프로 사이클링의 세계에서 디테일에 대한 관심은 승리와 패배의 차이를 만들 수 있으며, 이러한 원리는 라이더가 붙잡고 있는 물병까지 확장됩니다. 이 병들은 단순한 용기가 아니라 인체공학, 공기역학, 최첨단 엔지니어링의 정교한 상호작용, 궁극적으로 수분 공급, 라이더의 편안함, 심지어 혹독한 레이스 단계에서의 성능까지 영향을 미치는 디자인적 고려 사항을 담고 있습니다. 오늘날 이러한 평범해 보이는 제품의 개발은 현대 시뮬레이션 기술에 크게 의존하고 있습니다.
완벽한 경주용 병을 위한 병 짜기 시뮬레이션
Simcenter STAR-CCM+의 최신 버전 2506은 향상된 선형 육각 요소를 통해 이 분야에 상당한 혁신을 가져왔습니다. 이 향상된 기능은 자전거 병과 같은 얇은 벽 구조물에 대한 시뮬레이션 효율성을 혁신하여 구조 시뮬레이션 속도의 3배 이상을 제공하고 유체-구조 상호작용(FSI) 시나리오에서도 상당한 속도 향상을 제공합니다. 그 결과 엔지니어는 설계를 빠르게 반복하여 엘리트 대회에 필요한 이상적인 무게, 유연성 및 성능 균형을 달성하여 라이더가 한 박자도 놓치지 않고 수분을 유지할 수 있도록 도와줍니다.이러한 모든 면에서 뛰어난 사이클링 보틀을 설계하려면 세심한 접근 방식이 필요합니다. 병 모양, 벽 두께, 재료 선택, 노즐 디자인과 같은 요소는 모두 사용자 경험뿐만 아니라 제품의 제조 가능성과 비용에 직접적인 영향을 미칩니다. 고급 압출 블로우 금형의 생산량이 개당 10,000유로 이상에 달할 수 있기 때문에 이 단계에서 실수하면 비용이 빠르게 들 수 있습니다.
그렇기 때문에 Simcenter STAR-CCM+와 같은 시뮬레이션 플랫폼은 오늘날의 제품 개발에서 필수적인 요소입니다. 엔지니어는 손의 압력에 대한 병의 구조적 반응을 모델링하여 각 병이 가볍고 탄력적이며 라이더의 손과 병 케이지에 원활하게 맞도록 보장합니다. 소프트웨어의 유체 및 FSI 기능을 활성화하여 설계자는 흐름 특성을 더욱 정교화하여 단계별로 모든 스퀴즈가 최소한의 변형으로 즉각적이고 간편한 수분 공급을 제공하도록 할 수 있습니다.
견고한 그립
음료 병을 디자인할 때 가장 먼저 고려해야 할 사항 중 하나는 라이더의 손에서 느껴지는 느낌입니다. 자전거를 타는 사람들은 거의 아무 생각 없이 병을 잡고, 짜서 케이지에 반납할 수 있어야 합니다. 측면 벽은 쉽게 짜낼 수 있도록 최대한 유연해야 합니다. 병이 원래 모양으로 다시 튀어 병 케이지에 단단히 맞도록 바닥이 더 단단해야 합니다. 뚜껑에 연결되는 병의 윗부분은 액체 누출을 방지하기 위해 항상 튼튼하게 유지되어야 합니다.
향상된 선형 육면체 요소로 정확한 굽힘(Hex8E)
이러한 얇은 벽 구조의 굽힘 변형을 모델링하려면 적절한 메쉬 요소가 필요합니다. 여기서 육면체 요소 메쉬는 이상적입니다. Simcenter STAR-CCM+ 2506에 도입된 새로운 향상된 선형 육면체 요소(Hex8E)는 고차 Hex20 요소와 거의 동일한 품질의 굽힘 시뮬레이션을 제공하지만, 표준 Hex8 요소의 계산 비용은 훨씬 낮습니다. 이에 비해 이러한 굽힘이 지배적인 문제에서 표준 Hex8 요소를 사용하면 강한 잠금 효과가 발생하여 실제보다 최대 2.5배 더 높은 스퀴즈 힘을 예측할 수 있습니다. 반면에 향상된 Hex8E 요소는 정확한 결과를 제공할 뿐만 아니라 시뮬레이션 속도도 빨라지며, 이 경우 Hex20 요소에 비해 3배 더 빠르고 더 큰 구조의 경우 최대 7배 더 빠릅니다.
이러한 발전으로 엔지니어는 병의 촉각 경험을 효율적으로 탐색하고 최적화할 수 있으며, 쉽게 짜낼 수 있고 빠르게 리바운드되며 승차 후 무결성을 유지하면서 개발 주기를 단축하고 비용이 많이 드는 프로토타입 오류를 최소화할 수 있습니다.
