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148C2006/7 경남 창원에 위치한 자동차부품 전문업체 덴소풍성전자는 1976년 6월 일본의 덴소와 합작으로 창업하여 선진 자동차 부품 기술을 도입, 눈부신 성장을 구가해 현재 연면적 7,000여평의 공장에 550여명의 종업원, 매출액 1,500여억원의 우리 나라 대표적인 자동차 부품업체로 발전했다. 덴소풍성전자는 현재 클러스터 부문이 매출액의 90% 이상을 차지하고 있으며, 이외에도 연료센서 ECU및 센서 등 전장품 관련 부품도 생산하고 있다. 특히 국내에서는 유일하게 산타페 차종에 멀티미터를 공급하고 있으며, 에어컨 패널도 모듈 형식으로 공급하면서 제품 다변화에도 박차를 가하고 있다. 덴소풍성전자의 이러한 발전을 뒷받침한 경영철학으로 바로 기술력과 품질, 덴 소의 선진 부품기술과 디자인 능력, 철저한 품질관리 시스템 등을 적극 도입하며 그 어느 업체에도 뒤지지 않는 기술력과 품질을 확보했다. 주요 고객은 국내 주요 자동차 업계로 현대 기아자동차, 쌍용자동차, GM대우, 대림모터, 효성모터 등이 있다. 기술에 대한 투자 덴소풍성전자는 기술력과 품질을 최우선으로 두고 지속적으로 기술력 향상을 위해 투자를 해왔다. 1996년도부터 순차적으로 CATIA V4 설계 소프트웨어 및 장 비를 도입해 왔으며, 2000년 남보다 앞서 CATIA V5를 도입하여 현재는 CATIA V4와 V5를 동시에 사용하고 있다. 고객사의 행보에 발맞추어 빠르게 CATIA V5 를 도입하였으며, 현재는 V4에서 V5로 트랜지션이 완료 단계에 접어들었다. 덴소풍성전자는 향후 2007년 경 CATIA V5로 트랜지션을 완료할 계획이며, 고 객사 및 협력업체와 실시간 협업이 가능한 시스템으로 발전시킬 계획이다. 현재 A nalysis 설계 단계에서 성공적인 CATIA V5 해석 적용 CATIA V5 해석 적용 사례 기존 CATIA V4에서 V5로 전환하는 시점에서 덴소풍성전자는 PLM 트렌드에 맞추어 DMU와 동시에 해석 솔루션을 도입하여 설계단계 에서 제품의 신뢰성을 확보할 있는 방향으로 나아가고자 해석 솔루션을 활용하게 되었다. 이 글에서는 덴소풍성전자에서 CATIA V5 와 동일 플랫폼에서수행가능한 해석 솔루션을성공적으로 적용한 사례에 대해 소개하고자 한다. 덴소풍성전자 기술연구소 기술기획팀장으로 자동차 전장 신상품 개발 및기획에 참여하고 있다. 홈페이지 |http://www.dnpe.co.kr E-Mail | [email protected] 양권

설계단계에서성공적인 CATIA V5 해석적용 - 캐드앤그래픽스€¦ ·  · 2009-05-132006/7 C∙149 CATIA V5 해석적용사례 CATIA V5 시스템12대(IBM Workstation

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148∙C 2006/7

경남 창원에 위치한 자동차부품 전문업체 덴소풍성전자는 1976년 6월 일본의

덴소와 합작으로 창업하여 선진 자동차 부품 기술을 도입, 눈부신 성장을 구가해

현재 연면적 7,000여평의 공장에 550여명의 종업원, 매출액 1,500여억원의 우리

나라 표적인자동차부품업체로발전했다.

덴소풍성전자는 현재 클러스터 부문이 매출액의 90% 이상을 차지하고 있으며,

이외에도연료센서ECU및센서등전장품관련부품도생산하고있다.

특히 국내에서는 유일하게 산타페 차종에 멀티미터를 공급하고 있으며, 에어컨

패널도모듈형식으로공급하면서제품다변화에도박차를가하고있다.

