[Simcenter] 완벽한 스트라이크 뒤에 숨은 엔지니어링

 

완벽한 스트라이크 뒤에 숨은 엔지니어링

Simcenter X로 구현한 볼링 궤적 예측부터 공기역학·구조 해석·최적화까지

복잡한 제품을 개발하는 엔지니어들은 여러 시뮬레이션 도구를 따로 사용해야 하는 문제에 자주 직면합니다. 시스템 동역학은 한 도구에서, 전산유체역학(CFD)은 다른 도구에서, 유한요소해석(FEA)은 또 다른 도구에서 수행하다 보면 업무 흐름이 끊기고 라이선스 관리와 컴퓨팅 인프라 운영도 복잡해집니다.

Simcenter X 는 이러한 과제를 해결하기 위한 Siemens의 클라우드 네이티브 엔지니어링 플랫폼입니다. 시스템 시뮬레이션, 유동 해석, 구조 해석, 설계 최적화 등 다양한 물리 영역의 해석 기능을 유연한 클라우드 라이선스와 필요에 따라 활용하는 컴퓨팅 자원으로 연결합니다.

이러한 통합 환경이 실제로 어떻게 활용되는지 알아보기 위해 조금 특별한 사례를 준비했습니다. 바로 완벽한 볼링 스트라이크를 엔지니어링으로 구현하는 것 입니다. 볼링은 친숙한 스포츠지만, 공의 궤적과 회전, 핀 주변의 공기 흐름, 충돌에 따른 구조적 반응, 최적 조건 탐색까지 다양한 물리 현상이 복합적으로 작용합니다. 자동차, 항공우주, 산업기계 분야에서 다루는 멀티피직스 문제와도 연결되는 부분입니다.

이번 사례에서는 Simcenter Amesim, Simcenter HEEDS, Simcenter STAR-CCM+, Simcenter 3D의 네 가지 솔루션을 활용해 볼링의 물리 현상을 예측하고 분석하며 최적화하는 과정을 살펴봅니다.

고대의 놀이에서 엔지니어링의 대상으로, 볼링의 역사

볼링의 역사를 거슬러 올라가면 약 5,200년 전 고대 이집트까지 이야기가 이어집니다. 고고학자 플린더스 페트리가 어린아이의 무덤에서 작은 돌 공과 아홉 개의 핀 모양 물체를 발견했다는 일화는 초기 볼링의 흔적으로 소개되곤 합니다.

서기 300년경 독일에서는 죄를 상징하는 핀인 ‘케겔(Kegel)’을 향해 돌을 굴려 쓰러뜨리는 종교적 관습이 있었다고 전해집니다. 이후 유럽 이주민을 통해 미국에 전해진 나인핀 볼링은 19세기 도박 문제로 일부 지역에서 규제 대상이 되었고, 핀 하나를 추가한 텐핀 볼링이 등장했다는 이야기도 있습니다.

19세기 후반부터 20세기 초반까지 규칙과 공의 무게가 표준화되고 실내 전용 볼링장이 확산되면서, 볼링은 오늘날과 같은 스포츠로 발전했습니다.

이제 볼링의 발전은 장비와 경기 방식에만 머물지 않습니다. 시뮬레이션 기술을 활용하면 볼링공의 이동 궤적부터 핀의 움직임과 충돌까지 정량적으로 분석할 수 있습니다. 특히 Simcenter X는 이러한 멀티피직스 해석 과정을 하나의 클라우드 기반 환경에서 연결하도록 지원합니다.

Simcenter Amesim | 볼링공의 궤적을 시뮬레이션하다

먼저 Simcenter Amesim 과 3D Mechanical Library를 활용해 레인 위에서 움직이는 볼링공의 궤적을 예측하는 시스템 시뮬레이션 모델을 구축했습니다. 모델에는 공의 초기 회전, 좌우 시작 위치, 투구 힘, 레인의 마찰력, 핀과의 충돌 등 주요 물리 요소를 반영했습니다.

복잡한 시뮬레이션 결과를 보다 쉽게 확인할 수 있도록 별도의 Python 애플리케이션도 연결했습니다. 사용자가 투구 조건을 조정하면 결과를 대화형 3D 애니메이션으로 시각화하여 볼링공과 핀의 움직임을 확인할 수 있습니다.

투구 각도와 회전, 힘을 조정하면서 디지털 환경에서 스트라이크에 도전할 수 있습니다.

