NVH 해석을 위한 Ansys Mechanical 2024 R1의 새로운 기능

Introduction

NVH는 소음(Noise), 진동(Vibration), 및 불쾌감(Harshness)을 나타내는 약어로, 주로 차량 운행으로 인해 승객에게 영향을 미치는 다양한 요소를 설명하는 자동차 산업에서 사용되는 용어다. 그러나 NVH는 이제 자동차 산업에 국한되지 않고 모든 산업 분야로 확대 적용되고 있으며, 이에 대한 중요성도 증가하고 있다. 따라서 Ansys는 매년 NVH 해석 기술과 관련된 신기술 및 편의 기능을 도입하고 있으며, 본문에서는 Ansys Mechanical 2024 R1 버전에 적용된 새로운 기능에 대해 살펴보고자 한다.

Ansys를 이용한 NVH 해석 

NVH (Noise, Vibration, and Harshness) 해석은 현대 산업에서 중요한 역할을 한다. 이는 소비자에게는 더 좋은 경험을 제공하고, 제조업체에게는 높은 품질의 제품을 생산할 수 있도록 도와주는 핵심 기술 분야이다. 일반적으로   소음 및 진동은 소비자의 편의성을 저해하며 제어성을 감소시킨다. 이는 제품의 내구성과 안정성에 대한 소비자의 신뢰를 떨어뜨릴 수 있다. 따라서 소비자가 만족할 만한 경험을 제공하기 위해서 NVH 해석이 필수적이다. Ansys는 아래 그림 1과 같이 다양한 Product를 통해 NVH해석을 지원한다. 이번 호에서는 다양한 Product 중 Ansys Mechanical을 이용한 NVH해석 관련 새롭게 업데이트된 기능을 알아보고자 한다.

[그림 1] NVH 관련 Ansys Products & Technologies

 
Ansys Mechanical 2024 R1 Product Update

Ansys Mechanical은 3가지(Pro, Premium, Enterprise) 형태의 라이선스로 구분된다. 이중 효과적인 NVH해석을 위해서는 진동 및 음향 해석이 모두 가능한 Mechanical Enterprise 라이선스가 요구된다. 이러한 Ansys Mechanical Enterprise는 2024년 크게 두 가지 측면의 개선이 이루어졌다. 첫 번째는 Ansys Family Product의 일부 기능을 포함함으로써 Mechanical Enterprise를 통한 NVH해석의 범위를 확대한 것이며, 두 번째는 Mechanical 자체 기능의 업데이트 사항으로 혁신적인 Mesh 기능 업그레이드를 통한 대폭적인 해석시간 감소와 NVH Toolkit의 안정성 및 기능 향상이다.

[그림 2] Ansys Mechanical 라이선스 구분 및 2024 R1 New Capabilities

앞서 언급한 Family Product는 그림 2에 나와 있듯 Ansys Sound PRO와 LS-DYNA Acoustic이다. 이제 Ansys Mechanical Enterprise를 이용해 이들의 일부 기능을 사용할 수 있게 되었다. 그리고 Mechanical 자체 기능 업데이트 내용은 Acoustic Mesh Workflow와 Acoustics Adaptative Mesh 그리고 NVH Toolkit으로 지금부터 순서대로 해당 내용에 대해 알아보도록 하겠다.

Ansys Sound PRO [SAS, Sound Analysis & Specification]

Ansys Sound는 Mechanical과 동일하게 3가지(Pro, Premium, Enterprise) 형태의 라이선스로 구분되며 이중 Pro는 Ansys Sound의 다양한 모듈 중 SAS 모듈을 사용할 수 있다. SAS 모듈은 그림 3과 같이 다양한 음향 시뮬레이션 결과 및 측정 데이터를 바탕으로 소리를 디자인하는 데 필요한 고급 음향 시뮬레이션 및 분석 도구를 제공한다. 따라서 Mechanical Enterprise 라이선스 사용자라면 2024 R1부터 Ansys Sound의 SAS를 이용하여 시뮬레이션 데이터의 세부 음향 분석이 가능하게 되었다.