덴소풍성전자의 이러한 발전을 뒷받침한 경 철학으로 바로 기술력과 품질, 덴

소의 선진 부품기술과 디자인 능력, 철저한 품질관리 시스템 등을 적극 도입하며

그어느업체에도뒤지지않는기술력과품질을확보했다.

주요 고객은 국내 주요 자동차 업계로 현 기아자동차, 쌍용자동차, GM 우,

림모터, 효성모터등이있다.

기술에 한 투자

덴소풍성전자는 기술력과 품질을 최우선으로 두고 지속적으로 기술력 향상을

위해 투자를 해왔다. 1996년도부터 순차적으로 CATIA V4 설계 소프트웨어 및 장

비를 도입해 왔으며, 2000년 남보다 앞서 CATIA V5를 도입하여 현재는 CATIA

V4와 V5를 동시에 사용하고 있다. 고객사의 행보에 발맞추어 빠르게 CATIA V5

를도입하 으며, 현재는V4에서V5로트랜지션이완료단계에접어들었다.

덴소풍성전자는 향후 2007년 경 CATIA V5로 트랜지션을 완료할 계획이며, 고

객사 및 협력업체와 실시간 협업이 가능한 시스템으로 발전시킬 계획이다. 현재

A nalysis

설계 단계에서 성공적인

CATIA V5 해석 적용

CATIA V5 해석적용사례

기존 CATIA V4에서 V5로 전환하는 시점에서 덴소풍성전자는 PLM 트렌드에 맞추어 DMU와 동시에 해석 솔루션을 도입하여 설계단계

에서 제품의 신뢰성을 확보할 수 있는 방향으로 나아가고자 해석 솔루션을 활용하게 되었다. 이 에서는 덴소풍성전자에서 CATIA V5

와 동일 플랫폼에서 수행가능한 해석 솔루션을 성공적으로 적용한 사례에 해 소개하고자 한다.

덴소풍성전자 기술연구소 기술기획팀장으로 자동차 전장 신상품

개발및기획에참여하고있다.

홈페이지|http://www.dnpe.co.kr

E-Mail |[email protected]

양권

2006/7C∙149

CATIA V5 해석적용사례

CATIA V5 시스템 12 (IBM Workstation Intellistation)와 CATIA

V4 시스템 8 (IBM Workstation AIX System)를 보유하고 있고,

진동, 조명 등의 여러 가지 CATIA V5 해석 솔루션을 최근에 도입 적

용중에있다.

CATIA V5용 해석 솔루션의 필요성 및 선택 이유

그러면덴소풍성전자가CATIA V5와동일플랫폼에서해석솔루션

을도모하는이유는덴소풍성전자의주고객인세계유수의자동차회

사들의 제품 개발 솔루션인 CATIA를 활용하여 제품 개발의 초기 단

계부터 실시간 설계 검증을 통하여 좋은 품질의 제품 생산과, 설계 기

간단축등여러가지이점을고려하여선택하 기때문이다.

CATIA V5의해석솔루션은기존의솔루션보다쉽게배울수있고,

이해하기쉬운GUI 환경을제공한다. 주생산품목인클러스터부분은

진동 및 공진에 해 문제가 되는 부분을 미리 확인할 수도 있고 제품

의구조적결함을보완하여최적설계를수행할수있었으며, 시제품의

제작시에러발생을없애시간적,비용적인효과를가져다주었다.

현 자동차, 기아자동차 등 주요 고객사들과도 CAITA V5의 데이

터로 협업을 실시하고 있는 상황으로 덴소풍성전자는 주요 고객과의

설계 데이터 인프라를 동일하게 구성하여 주요 협력업체와의 협업 및

제품생산주기를단축할수있었다.

CATIA V5 도입 이후 실제 현업 적용 사례

덴소풍성전자는CATIA V5 해석솔루션을활용하여주요생산품목

인클러스터및센서류의설계를실시하고있으며, 3차원설계를통한

전부서의직관적인이해및제품생산주기를앞당길수있었다. 현재

는 CAE를 적용하여 설계의 타당성 및 안전성을 예측하는 기법을 테

스트중이다.

