보다 빠르게 최종 제품으로

자동차 메이커들은 가능한 빠르게, 가능한 저렴하게 등 수 많은 요건에 대응해야 한다. 따라서 시뮬레이션을 포기할 수는 없다. 앞으로 여러 분야의 상호 작용을 감안하기 위해 이들 분야를 동시에 고려해야 한다.

슈테파니 미헬 (Stefanie Michel)

자동차 개발의 변혁을 보여주는 모델 중 Golf가 있다. Golf는 1974년에 처음 탄생하였는데 무게가 800kg에 지나지 않았다. 당시에는 에어컨, 시트 히터, 센터 콘솔, 에어백, 인포테인먼트 시스템 등이 없었기 때문이다. 그리고 최초 모델로부터 파생 모델인 Jetta, Cabrio, Caddy 그리고 GTI가 나왔고, Golf 탄생 25주년엔 4세대 Golf가 출시되었으며, 사양에 따라서는 최초 모델보다 무게가 300 ~ 600kg은 더 나가게 되었다. 그리고 27가지의 엔진-변속기 조합 가운데서 선택할 수 있게 되었다. 2003년부터 파생 모델의 개발은 탄력을 받게 되어, 블루모션 모델과 다양한 어시스턴스 시스템이 출시되었고, Golf Plus, Cross Golf 그리고 Cabrio GTI 버전이 출시되었다. 2014년에는 순수한 전기차 모델과 Plug-in 하이브리드 버전도 선을 보였다. 수많은 추가 사양과 안전 시스템으로 무장하였지만 Golf는 현재 1,100 ~ 1,500kg에 지나지 않는다. 여러 사양 측면에서 자동차는 무거워졌지만, 지난 10 ~ 15년 간 무게를 유지할 수 있었고, 부분적으로는 더 가벼워진 부분이 있어 기술 개발을 진행되었음을 보여주는 것이다. 동일한 베이스를 기반으로 수 많은 파생 버전이나 모델 그리고 전자 시스템 증가도 눈에 띄고 있다. 고객의 니즈가 갈수록 차별화되고, 동시에 법적 측면에서 또 소비자 평점 측면에서의 글로벌한 요구 조건들은 더욱 까다로워졌다. 따라서 이러한 요건을 실현할 수 있기 위해서는 자동차 개발 과정에서 몇 가지를 바꾸어야 했다. 모든 것이 훨씬 더 복잡해졌지만, 개발팀은 더 커지지 않았다. 이러한 이유로, 2014년 6월 Aberdeen Group의 조사가 보여주듯이 응답자의 73%가 조기에 시뮬레이션을 활용한다.

다양한 물리적 현상을 묘사하는 다양한 모델에 걸쳐서 시스템 반응과 디자인 변수를 정의하고 연결하는 것이 분야간 최적화가 해결해야 할 과제이다.

시장의 요구 사항과 변형 모델 다양성이 극도로 심화되었다

기본적으로 자동차 개발과 생산과정에 있어서 디지털화가 상당히 진척되었고, 이와 함께 디지털 프로세스, 모델 및 기법을 사용되고 있다. 시뮬레이션이 특히 중요해졌으며, 시뮬레이션 덕분에 상당 부분 프로토타입이 필요 없게 되고, 엔지니어링 시 시간을 절감한다. 그 사이 시장의 요구 조건과 변형 모델 다양성이 심화되어 시간을 상당히 소요하게 되었다. 이제 시뮬레이션을 포기할 수 없게 되었고, 시뮬레이션은 많은 것을 바꾸어 놓았으며, 앞으로도 그렇게 진행될 것이다. 복잡성에도 불구하고 모든 콤포넌트들이 모든 환경 조건에서 상호 신뢰를 보장하기 위해, 모든 분야가 공통의 팀을 이루어 협력해야 한다.

자동차 산업에서 많은 시뮬레이션 중 한 가지 측면을 고려해보자. 즉 제동력의 기계적 시뮬레이션만 집중하고 있지만 제동 장치의 냉각 기능도 고려해야 한다. 두 가지 현상이 상호 작용하는 경우, 다른 합병증이 발생할 수 있기 때문이다. Ansys는 다음과 같이 말한다. „여러 특성을 동시에 시뮬레이션 하는 추세입니다. 목표는 가상의 프로토타입입니다.“ Altair도 같은 입장이다. Altair의 프로젝트 리더인 아드리안 비쉬넨브스키는 다음과 같이 언급하였다. „분야간 최적화가 가장 큰 관심사입니다. 모든 것이 최적화 되어야 요건을 조화롭게 이해하고 또한 다양한 요건들 간의 상호 작용을 더욱 잘 이해할 수 있기 때문입니다. 협력을 해야 큰 그림이 나옵니다.“ 시뮬레이션 솔버를 사용하면 충돌 강성부터 정적 강성 또는 진동과 조합할 수 있고, 수많은 시뮬레이션을 동시에 진행할 수 있다. 그런 방식으로 최종 목적에 도달할 수 있는 방법을 전체적으로 고려한다. 개별 팀들은 책임을 넘겨주어야 한다. 또한 앞으로는 이론적 하중 조건과는 거리를 두고 대신 리얼리티를 그릴 것이다. 발전하는 컴퓨팅 성능을 바탕으로 제어 변수와 제동부터 피쉬테일 현상을 거쳐 탑승자의 행동에 이르기까지 사고와 관련된 전체 시퀀스를 모사할 수 있다. 그런 다음 가상의 충돌 테스트 더미를 사용한다. 실제적인 시뮬레이션을 위해 실제에 가까운 “인간 모델“을 사용해야 하기 때문이다.