[그림 3] 계측 및 해석 데이터의 청음 및 분석

Ansys Sound의 SAS 모듈은 주파수 도메인 분석 및 처리 기능을 통해 다양한 음원의 구성요소를 분리하고 수정하여 직접 들어 볼 수 있다. 그리고 음향학 측면에서 소리가 인간의 지각에 미치는 영향을 다양한 음향 지표를 통해 확인할 수 있으며, 음향 소스와 수음점의 데이터를 바탕으로 전달함수 계산 및 Sound를 분석하기 위한 다양한 기능을 제공한다. 이를 통해 다양한 산업 분야의 음향 특성을 직접 들어보며 최적화하는 데 활용할 수 있다. 그럼 지금부터 SAS 모듈의 주요 기능에 대해 간략하게 알아보도록 하겠다.

Ansys Sound SAS [Mix Table]

Ansys Sound SAS 모듈의 첫 번째 주요기능은 측정 또는 시뮬레이션을 통해 획득한 사운드의 특정 영역을 간단한 도구를 사용하여 손쉽게 분리할 수 있다는 것이다. 이는 그림 4와 같이 마치 포토샾을 사용하는 것과 유사한 방식으로 작동한다. 이렇게 분리된 데이터는 따로 저장하고 청음도 가능하다.

[그림 4] 선택 영역의 분리

이렇게 성분별로 분리되어 저장된 파일은 아래 그림 5와 같이 Mix Table을 통해 소리의 크기를 조절하면서 들어볼 수 있다. 이 과정을 통해 사용자는 원하는 소리를 디자인하게 된다. 아래 동영상 1을 통해 이러한 일련의 과정을 미리 확인해 볼 수 있다. 해당 동영상은 다양한 Product를 통해 모터 NVH 분석 과정을 간략하게 보여준다.

 [그림 5] Mix Table

https://www.youtube.com/watch?v=NsUn6Zrzw70 

[동영상 1] Ansys Sound를 이용한 모터 음향분석 

Ansys Sound SAS [Psychoacoustic Indicator]

음향학(Psychoacoustic)은 소리 인식 및 청각학에 대한 과학적 연구를 다루는 정신물리학의 한 분야로, 인간의 청각 시스템이 다양한 소리를 어떻게 인식하는지를 연구하는 학문이며, 소리의 특성을 이해하고 분석하여 다양한 분야에서 혁신적인 솔루션을 개발하는 데 중요한 역할을 한다. SAS의 Psychoacoustic Indicator는 음향학에서 주로 사용되는 음질 및 인식 수준을 평가하는데 필요한 주요 지표들의 계산이 가능하다.

[그림 6] Ansys Sound의 Psychoacoustic Indicator

2024 R1에서는 그림 6과 같이 Psychoacoustic Indicator의 인터페이스가 직관적으로 변경되어 편의성이 향상되었으며, 각 항목을 선택하여 파일로 저장할 수 있게 업그레이드 되었다. 또한 그림 7과 같이 DIN45692 규격에 맞춘 새로운 심리 음향지수도 추가되었다.

[그림 7] DIN 45692 Sharpness

Ansys Sound [FRF Estimation]

Ansys Sound의 SAS 모듈은 두 개의 측정 데이터를 활용하여 주파수 응답 함수를 추정할 수 있다. 두 신호의 주파수 응답함수를 확인하는 이유는 시스템이나 구조물의 소음 특성을 이해하는 데 도움이 되며, 특정 주파수에서의 소음 특성 파악을 통한 개선사항 적용을 위한 기초 자료로 사용되기 때문이다. SAS를 이용한 주파수 응답함수 추정과정을 간략한 예를 통해 살펴보면 다음과 같다. 우선 아래 그림 8과 같이 차량의 송풍구(Mic Center)와 운전자 위치(Mic Driver)에서 동시에 측정된 두개의 음원이 필요하다. 단 두 신호는 동기화된 10초 이상의 신호여야 한다. 이렇게 측정된 두개의 신호가 있다면 SAS의 FRF Estimation을 통해 Source 및 Receiver에 해당 데이터 입력만 하면 빠르게 두 지점 사이의 주파수 응답함수를 계산할 수 있다.

