그동안 여러 산업 군에서 소음진동 현상과 관련된 문제는 다루기 어려운 난제 중 하나였다.

​그중 진동의 경우 유한요소해석 소프트웨어를 이용하여 많은 연구가 진행되었으나 소음 문제의 경우 높은 주파수 특성으로 인해 해석 비용의 증가 및 다양한 소음 원(구조, 유동, 전자기력, 시스템 공진)들로 인해 예측하기 어려운 특징을 가지고 있다. 이런 다양한 음향문제들을 해결하기 위해 다쏘시스템 에서는 음향 해석 전문 소프트웨어인 Wave6 를 인수 하였다.

​이번 호에서는 시뮬리아 포트폴리오로 새롭게 추가된 Wave6 에 대하여 소개하고 적용된 다양한 방법들과 사례들에 대해 소개한다.

소음진동 해석이 필요한 이유

전체 산업에서 소음진동관련 이슈는 어느 특정 산업 군에 국한되지 않고 다양한 형태로 발생된다.

그림 1. 과 같이 소음 이슈를 3가지로 분류하여 보았다.

​먼저 특정 공간 안에서 발생되는 소음들의 예를 들어보면 자동차 또는 기차, 비행기와 같이 내부에 사람이 탑승할 때 탑승객들이 느끼는 소음들이 있을 것이다. 또한 최근 많은 이슈가 되고 있는 아파트 층간 소음 문제 또한 이러한 내부 소음 문제라 할 수 있다. 두번째는 음원에 의해 소음이 방사되는 방사 소음이다. 마찬가지로 여러 산업 군에서 적용되지만 자동차의 경우 대표적으로 Pass-by-noise 가 있다. 세번째 Failure 는 주로 폭발음 및 기능 이상으로 인한 불안정 상태의 소음이다.

​따라서 소음의 발생에는 다양한 원인과 다양한 전달 유형이 있기 때문에 이러한 현상들을 해석을 통해 예측하여 예방하여야 한다.

​Wave6 란 무엇인가?

Wave6은 광범위한 주파수 범위에서 소음 및 진동 (또는 유동 소음 및 진동)을 모델링하는 차세대 소프트웨어이다. 모든 사용자가 사용할 수 있는 단일 통합 환경에서 유한 요소 (FEM), 경계 요소 (BEM) 및 통계 에너지 분석 (SEA)의 방법들을 결합하여 사용 가능한 소프트웨어이다. Wave6는 그림2. 에서 보는 바와 같이 하나의 유저 인터페이스 창에서 여러 해석 방법들을 동시에 적용이 가능하고 결과도 한꺼번에 분석이 가능한 장점을 가지고 있다.

​그림 2. 는 Wave6 의 유저 인터페이스 환경이고 하나의 창에서 모든 솔루션을 적용하고 결과를 편리하게 확인할 수 있다.

Wave6 의 장점

Wave6 는 소음 전문 소프트웨어로서 다양한 종류의 입력 값들이 적용가능하고 그림 3. 과 같이 시뮬리아 소프트웨어와 결합하여 더욱 강력하고 다양한 솔루션에 대한 접근이 가능해졌다.

​Abaqus 를 이용해 구조해석 결과를 이용해 소음 해석을 할 뿐 아니라 Simpack 을 이용하여 파워트레인 및 기어박스와 같은 MBD 모델에 대해 소음진동 해석이 가능하다. 또한 전자기 해석 소프트웨어인 CST 를 이용하여 모터와 같은 전자기력에 의한 소음 특성, 또는 Xflow 의 유동 해석 결과를 가지고 소음 해석을 진행할 수 있다. 또한 이러한 결과들은 저주파수뿐만 아니라 고주파로 나타나고 따라서 넓은 주파수 해석 영역을 가지는 Wave6 는 이런 문제들을 해석하는데 최적의 성능을 보일 것이다.

​또다른 Wave6 의 장점으로는 프로세스 자동화 기능이 있다. 높은 수준의 워크 플로우 자동화기능을 이용하여 이전에 수행하였던 모델링 프로세스에 대해 자동화 프로세스를 구축할 수 있다. 따라서 엔지니어는 몇 번의 클릭만으로 다양한 모델 형상에 대해 동일한 해석 프로세스를 적용할 수 있다.

Wave6 의 다양한 음향 해석 방법

Wave6 는 그림4. 에서 보는 바와 같이 전체 가청 주파수 범위에서 소음 및 진동을 효율적이고 정확하게 시뮬레이션 할 수 있는 방법을 제공한다. Wave6 는 개별적으로 라이선스가 부여된 다른 소음진동해석 소프트웨어와 달리 단일 환경에서 단일 라이선스로 모든 해석 방법이 통합되어 있다. 이러한 방법은 다른 소프트웨어 패키지에서는 불가능했던 방식으로 좀더 효율적으로 소음 및 진동 문제를 분석 할 수 있다.