목표 갈등으로서 분야간 최적화: 분야간 최적화는 어떤 부분을 어떻게 바꾸어야 하고, 목표에 어떤 영향을 끼치는지 밝혀야 한다. 효율적인 비주얼라이제이션 툴은 필요로 하는 투명성을 만들어내야 한다.

개발자의 도전 과제인 시스템 엔지니어링과 컴퓨터

다양한 분야간 협력의 대표적인 사례는 소프트웨어, 하드웨어 그리고 전자 장치를 차량의 기계 구조에 결합하는 것이다. 이를 메카트로닉스 시스템이라고 하는데, 이를 구사하기 위해 시스템 엔지니어링이 갈수록 중요해지고 있다. 고객의 요구 사항을 바탕으로 가상의 자동차를 시스템 차원에서 그리고 자동차 개발을 구성한다. 그와 함께 서브 시스템은 현실화 전에 테스트할 수 있다. 개방된 개발 플랫폼을 통해 현재는 다양한 팀들이 상호 조율된 시스템 모델링 시뮬레이션(0D-1D)과 제품 검증(3D)을 실시할 수 있다. ESI는 자신의 플랫폼인 Visual-Environment를 이용하여 충돌 테스트와 탑승자 안전부터 전기 장치, 기계, 전기, 전자, 유압 및 열적 컨트롤에 이르기까지 다양한 물리적 적용 영역에 걸친 시스템을 설명한다. 다양한 시뮬레이션들은 전체 개발 프로세스를 따라 각 시스템의 개발 단계에 따라 Hardware-in-the-loop과 Software-in-the-loop을 이용하여 이루어진다. 이런 방식으로 전기 자동차 개발 시 시간과 비용을 절감할 수 있다. 도전 과제는 항상 존재한다. 최종적으로 멀티바디 시뮬레이션을 하나의 기능 시뮬레이션과 조합할 수 있기 위해서는 각각의 서브 시스템을 통제해야 하기 때문이다. 이것은 컴퓨팅 성능을 필요로 한다. 여기에는 아직 가상의„인간 모델“을 아직 고려하지 않은 것이다. 인간 모델은 운전자로서 주행 다이내믹 등에 영향을 끼친다. „진보적인 시스템 모델링과 결합된 복잡성을 통제할 수 있기 위해서는 모델 아키텍처, 적용 사례를 포괄하는 역동적 거동 그리고 모델, 시뮬레이션 그리고 시스템 기술의 연결을 안전하게 취급할 수 있어야 합니다. 이것이 앞으로 시뮬레이션 소프트웨어가 절대적으로 필요한 이유입니다.” (엠마누엘 아르누 박사, Renault 시스템 시뮬레이션, Adas(Advanced Driver Assistance Systems) 및 자율 주행 전문가)

충돌 시뮬레이션에 사용하는 더미는 실제 상황을 더욱 잘 모사할 수 있도록 실제에 가까운 디지털 인간 모델로 대체될 것이다.
CAE 전문가들은 차체 (여기서는 Streetscooter를 예시로 사용)의 충돌 최적화 시에 구조 강성과 충돌 퍼포먼스 사이에서 균형을 잡아야 하며, 이때 차량 무게와 비용도 고려해야 한다.