CATIA V5 해석 솔루션 도입 이후 성과 및 과제

덴소풍성전자는 CATIA V5 해석 솔루션을 이용하 을 때 기존의

설계 생산성 비 30% 이상의 설계 기간 단축효과가 있는 것으로 판

단하고 있으며, 이는 제품 생산 기간 단축 및 제품 품질 상승 효과를

동반할것으로예상된다.

CATIA V4에서 V5로 트랜지션 하는 시점에서 CATIA V5 해석 솔

루션을활용하여설계의표준화및자동화기법을도입하여설계기간

단축과 설계 변경에 유연하게 처하는 방안을 지속적으로 테스트 해

왔고, 현재도개발및적용중이다.

동일 플랫폼에서의 작업을 통한 제품의 설계변경에 처하는 모델

링방법론및클러스터제품에 한설계기간단축및제품품질안정

화에 한효과가기 된다.

또한 사내 공통부품에 한 제품들은 해석 기능을 활용하여 체계화

시키고, 설계 자원을 재사용할 수 있도록 구축하여 사내 설계자들 간

에동시협업기능을활성화시켜제품생산성을향상시켰다.

사내 CAD 시스템이 CATIA V4에서 V5로 트랜지션 하는 시점이므

로 CATIA V5 해석솔루션에 한 사내교육및설계변경해석이용이

한표준화규격집을구축하는것이현재해결해야하는과제이다.

향후 계획

덴소풍성전자는 기존의 CATIA V4와 달리 V5는 설계자들이 비교

적 쉽게 접근할 수 있는 CAE 환경 및 디지털 목업 환경을 제공하고

있다고 판단되어, 추후 이러한 부분까지 활용하여 설계자들이 본인의

설계를 시험에 앞서 검증하여, 제품설계 기간을 단축하고, 제품의 품

질을 확보할 수 있는 수준까지 활용할 수 있도록 추진중이다. 현재 자

체 생산 품목들에 하여 여러 가지 해석 및 디지털 목업 기능을 접목

및테스트하고있는단계이며, 차후체계화된방법론을확립하여총체

적으로 제품의 품질을 확보하고, 요구에 즉각 처할 수 있는 시스템

을구축할계획이다.

2007년부터 중국에서 현지공장을 가동할 계획이며, 이를 통해 중

국 내 현 및 기아차에 클러스터를 직접 공급함으로써 현 및 기아

차의 중국시장 경쟁력 강화에 일조할 것이다. 덴소풍성전자는 오는

2010년까지 매출 2,500억원 달성을 목표로 하고 있다. 이를 위해 클

러스터관련기술의선진화, 전장품으로서의사업 역확 등을통해

미래핵심성장동력을지속적으로확보해나갈계획이다.

CATIA V5 적용 로드맵

덴소풍성전자는 기존 CATIA V4를 이용하여 설계하던 프로세스를

V5로 이전하는 작업을 수행중이고, 사내 표준화 작업 및 V5

Relational Design 기법을 활용하여 설계 시간을 단축하고 설계변경

에능동적으로 처할수있는설계방법을구축중이다.

동시에 V5 해석 솔루션을 이용하여 제품의 신뢰성 확보를 위한 설

계단계에서의FEM 해석적용기법에 한테스트를진행하고있다.

CATIA V5 해석 솔루션 도입 배경

프로세스 변화에 의한 설계 생산성 향상

기존 해석, 검증을 위해서 거쳤던 과정에서 전문 프로그램을 사용

하는외주선에의뢰하므로인한시간적인로스및검증을거치는과정

에서 데이터 변환시의 에러 발생 그리고 무엇보다도 전문 프로그램을

활용함에따른비용이문제 다.

그러나 덴소풍성전자에서 V5와 같은 플랫폼에서 운 이 되는 해석

솔루션을적용함에따라시간적, 비용적, 그리고같은플랫폼에서운

되는시스템을적용하여실시간도면수정및검증작업을할수있었다.

