현장에서의 강성 분석과 논의를 통해 조기에 대책을 마련할 수 있습니다.
또 다른 사용 사례로는 고온, 고습 또는 저습 환경을 견딜 수 있도록 설계된 항온 챔버에서 일정한 온도를 유지하기 위해 실시간 CAE를 적용하는 것입니다. 상황의 사전 분석을 통해 실내 장비로 인한 공기 순환이 원활하지 않은 것으로 드러났습니다. 챔버 위치에 따른 온도 차이도 관찰되었습니다. 이를 해결하기 위해 대규모 공간 데이터를 고려하여 Discovery 소프트웨어로 실시간 CAE를 구현했습니다.
이를 위해
- Discovery 소프트웨어의 파라미터형 연구를 통해 최적의 위치에 송풍기를 배치하여 항온 챔버의 온도 불규칙성을 크게 줄일 수 있었습니다.
- Discovery 소프트웨어는 항온실과 같은 대용량 데이터 세트도 빠르게 분석할 수 있는 기능이 있어 조건에 구애받지 않는 파라미터형 연구를 위한 효과적인 환경을 즉시 생성할 수 있었습니다.
짧은 분석 시간을 활용한 파라미터 연구로 최적의 조건 파악
Toyota는 온도 조절 조건의 크기 및 규모와 관계없이 분석 중에 어떤 요소가 필요하고 어떤 요소를 생략할 수 있는지 결정하여 모델을 단순화할 수 있었습니다.
향후 Toyota는 Ansys 도구와 솔버를 기반으로 설계자와 현장 인력이 함께 사용할 수 있는 실시간 CAE 환경도 구축할 계획입니다.