Multidisciplinary Design Optimization

 

 

제품의 개발 과정에서 설계의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않다. 예를 들어 자동차 개발에서 설계에 소요되는 비용은 약 5% 정도에 불과하지만 설계를 통하여 이루어지는 결정이 제품의 성능 및 생산성에 미치는 영향은 약 70%나 되는 것으로 알려져 있다. 이러한 설계의 중요성은 최근 산업제품의 복잡성 증가에 따라 더욱 강조되고 있다. 그런데 대부분의 국내외 제품설계 관행은 설계단계 별로 설계자의 경험 및 직관에 주로 의존하는 시행착오적인 방법을 사용하고 있어 공학설계의 궁극적 목적을 이루는 데 크게 미흡한 수준에 머무르고 있다.

 

최근에는 IT·설계 기술의 진화, 제품의 복잡성 증가, 대외적 요구조건의 증대·다변화 등으로 해석·설계 문제의 규모가 획기적으로 증대 (수백만 DOF 이상)되고 있으며, 산업에서 요구하는 해석 및 설계 환경이 기존의 단일분야 (single-disciplinary) 만을 고려한 시뮬레이션에서 다분야통합 (multidisciplinary) 시뮬레이션 및 최적화로 변모하고 있다.

 

항공기, 자동차 등과 같이 여러 분야로 이루어진 복잡한 시스템에서는 각 분야간에 서로 영향을 주는 연성관계가 존재하므로, 하나의 분야만을 고려하여 설계하는 기존의 최적설계 기법만으로는 사실상 최적화가 불가능하다. 이에 따라 그림 1과 같이 여러 분야의 상충된 설계조건들을 동시에 고려할 수 있는 최적설계 신기술인 다분야통합최적설계 (multidisciplinary design optimization; MDO) 기술이 개발되었다. MDO 기술은 기존 설계기법 대비 효율적이고 정확한 설계가 가능한 통합적 설계기술로서, 전체 설계 프로세스에 이 기술을 효과적으로 사용할 수 있는 방법에 대한 연구가 최근 활발하다. MDO 기술은 기존의 설계기술에 비하여 효율적이고 초기 설계 단계에서부터 여러 해석분야를 동시에 고려할 수 있으므로 정확한 최적해를 얻을 수 있다. 따라서 다양한 해석분야를 고려하면서 분야간 상충된 설계 조건들을 통합적으로 다루기 위해 설계의 통합화, 자동화, 최적화가 가능한 MDO 기술의 개발 및 적용이 요구된다.

 

 

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그림 1 다분야통합최적설계 기술

 

 

본 연구실에서는 시스템 분해 (decomposition) 기법 개발, MDO 방법론 개발, 실제 산업제품 설계 문제의 다분야통합설계 등을 활발히 수행하고 있다. 병렬 컴퓨팅 (parallel computing)을 적용하여 시스템의 다분야통합해석 (multidisciplinary analysis; MDA) 또는 MDO를 효율적으로 수행하기 위해 그림 2와 같이 복잡한 시스템을 여러 개의 하부시스템 (subsystem)으로 분해하는 시스템 분해 (decomposition) 기법을 개발하였다. 또한 이점대각근사화 기법 (two-point diagonal quadratic approximation)을 순차적으로 적용하여 효율성을 높인 MDO 방법론을 개발하였으며, 그림 3, 4, 5와 같이 항공기, 자동차, 가전, 조선 분야 등에서의 다양한 실제 산업제품의 설계에 MDO 기술을 성공적으로 적용해나가고 있다.

 

그림 2 Rotorcraft analysis process decomposition

 

그림 3 Compound Helicopter의 다분야통합최적설계

 

그림 4 에어컨 실외기 배관계통의 다분야통합최적설계

 

 

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그림 5 설계자동화시스템을 통한 차량 다분야통합설계