설계 환경의 변화

①설계기간단축

②시험및성능검증을위한프로토타입축소

③해석주기단축

④설계/ 해석프로세스변화

- 설계초기해석수행, 해석결과의설계반

- 해석아이템증가

- 해석 역/ 기술의확 발전

설계자에 의한 해석 적용 필요성

■ 설계 품질 조기 확보

- 설계자의해석을통한설계검토

- 초기단계모델검토로설계변경최소화

- 설계변경축소로인한시간및경비절감

■ 해석 기술의 체계화 / 표준화

- 해석전문가의축적된지식과경험을체계화/ 데이터베이스화

- 해석아이템별표준해석방법론확립

- 해석비숙련자의해석신뢰도향상

■ 해석 기술의 향상

- 설계자의해석능력배양

- 설계로의 해석업무 일부 이관 및 신기술 연구를 통한 기술 향상

추구

- 설계/ 해석프로세스병행추진(팀웍증진)

설계자의 해석 역 정의

현안과제 및 해결방안

■ 현안 과제

①설계자의해석환경개선

- 해석업무의 필요성은 공감하나 과중한 설계업무로 시간적 여유

부족

- 해석지식및기술부족(-> 적합한툴선정)

- 설계아이템의해석을통한검토프로세스정립필요

②설계/ 해석연계프로세스개발

- 설계/ 해석프로세스연계방안정의

- 설계자를위한표준해석기술정립

- 설계자용해석툴선정-> CATIA V5

■ 해결 방안

①설계/ 해석팀을주축으로하는위원회(TFT) 구성

150∙C 2006/7

A nalysis

2006/7C∙151

CATIA V5 해석적용사례

- 설계/ 해석프로세스연계를위한정책입안

- 설계자 해석 아이템 및 관련 해석 기술 정리, 설계로의 이관 준비

작업

- 설계자용해석툴확보/ 해석환경구축

②해석활성화를위한탑다운방식의정책적결정필요

- 설계에서의해석적용을위한강력한시스템구축

- Top Manager, 부서장및팀장의지

CATIA V5 설계단계 해석사례(EOLS 브라켓 구조/ 진

동해석 상세사례)

CATIA V5 설계 단계 해석 사례 - CAD 모델링

■ 위와 같은 형상의 브라켓을 CATIA V5를 이용하여 3차원 모델

링완성하 다.

■ 위의 두 가지 모델을 이용하여 요구조건에 한 구조해석을 실

시하 다.

■ 설계 시 중점 관심 부분은 노치 부위와 센서가 장착되는 홀 부위

이다.

■ 본 해석은 임의의 압력에 해 각 부에 나타나는 응력 분포 및

변위 분포 수준을 확인하고 고유진동수 해석을 수행하여 관심 주파수

의고유진동모드를구하 다.

■ 두 가지 타입의 모델을 각각 검토하여 각 설계의 타당성 및 제품

의안전성을도출하 다.

CATIA V5 설계 단계 해석 사례 - 유한요소 모델링 타입 I

■ 하중조건은 위의 그림과 같이 10000 N/m2의 압력과 제품의 자

중을적용하 다. 유체속에서작동하는부품이므로하중에압력을적

용하 다.

■구속조건은위의그림과같이두곳홀부위를고정하 다.

■제품에적용한재질은SUS304이며제품의두께는1.5mm이다.

■ 모든 파트의 유한요소는 2차원 Shell 엘리먼트(QD 8 & TR6)를

사용하 다.

■ 솔리드 모델에서 추출한 서피스를 이용하여 2차원 Shell

Element를이용하여요소망을만들었다.

■ 해석에 적용한 재질은 SUS304이며, 이 재료의 탄성계수는

193GPa, 포와송비는0.29이다.

■SUS304의항복응력= 206 MPa이다.

CATIA V5 설계단계해석사례- 유한요소모델링타입II

■ 하중조건은 위의 그림과 같이 10000 N/m2의 압력과 제품의 자

중을적용하 다. 유체속에서작동하는부품이므로하중에압력을적

용하 다.

■구속조건은위의그림과같이두곳홀부위를고정하 다.

■제품에적용한재질은SUS304이며, 제품의두께는1.5mm이다.