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| 1: 다이어그램 0.6mm Hex8 대 Hex8E 대 Hex20, 그리고 시간에 따른 0.4mm 및 0.8mm Hex8E와 손가락 움직임을 비교합니다. |
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| 2: 다양한 프로세스 수(NP)를 사용하는 구조물 전용 시뮬레이션을 위한 정규화된 해결 시간 |
유체-구조 균형 이해
물병 디자인에서 특히 중요한 요소는 라이더가 물을 흐르게 하기 위해 얼마나 많은 압력을 가해야 하는지입니다. 투르 드 프랑스 사이클 선수들은 힘든 레이스의 끝자락에서 에너지를 절약할 수 있는 한계가 있으며, 마지막으로 필요한 것은 고집스러운 물병과 씨름하는 것입니다. 만족스러운 물 흐름을 전달하기 위해서는 병에 가능한 한 적은 힘이 필요합니다. 이렇게 하면 라이더가 마시는 시간(집중력이 도로에서 불가피하게 분리되는 시간)을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 체력적인 부담을 줄여 결승선까지 최대한의 집중력과 성능을 유지할 수 있습니다.
병을 짜면 내부의 물과 갇힌 공기 주머니가 모두 압축되어 노즐에서 물이 흘러나옵니다. 정확한 거동(특정 압착력에 의해 얼마나 많은 물이 배출되는지)은 가해지는 손의 압력뿐만 아니라 노즐의 기하학적 구조, 병벽의 유연성, 병 속 공기 대 물의 비율 사이의 복잡한 관계에도 따라 달라집니다. 이러한 구조적 및 유체 역학의 상호 작용은 복잡하며 포괄적인 다상 유체-구조 상호작용(FSI) 시뮬레이션 없이는 완전히 포착할 수 없습니다.
이 과정에서 Simcenter STAR-CCM+를 사용하는 주요 장점 중 하나는 구조 모델링과 유체 모델링을 원활하게 통합할 수 있다는 점입니다. 구조 시뮬레이션에서 전체 FSI 설정으로 전환하려면 유체 도메인만 정의하고 이전에 확립된 구조 모델에 추가하면 됩니다. 동적 안정화, FSI 견인 잔차, 동적 안정화 잔차와 같은 고급 기능은 실제 병 사용 중에 경험하는 빠르고 일시적인 하중에서도 시뮬레이션이 견고하고 정확하게 유지되도록 보장합니다. 중요한 점은 병 내 압력이 증가함에 따라 유체를 배출할 뿐만 아니라 필요한 압착력을 증가시키고 플라스틱 구조의 추가 변형을 초래하여 현실적인 결과에 필수적이라는 점입니다.
다이어그램 4에 표시된 것처럼 이러한 FSI 시뮬레이션의 결과는 플라스틱을 변형하는 데 필요한 힘 외에도 탑승자는 노즐을 통해 물이 강제로 통과할 때 유체 저항을 극복해야 한다는 중요한 점을 보여줍니다. 이 경우 내부에 액체가 들어 있는 병을 짜내는 데 필요한 힘은 유체가 제자리에 있지 않은 경우보다 4배 이상 높습니다. 진정한 성능 최적화를 위해서는 병의 구조적 설계와 노즐의 기하학적 구조를 함께 고려하여 가능한 가장 낮은 압착력으로 최대의 물 흐름을 보장해야 합니다.
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| 3: FSI 시뮬레이션을 통한 스퀴즈 힘의 함수로서의 물의 질량 흐름 |
디자인에서 제조까지
사이클링 병에 대한 최적의 설계가 완료되면, 특히 원하는 모양과 신중하게 선택된 벽 두께를 실제로 생산에서 달성할 수 있도록 제조에 대한 관심이 집중됩니다. Simcenter STAR-CCM+의 유한 요소 기반 계산 유변학 기능을 통해 엔지니어는 블로우 성형 공정 자체를 시뮬레이션할 수 있습니다. 이 기능을 통해 물리적 도구가 절단되기 훨씬 전에 최종 병 내에서 재료 흐름과 그에 따른 두께 분포를 가상으로 예측할 수 있습니다.
최신 릴리스인 Simcenter STAR-CCM+ 2506에서는 새로운 접촉 모델링 기능이 도입되어 성형 중 확장 병과 금형 간의 상호 작용을 시뮬레이션할 수 있게 되었습니다. 이를 통해 중요한 기하학적 특징과 두께가 제조 과정에서 충실히 재현되어 작업장에서 비용이 많이 드는 시행착오 반복을 최소화할 수 있습니다. Simcenter STAR-CCM+는 제품 설계와 공정 시뮬레이션을 원활하게 통합함으로써 디지털 작업 공간에서 실제 레이스 준비 제품으로의 혁신을 가속화합니다.
정상을 향한 경주 – 한 번에 하나씩 완벽하게 설계된 스퀴즈
올 7월 프랑스 전역에서 그랜드 펠로톤이 레이스를 펼치는 동안 물병의 모든 스퀴즈는 정교한 엔지니어링과 시뮬레이션으로 뒷받침됩니다. 언뜻 보기에는 단순해 보이는 것은 첨단 디지털 디자인과 최적화의 결과로, 세계 최고의 운동선수들이 한 번에 한 번씩 완벽하게 엔지니어링된 스퀴즈로 승리를 추구할 수 있도록 지원한다는 점입니다.
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