Simcenter HEEDS | 스트라이크를 위한 최적의 조건을 찾다

그렇다면 원하는 스트라이크 결과를 얻기 위해 볼링공을 어떤 조건으로 던져야 할까요?

Simcenter HEEDS 는 다양한 설계 변수의 조합을 자동으로 탐색하는 설계 탐색 및 최적화 소프트웨어입니다. 이번 사례에서는 볼링공의 초기 조건을 바꿔가며 목표 결과에 도달할 수 있는 조건을 찾아보는 데 활용했습니다. 하나의 스트라이크 결과를 만드는 조건이 반드시 한 가지뿐인 것은 아니기 때문에, 여러 가능한 조합을 체계적으로 검토하는 것이 중요합니다.

Simcenter HEEDS를 활용한 볼링 조건 탐색 및 최적화

Simcenter X의 유연한 클라우드 라이선스 환경에서는 Simcenter Amesim으로 수행한 시스템 시뮬레이션과 Simcenter HEEDS의 최적화 작업을 연계해 사용할 수 있습니다. 따라서 초기 조건 검토에서 최적화까지 작업을 이어가기가 수월해집니다.

Simcenter STAR-CCM+ | 볼링핀 주변의 공기 흐름을 분석하다

이번에는 공이 아닌 볼링핀에 주목해 보겠습니다. Simcenter STAR-CCM+ 를 활용하면 볼링핀이 공기 중에서 움직일 때 발생하는 유동 현상을 전산유체역학(CFD)으로 분석할 수 있습니다.

볼링핀 주변의 공기 흐름, 항력, 후류에 발생하는 난류 등을 계산하고 시각화할 수 있습니다. 실제 볼링 경기를 이해하는 데 반드시 필요한 요소는 아닐 수 있지만, 친숙한 볼링핀을 통해 CFD가 물체 주변의 유동을 어떻게 해석하는지 직관적으로 보여주는 사례입니다.

Simcenter STAR-CCM+로 분석한 볼링핀 주변의 유동 및 후류

Simcenter 3D | 충돌 순간 볼링핀의 구조적 반응을 살펴보다

볼링공과 핀이 부딪히는 순간에는 어떤 일이 일어날까요? Simcenter 3D 와 Simcenter Nastran 을 활용해 가상의 볼링핀에 유한요소법(FEM) 기반 구조 해석을 수행했습니다.

단순히 핀이 쓰러지는 움직임을 확인하는 데 그치지 않고, 충돌에 따른 목재 내부의 응력 집중, 구조적 변형, 충격 전파 등을 분석했습니다. 고속으로 움직이는 무거운 공이 핀에 충돌했을 때 발생하는 구조적 거동을 세부적으로 살펴볼 수 있습니다.

Simcenter 3D 및 Simcenter Nastran을 활용한 볼링핀 구조 해석

Simcenter X | 하나의 클라우드 환경에서 연결하는 멀티피직스 해석

Simcenter X 의 핵심은 서로 다른 물리 현상을 다루는 시뮬레이션 도구들을 유연한 클라우드 환경에서 활용할 수 있다는 점입니다. 별도의 로컬 컴퓨팅 자원이나 개별 라이선스 운영에 대한 부담을 줄이고, 필요에 따라 고성능 컴퓨팅 자원과 다양한 해석 기능에 접근할 수 있도록 지원합니다.

Simcenter X 기반의 클라우드 네이티브 멀티피직스 시뮬레이션 환경

이번 볼링 사례만 보더라도 Simcenter Amesim 으로 공의 궤적을 예측하고, Simcenter HEEDS 로 스트라이크를 위한 투구 조건을 탐색하며, Simcenter STAR-CCM+ 로 핀 주변의 공기 흐름을 분석하고, Simcenter 3D 및 Simcenter Nastran으로 충돌 시 구조적 반응을 검토할 수 있었습니다.

이 과정에서 중요한 것은 각각의 해석을 수행하는 것만이 아니라, 서로 다른 기술을 하나의 엔지니어링 프로세스 안에서 유연하게 활용한다는 점입니다. 볼링을 소재로 한 흥미로운 실험이지만, 이러한 접근 방식은 자동차, 항공우주, 산업기계 등 복잡한 제품 개발에서도 충분히 의미가 있습니다.

정확한 물리 현상에 집중하고, 해석 도구와 컴퓨팅 환경의 제약은 줄이는 것. 이것이 Simcenter X가 제시하는 클라우드 기반 엔지니어링의 방향입니다.

[출처] Siemens Simcenter Blog – Engineering the bowling experience with Simcenter X