■ 모든 파트의 유한요소는 2차원 Shell 엘리먼트(QD 8 & TR6)를

사용하 다.

■ 솔리드 모델에서 추출한 서피스를 이용하여 2차원 Shell

Element를이용하여요소망을만들었다.

■ 해석에 적용한 재질은 SUS304이며, 이 재료의 탄성계수는

193GPa, 포와송비는0.29이다.

■SUS304의항복응력= 206MPa이다.

CATIA V5 설계 단계 해석 사례 - 응력 해석결과 타입 I

■ 10000 N/m2의 하중과 자중이 적용되었을 때 최 응력은 고정

조건을적용한홀부위에서나타나며, 그값은151MPa이다.

■ 관심 부위인 노치 주변의 응력값은 약 45�70MPa 정도의 값을

나타낸다.

■R부에서발생하는응력은약90~125MPa로노치부에서발생하

는응력보다상회하는값을나타낸다.

■ 같은 조건의 하중이 적용되었을 때 나타나는 최 변위는 약

2.1mm이다.

■최 변위는제품에센서가장착되는홀주변에서발생되었다.

CATIA V5 설계 단계 해석 사례 - 응력 해석결과 타입 II

■ 10000 N/m2의 하중과 자중이 적용되었을 때 최 응력은 노치

부에서나타나며그값은67.8MPa이다.

■ 관심 부위인 노치 주변의 응력값은 약 45 � 67MPa 정도의 값

을나타낸다.

■ 같은 조건의 하중이 적용되었을 때 나타나는 최 변위는 약

0.23mm이다.

■최 변위는제품에센서가장착되는홀주변에서발생되었다

CATIA V5 설계 단계 해석 사례 - 고유진동수 해석결과

타입 I

■ 본 해석에서 총 고유진동수는 1차부터 10차 모드까지 10개 값을

구하 다.

■좌측의그림은10개고유진동수의값(Hz)을차례 로나타낸다.

■위의그림은1차와2차고유진동수의변형형상을나타낸다.

■1차고유진동수의값은약44Hz이고, 2차고유진동수의값은약

72Hz이다.

■ 본 고유진동수와 같은 Hz로 외부 가진력이 전해지면 부품은 공

진현상으로위와같은형상으로파괴될위험이크다. 설계시외부가

진력의진동수를확인하여반 해야할것이다.

CATIA V5 설계 단계 해석 사례 - 고유진동수 해석결과

타입 II

■ 본 해석에서 총 고유진동수는 1차부터 10차 모드까지 10개 값을

구하 다.

■좌측의그림은10개고유진동수의값(Hz)을차례 로나타낸다.

■위의그림은7차와8차고유진동수의변형형상을나타낸다.

■ 본 고유진동수와 같은 Hz로 외부 가진력이 전해지면 부품은 공

진현상으로위와같은형상으로파괴될위험이크다. 설계시외부가

진력의진동수를확인하여반 해야할것이다.

CATIA V5 설계 단계 해석 사례 - 결론

■ 본 해석에서는 주어진 하중조건에서 각 형상에 해 구조물에

나타나는응력분포를확인하 다.

■ 본 해석에서는 각 제품의 고유진동수 값을 10차 모드까지 구하

다.

■ 해석결과 CASE I의 경우 하중이 작용할 때 최 응력은 약

151MPa가 발생하 다. 이 값은 재질의 항복 응력인 206MPa에 비하

여작은값으로주어진하중조건에서제품의설계안전률은1.36이다.

■ CASE II의 경우 하중이 작용할 때 최 응력은 노치부에서 발생

하며그값은약68MPa이다. 이값은항복응력에미치지못하는값으

로이때안전율은약3.0이다.

■ CASE I의 관심 부위인 노치 부는 주어진 하중 조건에서 약

40~80MPa의 응력값을 나타낸다. 또한 R부위의 응력값은 약

90~125 MPa의 값을 나타낸다. 이 값들은 재질의 항복응력에 못 미

치는 값으로 노치부 및 R부는 주어진 하중조건에서 파괴될 위험이 적

다. 하지만 두 가지 결과값으로 미루어 보아 노치부 보다는 R부위에

서의파괴가능성이높다고할수있다.

