일반기술

위상최적화 방법을 이용한 제품설계

컴퓨터의 발달과 더불어 이를 이용한 구조물의 최적설계에 대한 관심이 급증하고 있다. 구조물의 최적설계 기법으로는 치수최적설계, 형상최적설계, 위상최적설계로 크게 분류할 수 있다. 치수나 형상최적설계의 경우 기존의 경험적 혹은 관습적으로 제작되던 제품에 대해 치수나 형상의 변화만을 고려하여 설계하는 방법으로 초기 제품의 성능에 비해 획기적으로 성능이 개선된 설계결과를 얻기 힘들다. 이에 반해 위상최적설계방법은 제품설계의 최소한의 조건만을 고려하여 설계자의 경험 등의 임의의 개입 없이 백지상태에서 출발하여 혁신적인 설계를 얻어낼 수 있는 방법으로, 새로운 개념의 제품을 설계할 때 혹은 기존 제품의 성능을 획기적으로 개선시키길 원할 때 이용할 수 있는 최적설계방법이다. 이러한 위상최적설계 기법은 1980년대 후반부터 연구가 시작되어 현재까지도 활발히 연구되고 있는 설계 기법이며 공학 분야의 다양한 제품에 성공적으로 적용되어 오고 있다.위상최적설계기법은 제품의 획기적인 성능 향상을 얻을 수 있으며 다양한 공학 분야에 확장하여 적용할 수 있는 장점이 있다. 위상최적설계기법에 대한 연구와 적용을 통하여 정보저장기기인 HDD의 동특성을 개선하였고(Fig. 1), 인공위성 주반사경의 경량화를 수행하였으며(Fig. 2), 프린터의 잉크 카트리지 설계에 이를 적용한 바 있다. 또한, 자동차 엔진 마운트 설계에도 이를 적용하여 성능향상을 꾀한 바 있으며(Fig. 3) 발사체 로켓 연료 탱크의 최적 설계에도 성공적으로 적용된 바 있다. 한편 위상최적설계기법을 사용하여 제품을 설계하면 설계결과의 제작성이 좋지 못한 경우가 발생하게 될 수 있다. 이러한 경우 제작이 용이한 설계안을 도출하는 작업을 수행하여야 하나 이 작업은 설계결과를 바탕으로 수월하게 진행할 수 있다.구조적, 동적, 열적인 면에서 최적화가 필요한 모든 구조재의 제품설계에 이를 활용할 수 있다.(경량화 반사경, 엔진 마운트, 잉크 카트리지, HDD actuator arm, 발사체 연료탱크 etc.)본 기술을 제품설계에 활용함으로써 제품에 들어가는 재료를 줄이고 원하는 성능을 향상시킬 수 있어 원가절감 및 제품성능 향상을 꾀할 수 있다.