​여기서 대표적으로 사용되는 세가지의 분석방법에 대해 설명한다.

​-FEM (Finite Element Method)

음향 유한 요소는 저주파에서 경계가 있는 음향 공간의 응답을 나타낼 때 사용된다. 일반적으로 표면적과 체적 비율이 큰 음향 공간을 모델링 하는데 이상적이다. Wave6 는 음향 유한 요소 모델을 직접 생성하는 기능을 포함한다. Wave6는 자동으로 볼륨 추출 및 메쉬 생성, 물리적 특성 할당 등을 할 수 있고 타사의 유한요소 및 CFD 코드에서 기존 볼륨 메쉬를 가져올 수도 있다.

구조 유한 요소는 저주파에서 구조 구성 요소의 진동을 분석하는데 사용된다. (일반적으로 구성 요소가 수천 개 미만의 구조 모드를 포함하는 경우). Wave6는 구조적 유한요소 모델을 직접 생성하고 기존 외부 구조 유한 요소 모델을 불러올 수 있다. 또한 점 탄성 라미네이트 및 복합재를 정확하게 모델링하는 기능과 함께 선형 및 2차 빔, 쉘, 솔리드를 포함하는 최신 유한요소 라이브러리를 구축하였다.

-BEM (Boundary Element Method)

경계 요소는 낮은 주파수에서 경계가 있거나 제한되지 않은 음향 공간에서 음향 파 전파를 설명하는데 사용된다. (일반적으로 음향을 방출하거나 산란하는 음향 파장이 100개 이내인 경우). BEM은 FEM과 달리 음향 공간의 표면만을 메쉬를 수행하면 되고 따라서 무한한 공간의 음향 방사 특성이나 복잡한 랜덤 가진 음향 환경에서의 구조적 가진 특성을 확인하는데 이상적이다.

최근 벤치 마크에서 Wave6 의 BEM 솔버가 무한 요소, PML 및 고속 다중 폴을 기반으로 하는 기존 방법들보다 훨씬 해석 속도가 빠르다고 보고되었다.

-SEA (Statistical Energy Analysis)

통계적 에너지 분석 방법은 중, 고 주파수에서 구성요소의 진동 음향 응답을 설명하는데 사용된다. Wave6 개발 과정에서 임의의 단면을 통한 파 전파를 정확하게 모델링 할 수 있도록 SEA 이론을 일반화 하였고 그로 인해 더 이상 모델을 근사화 하지 않아도 된다. 결과적으로 추가적인 모델링 노력 없이 보다 정확한 SEA 모델을 얻을 수 있게 되었다. 또한 Wave6 를 사용하면 전체 지오메트리 엔진, 자동화된 워크플로우 및 표준 기능으로 제공되는 파이프 라인 템플릿 기능을 사용하여 SEA 구축 프로세스를 완전히 자동화 할 수 있다.

Wave6 해석 응용 사례

여기서 몇가지 Wave6를 이용한 해석 응용 사례에 대해 소개한다. 이전에 소개된 내용과 같이 Wave6 는 여러 방법들을 한꺼번에 사용가능하고 그 예로서 그림5. 의 왼쪽 위 사진처럼 사이드 미러의 유동 변화를 CFD로 해석하고 BEM 을 이용하여 운전석 유리창을 FEM 과 BEM 방법을 연성 후 차량 내부의 소음 특성을 SEA로 해석한 사례이다. 이러한 각 방법들의 장점을 활용하여 효율적인 소음 진동 해석이 가능하다. 다음으로 오른쪽 위쪽의 자동차 방사 소음 해석을 BEM 으로 해석한 결과 타 소음진동해석 소프트웨어 보다 높은 해석 속도와 정확도를 확인해 볼 수 있었다. 한가지 예를 더 들자면 아래쪽 가운데 그림은 모터 소음을 모사하기 위해 시뮬리아의 CST 모터의 전자기력을 추출하고 모터의 내/외부 구조에 대해 FEM, BEM, SEA 방법을 활용한 예이다.

​글을 마치며…

SIMULIA 솔루션에 새롭게 포함된 소음진동 전문 해석 소프트웨어인 Wave6 에 대해 소개 하였다. Wave6 는 광범위한 주파수 범위의 문제를 FEM, BEM, SEA 같은 방법들을 동시에 사용하여 좀더 빠르고 정확한 결과를 생성할 수 있다. 또한 강력한 워크플로우 자동화 기능으로 한번 구현된 프로세스에 대해 반복없이 다른 모델에 대해서도 동일한 해석프로세스를 적용할 수 있는 강점을 가지고 있다. Wave6를 활용하여 앞으로 다양한 소음진동 문제에 대한 솔루션들이 개발될 것으로 기대한다.