152∙C 2006/7

A nalysis

2006/7C∙153

CATIA V5 해석적용사례

■ 본 해석에서 적용한 하중조건의 경우, 부품이 유체안에 장착되

고 유체가 둘러싸인 환경에서 작동하므로 압력조건을 적용하 으나,

적용한 하중의 크기는 임의로 정해진 것이다. 추후 하중의 크기와 방

향을바꾸어가면서설계자가원하는조건에서각부분의응력및변형

값을확인할수있다.

■ 본 해석에서는 조립되는 부품의 무게를 고려하여 위와 같은 고

유진동수값을구하 다.

■ CASE I(New type)의 경우 고유진동수 값은 위의 표와 같이 나

타났으며, CASE II(Old type)의경우도위와같이나타났다.

■ 본 해석 결과는 외부 가진력의 주파수 데이터를 획득한다면 공

진현상을피할수있는설계자료로활용할수있다.

도입효과 및 향후계획

■ 응력해석 및 반

을 통하여 기본설계 단

계에서의 설계제품의

검증가능

■ 그외 전문해석 및

임계 부위에 한 정확

한 후해석 등은 전문가

의상세분석이필요

■ 신속, 정확,

용이, 저비용, 확

장성, 효율적인

데이터 관리, 장

래성을 고려한 성

공적인도입

■ 일관적인 설

계-해석 루프(설

계변경및해석자동업데이트)를이용한데이터관리의편의성

■ 동일 플랫폼을 사용한 설계 프로세스이므로 설계 기간 및 비용

을 폭절감가능

■ 설계자가 수행할 수 있는 선형 구조해석 수행으로 신뢰성 있는

설계가능(차후열및유동해석등으로확 )

■ 사내 기술 축적 및 추후 유사한 아이템에 한 설계 기간 폭

축소가능예상

맺음말

덴소풍성전자에서 CATIA V5와 동일 플랫폼에서 수행가능한 해석

솔루션의 성공적으로 적용한 사례를 소개를 간략하게나마 마치면서

다시 한 번 더 강조하고 싶은 부분은 첫째로, 설계자의 작업행위 반경

을과감하게늘려가야되는시점이라는것이다. 기존의단순한드로잉

업무는 이제 누구나 할 수 있다. 이것은 설계자의 업무가 이제는 아니

라고 봐도 무방할 것 같다. 설계자는 전체적인 레이아웃 결정만 하고

결과물에 한 체계적이고 합리적인 솔루션을 사용해서 설계 단계에

서 검증해내는 일을 해야 된다고 본다. 물론, 어떠한 솔루션을 사용하

느냐 하는 문제는 아주 까다롭고도 어려운 일이 될 수 있지만, 가능한

CATIA V5를 사용하는 업체라면 동일 플랫폼에서 작업이 가능하고

수정, 검토가가능한솔루션이어떨까한다.

둘째로, 선택하려는 솔루션이 누구나 쉽게 사용할 수 있어야 한다

는 것이다. 물론, 솔루션 선정에는 수많은 고려사항에 한 철저한 분

석 및 검토가 필요하지만 필요 이상 또는 부적합한 솔루션을 채택할

경우 소프트웨어의 가격은 둘째치더라도, 필요한 사용법만 익히는 데

에 많은 시간과 더 많은 스트레스를 설계자가 받을 가능성이 크다고

본다. 이상적인것은가능하다면매뉴얼만으로도단기간내에사용가

능한 솔루션이 가장 좋을 것이다. 참고로, 본인이 전자공학을 전공자

임에도 불구하고 본 솔루션을 무리없이 적용 검증 작업까지 해내는데

3일밖에소요되지않았다.

셋째로, 가격 비 성능을 고려하지 않을 수 없다고 본다. 앞에서도

언급한바있지만어떠한솔루션을사용하느냐하는문제는아주까다

롭고어려운일이다. 가격 비원하는기능을가지는이상적인솔루션

을찾아설계에적용함으로써, 최소의비용으로원하는결과를찾도록

노력해야될것이다.