[그림 8] Ansys Sound의 FRF Estimation

LS-DYNA Acoustic

Mechanical Enterprise 라이선스에 추가된 두번째 Family Product인 LS-DYNA Acoustic에 대해 알아보기 위해서는 간략하게 Mechanical Acoustic Solver에 대한 특징을 알아볼 필요가 있다. Mechanical의 Acoustic Solver는 FEM을 기반으로 다양한 음향 해석을 진행한다. FEM 기반의 Acoustic Solver는 국부적 효과를 고려해야 하는 응용 분야에서 널리 사용되는 강력한 수치해석 방법이다. 하지만 FEM은 대상의 주변 영역을 포함한 전체 형상을 유한 요소로 모델링해야 하는 특성에 따라 공간의 크기가 상대적으로 큰 문제에는 적합하지 않다. 따라서 이러한 문제에 대해서는 경계면을 통해 계산되는 BEM(Boundary Element Method)과 같은 방식의 접근 방법이 사용되고 있다. 현재 Mechanical의 MAPDL Acoustic Solver는 FEM만 가능 하지만, 이제 Mechanical Enterprise 라이선스에 LS-DYNA Acoustic Solver의 일부 기능을 사용할 수 있게 되어 LS-DYNA가 보유하고 있는 BEM Acoustic Solver를 사용할 수 있게 되었다. 이를 위해 Ansys WB는 그림 9와 과 같이 LS-DYNA Acoustics 해석시스템을 Beta로 제공한다. Beta 기능임에 따라 WB의 Tools > Options… > Appearance > Beta Option 활성 및 LS-DYNA Product가 설치되어 있어야 사용 가능하다. 하지만 현재 Frequency Domain BEM Acoustic의 일부 기능만 제공하며, 완성되지 않은 Beta Feature임에 따라 이에 대한 내용은 향후 정식 기능 업데이트 이후 사용하길 권장 드린다. 따라서 이와 관련해서는 향후 정식 기능으로 업데이트 되면 다시 소개하는 시간을 갖도록 하겠다.

[그림 9] LS-DYNA Acoustic (Beta)

Acoustic Mesh Workflow

지금부터는 Mechanical 자체 기능 업데이트 내용에 대해 알아보도록 하겠다. 구조 진동에 의한 음향 해석진행을 위해서는 구조 모델 외에 소리가 전파되는 음향공간의 모델링이 요구된다. 이러한 음향공간의 모델링은 일반적으로 기존 구조모델의 클린업을 통해 음향공간의 기하 모델을 생성하고, 이를 바탕으로 요소를 생성하는 방식이었다. 이러한 과정은 생각보다 고려해야 될 것이 많으며 상황에 따라 상당한 시간이 요구된다. 하지만 대부분의 경우 유사한 흐름에 따라 진행된다. Ansys 2024 R1은 Mesh Workflows 기능을 통해 음향 공간의 모델링 및 복잡한 요소 생성 과정을 손쉽게 진행할 수 있는 새로운 솔루션을 제공한다. Mesh Workflows는 요구 사항에 맞는 메시 생성을 위한 워크플로우 기반 접근 방식을 제공하며, 필요에 따라 사용자가 정의할 수 있는 사전 정의된 템플릿의 사용을 지원한다. 현재까지 Mesh Workflows는 External FEM Acoustic, Internal FEM Acoustic 그리고 BEM Acoustic 워크플로우를 지원한다. 그림 10은 External FEM Acoustics에 대한 진행 과정을 간략하게 나타내며 총 11단계(Fill Holes > Wrap Parts > Improve Wrap Mesh > Create Enclosure > Mesh Volume > Improve Volume Mesh > Extrude Acoustic Region > Extrude PML Region > Create Acoustic Regions > Merge Acoustic Regions > Assign Material)로 이루어진다. 따라서 사용자는 미리 정의된 단계에 필요한 변수만 입력하면 모델 클린업 및 복잡한 요소생성 과정을 거치지 않고 빠르고 간편하게 음향 요소의 생성을 마무리할 수 있다.