제트 전투기보다 자동차에 소프트웨어 코드가 더 많다

운전자 보조 시스템의 중요성이 갈수록 높아지면서, 소프트웨어 콤포넌트들도 많이 사용되고 있다. 무지막지한 수치로 이를 설명할 수 있다. 화성 탐사차 큐리오시티 로버의 소프트웨어는 고작 5백만 줄의 코드로 구성되어 있는 반면, 소형 전기차 Chevy Volt는 천만 줄의 코드로 구성되어 있다. 제트 전투기 F-35의 코드는 2천 4백만 라인이지만, 최신 하이엔드 자동차의 경우는 1억 줄의 코드로 이루어졌다. 여기에 이러한 소프트웨어는 안전을 고려해야 한다. 이를 위해 Ansys같은 업체들은 ISO 26262에 따라 인증된 코드 생성기를 제공하며, 이를 이용하여 개발자들이 생성된 임베디드 소프트웨어 어플리케이션이 자동차 산업에 있어서 엄격한 보안 규정을 충족한다는 점을 보장할 수 있어야 한다. 그러나 여러 분야들만 협력해야 하는 것은 아니다. 섀시, 전기 장치, 파워 트레인, 차체와 같은 모든 개발 영역도 긴밀히 네트워킹을 이루고 동일한 데이터 모델을 사용한다. 콤포넌트들이 물리적 프로토타입에서 개발 수준이 각기 다르면, 가상의 프로토타입을 작성하여 개발 수준을 조율할 수 있다. 만일 물리적 프로토타입이 필요하면, 모든 콤포넌트들이 같은 개발 성숙도를 갖게 된다. Audi는 A4 개발 시 가상의 방법과 시뮬레이션을 사용하였다. 높은 제품 성숙도를 통해 물리적 프로토타입을 최소화할 수 있었다. 또한 이러한 프로세스 최적화가 자동차 산업의 경쟁력을 높일 수 있다는 점이 확실해졌다. 분야간 최적화의 또 다른 예시는 무게 또는 무게 절감이다. 2014년 9월부터 유럽에서는 Euro 6 규격이 적용되었다. 이 규격은 일산화탄소(CO), 산화질소(NOx), 탄화수소(HC), 입자의 배출 한계 값을 규정한다. 또한 EU 국가들은 CO2 한계 값도 결의하여, 2020년까지 모든 신차의 95%는 1km당 95g로 CO2의 배출을 제한했다. 현재는 130g이다. 따라서 자동차는 연료 소비를 줄여야 하며, 이때 경량 구조가 큰 역할을 한다. 무게는 덜 나가면서 안락함과 주행 성능은 좋아져야 하고, 충돌 안전성은 요건을 충족해야 하기 때문에 간단한 문제는 아니다. 여기에 진동 해석, 강성 계산, 판재 성형, 음향 시뮬레이션 등의 다양한 분야들이 한 팀으로 협력해야 한다. 가능한 개발 단계 초기에 그리고 CAE법을 사용하여 최적화를 최대한 구현해야 한다. 지오메트리, 사용 가능한 장착 공간, 하중 집합, 물질과 제조 공법을 고려해야 한다. 설계자가 설계 단계에서 시뮬레이션 툴을 사용할 수 있다 하더라도 그저 구조만 변경하는 것만으로는 충분하지 않다. 설계자는 기능에서부터 이상적인 형태를 만들어내는 CAE 엔지니어와 협력해야 최종적으로 최적의 결과에 도달할 수 있다. 즉 보다 가벼운 구성품을 만들어낼 수 있게 하거나 구성품이 더 많은 기능을 구비해야, 상위 어셈플리가 더 가벼워질 수 있다. 이때 CAE는 전략적으로 지원하는 역할을 한다.

3D 프린팅의 장점이 자동차 산업의 관심을 불러일으킨다

경량 구조 잠재성은 3D 프린팅으로도 열린다. 3D 프린팅을 새로운 시뮬레이션 기법을 필요로 하지 않으면서도, 3D 프린팅이 아니면 불가능한 구조 최적화를 제공한다. 적층 가공되는 금형을 통해 지금까지 생각할 수 없었던 부품을 제작할 수 있다. 이 덕분에 설계자들이 훨씬 더 자유롭게 되었다. 따라서 아직까지는 적층 가공으로 부품을 대량 생산할 수는 없지만, 자동차 산업은 적층 가공에 매우 큰 관심을 보이고 있다. 포뮬러 1에서 Red Bull과 같은 팀은 이미 3D 프린터를 경량 부품을 개별 제작하는 데에 사용한다. 경량 구조가 연료 소비를 줄이는 데에만 중요한 것이 아니다. 소형 엔진으로 연료를 덜 소비하면서도 출력은 동일하게 얻을 수 있는 방법을 알아내는 데에 시뮬레이션이 이용된다. 열적, 유체역학적 모델을 통해 복잡한 물리 현상을 모사하기 위해 또 협소한 구조 공간, 모델 다양성과 엔진의 다양성 그리고 짧은 개발 시간을 고려하기 위해, 가상 기법과 시뮬레이션은 비켜갈 수가 없고, 더욱 높은 출력에 도달하는, 터보차저를 장착한 소형 엔진을 개발할 수 있다. 자동차 산업은 시뮬레이션을 이용하여 오늘날의 요구 사항들에 대응하고 있다. 목표는 앞으로 모든 차량 콤포넌트들을 적용하여 완벽한 제품 시뮬레이션을 실행하는 것이고, 최소한의 변화가 전체 차량에 어떤 영향을 미치는지를 빠르게 파악할 수 있다.