다중물리란?

현실에서는 물리 현상이 한 번에 하나씩 일어나지 않습니다. 유체, 구조, 열 및 전자기력은 지속적으로 상호 작용합니다. 이러한 영역이 충돌하는 지점에서 열 전달, 변형 및 질량 이동과 같은 현상이 발생합니다.

다중물리는 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 물리적 힘 간의 복잡한 상호 작용을 분석하는 것입니다. 다중물리 워크플로는 개별 물리 솔버를 단일 계산 프레임워크로 통합하여 엔지니어가 실제 환경에서 물리 현상이 어떻게 일어나는지에 따라 전체 시스템의 동작을 한 번에 정확하게 모델링할 수 있도록 지원합니다.

다중물리 모델은 단일 물리 해석의 부족한 틈새를 메웁니다. 

둘 이상의 물리 요소가 상호 작용할 때(예: 유체와 구조, 구조와 전자기) 이를 "커플링"이라고 합니다. 이러한 상호 작용은 스마트폰의 화면을 누르는 것부터 울퉁불퉁한 도로 위를 달리는 자동차에 이르기까지 우리 주변에서 항상 발생합니다. 다중물리 커플링의 일반적인 예는 다음과 같습니다.

유체-구조 상호 작용(FSI):

비행기 안전: 기류(유체 역학)가 랜딩 기어의 변형 및 충격 흡수(구조 역학)에 미치는 영향 모델링

열-광학 커플링:

헤드업 디스플레이(HUD): 실외 온도(열 효과)가 차량(광학)에서 투사된 이미지의 선명도에 미치는 영향 모델링

구조-음향 커플링:

주행 소음: 차량의 청각 피드백(음향)이 타이어-표면 마찰(구조 역학)에 의해 발생하는 방식 모델링

전자기-열 커플링:

발전기: 모터의 에너지장(전자기)이 열(열역학)을 생성하는 방식을 모델링하여 열 교환기와 팬 최적화

다중물리 해석이 필요한 엔지니어링 문제는 다양한 수준의 커플링으로 해결할 수 있습니다.

물리적 문제가 물리 현상의 weak coupling과 관련된 경우(예: 유체력이 구조적 응력을 생성하지만 구조가 크게 변형되지 않는 경우) one-way coupling 해석으로 해결할 수 있습니다.

strong coupling이 있는 경우(예: 구조물의 변형이 높아 유동에 영향을 주는 경우) two-way coupling 솔루션이 필요합니다.

여러 산업 분야에서 엔지니어들은 설계 프로세스 초기에 문제를 식별하고, 최적화에 대해 정보에 입각한 결정을 내리고, 최종 제품의 안전성과 성능을 보장하기 위해 다중물리 솔루션을 사용합니다. 기업은 여러 유형의 물리 현상이 커플링되어 상호 작용하는 실제 환경에서 복잡한 제품이 어떻게 작동할지 정확하게 예측할 수 있어야 합니다.

항공 우주: 항공기 날개의 최적의 중량, 형태 및 구조를 결정하는 유체-구조 상호 작용 분석

자동차: 헤드램프의 열팽창 및 변형을 시뮬레이션하여 광학 성능 예측 

헬스케어: 인체 조직과 임플란트, 스텐트와 같은 의료 기기 구조 간의 상호 작용 모델링

산업: 자기, 구조 및 음향 분석을 통해 진동원을 식별하여 모터의 마모 및 파손 감소

다중물리 시뮬레이션을 통해 비용, 시간 또는 안전 제약 조건으로 인해 실험적으로 쉽게 연구할 수 없는 여러 물리 영역 간의 복잡하고 동시적인 상호 작용을 모델링할 수 있습니다. 이러한 시뮬레이션은 엔지니어링 분야 전반에 걸쳐 데이터를 전달하고 변환하여 제품 성능에 대한 심층적인 이해를 제공합니다.

최근 컴퓨터 용량 및 더 빠르고 강력한 솔버의 발전, 워크플로 구축 방법의 개선으로 단일 물리계 시뮬레이션에서 포괄적인 다중물리 시뮬레이션으로 전환하는 속도가 빨라졌습니다. 이러한 진화를 통해 엔지니어는 설계가 실제 환경에서 어떻게 작동할지 더 잘 예측할 수 있습니다.

다중물리 시뮬레이션의 장점

사실적인 모델링: 여러 물리 영역이 동시에 상호 작용하는 실제 시나리오를 정확하게 캡처

시스템 수준의 해석: 물리 커플링이 전체 시스템 성능에 미치는 영향에 대한 인사이트 확보

시간 효율성: 도메인 내 사일로가 아닌 전체 시스템을 동시에 해석

다중물리 시뮬레이션의 과제

데이터 일치: 물리 영역마다 시간 척도, 공간 척도 및 메시 해상도가 다름

사용자 전문성: 다중물리 시뮬레이션을 해석하려면 여러 분야 전문가의 지식 필요

계산 비용: 다중물리 시뮬레이션은 처리 강도가 높아 상당한 리소스와 시간 필요

일반적으로 단일 솔버는 구조 역학, 유체 역학 또는 전자기와 같은 특정 물리 영역에 중점을 둡니다. 그러나 일부는 자체 다중물리 모델을 포함하고 있습니다. 예를 들어, Ansys Fluent® 유체 시뮬레이션 소프트웨어는 유체 역학 해석 외에도 음향, 운동, 고체 열 전달 및 열 응력을 모델링할 수 있습니다. 다중물리 기능이 있는 단일 솔버는 모델이 형상, 메시 및 설정을 공유할 때 커플링을 해석하는 데 유용합니다.

그러나 제품의 복잡성이 증가하면 더 이상 단일 물리 시뮬레이션으로는 충분하지 않을 수 있습니다.

이 경우 코시뮬레이션(Co-Simulation)이 필수적입니다. 특수 솔버들을 연결하여 서로 다른 물리 현상 간의 복잡한 상호 작용을 보다 정밀하게 캡처할 수 있습니다. Ansys System Coupling™ 물리 솔버 연결 소프트웨어와 같은 툴은 모든 주요 솔버를 단일 인터페이스 내에 통합합니다. 즉, 엔지니어는 단일 통합 엔지니어링 환경 내에서 고충실도의 크로스 도메인 모델을 쉽게 생성할 수 있습니다.

단일 솔버 다중물리: 특정 커플링 물리 방정식 세트에 대해 하나의 솔버 내에서 크로스 도메인 해석을 수행합니다. 상호 작용이 긴밀하게 커플링되는 간단한 설정을 제공합니다.

시스템 커플링 다중물리: 하나의 계산 프레임워크에서 특수 솔버 간의 데이터를 조정하고 교환합니다. 물리 모델 간의 상호 작용을 캡처하기 위해 독립적인 솔버의 조정이 필요한 복잡한 상황을 모델링할 때 더욱 뛰어난 유연성을 제공합니다.

칩 및 3D-IC(3차원 집적 회로)의 지속 가능성, 전력 밀도 증가를 비롯한 몇 가지의 제품 개발 동향이 다중물리 모델링을 보다 잘 활용할 필요성을 증가시키고 있습니다. 기업이 폐기물을 줄이면서 전력을 높이기 위해 혁신을 거듭함에 따라 다중물리 해석은 설계 내에서 물리 현상 간의 상호 작용을 완전히 이해하는 데 필요한 전체적인 인사이트를 제공합니다.

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