[그림 10] Acoustic Mesh Workflow

Acoustics Adaptative Mesh

Mechanical의 Acoustic Mesh 관련 두번째 업그레이드 내용은 Morphing Region기능이다. 이는 음향 영역의 격자를 Harmonic 해석의 단계에 따라 자동으로 업데이트하는 기능이다. 음향 해석은 근본적으로 파동의 전파(Wave propagation)을 계산한다. 이 때문에 파장(Wavelength) 및 확인하고자 하는 주파수(Frequency)에 따라 음향장의 크기 및 요소 크기를 맞춰야 한다. 따라서 저주파수와 고주파수는 각각 다른 음향장의 크기와 요소 크기를 필요로 한다. 저주파수의 계산에는 큰 음향장과 큰 요소가, 고주파수에서는 작은 음향장과 작은 요소가 요구된다. 따라서 두 조건을 동시에 충족시키기는 하나의 음향장으로 고정하려면 큰 음향장에 작은 요소 크기로 고정하여 계산할 수밖에 없다. 이는 해석의 효율성을 크게 떨어뜨린다. 따라서 2024 R1에서는 계산하고자 하는 주파수에 따라 외부 음향장의 크기를 자동으로 조정하는 Morphing Region 기능을 제공한다. 해당 옵션을 활용하면 그림 11과 동영상 2와 같이 주파수 단계에 따라 자동으로 외부 음향장의 크기와 요소 크기를 조정한다. 이를 통해 Harmonic Acoustic해석 진행 시 상당한 시간 감소를 기대할 수 있다.

[그림 11] Acoustics Adaptative Mesh

[동영상 2] Acoustics Adaptative Mesh

NVH Toolkit

Mechanical 자체 기능 업데이트 내용의 마지막 내용으로 NVH Toolkit에 대해 간략하게 소개하겠다. NVH Toolkit은 이름에서도 알 수 있듯 NVH와 관련된 다양한 기능을 제공한다. 주요 기능으로는 그림 12와 같이 해석과 시험 모델의 비교를 위한 MAC(Modal Assurance Criterion) Calculator, 모달 좌표 파일(*.mcf)을 기반으로 모드의 선형 중첩으로 얻은 탄성 응력/변형 필드를 계산하는 Results Recovery, Modal 해석 결과를 활용하여 주파수 응답 함수를 계산하고 실험값과 비교하기 위한 FRF(Frequency Response Functions) Calculator, 마지막으로 진동 측정을 위한 최적의 Sensor와 Exciter 위치를 예측할 수 있는 Pre-Test Calculator이다. 상기 기능들은 최근 2~3년 동안 지속적으로 업데이트되었으며, 이번 2024 R1 버전에서는 더욱 견고해지고 계산 속도도 향상되었다. 그리고 MAC 관련하여 가속도 데이터 외에도 변위 및 속도 시험 데이터를 기반으로 한 비교가 가능하게 업그레이드되었다. 또한, Pre-Test Calculator는 최소 거리 변경에 따른 적용이 즉시 반영될 수 있도록 워크 플로우가 개선되어 사용자의 편의성이 증대되었다.

[그림 12] NVH Toolkit

[그림 13] MAC(Modal Assurance Criterion) Calculator

맺음말

이번 호에서는 최근 업데이트된 Ansys Mechanical 2024 R1에서 제공되는 다양한 NVH 관련 기능들에 대해 간략하게 살펴보았다. 최근 NVH 해석의 중요성이 증가됨에 따라 Ansys Mechanical은 다양한 측면에서 이를 지원하기 위해 계속해서 향상되고 있다. 또한 관련 내용의 일부분은 실습이 필요한 부분이 있음에 따라 태성에스엔이는 이와 관련된 주제를 바탕으로 올해 6월 ‘Mechanical NVH 교육’을 준비 중이다. 해당 교육에서는 앞서 설명한 내용들을 예제와 함께 알아볼 예정이니 관심 있는 분들의 많은 참여를 바란다.