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클라우드에서의 CAE 시뮬레이션: 정의, 중요한 이유, 진화 방식

컴퓨터 지원 엔지니어링(CAE) 시뮬레이션 R&D 팀이 아이디어를 검증하고, 문제를 평가하고, 제품을 더 빠르게 시장에 출시할 수 있도록 지원합니다. 지난 XNUMX년 동안 클라우드 컴퓨팅 리소스의 접근성으로 인해 CAE 프로세스가 더욱 강력해졌습니다. 

이 기사에서는 CAE 시뮬레이션의 작동 방식, 기업 연구 환경에서 수익 지표를 개선하는 방법 및 방법에 대한 개요를 살펴보겠습니다. 고성능 컴퓨팅 서비스(HPCaaS) 학문의 발전을 돕고 있습니다. 

CAE 시뮬레이션이란 무엇입니까?


CAE 시뮬레이션의 목적은 신제품에 대한 프로토타입 제작이나 물리적 테스트를 수행하기 전에 특정 설계의 성능을 검사하는 것입니다. 목표는 정보에 입각한 결정을 내리기 위한 통찰력을 생성하고 결과적으로 비용이 많이 드는 실수를 방지하는 것입니다.

CAE 시뮬레이션은 신약 발견, 재료 과학, 건축, AI 데이터 세트 교육, 날씨 패턴 분석, 자동차 설계 등 다양한 맥락에 걸쳐 폭넓게 적용됩니다. CAE 시뮬레이션을 구축하는 엔지니어는 CAD(컴퓨터 지원 설계) 모델을 개발하는 설계 팀과 긴밀하게 협력하는 경우가 많습니다. 

CAE 시뮬레이션은 항공우주 및 방위 분야의 R&D 팀이 컴퓨터를 사용하여 항공기 구조와 엔진의 동작을 시뮬레이션하기 시작한 1950년대와 1960년대의 컴퓨팅 초기로 거슬러 올라갑니다. 이러한 시뮬레이션은 엔지니어가 물리적 테스트만 할 때보다 더 빠르고 정확하게 항공기를 설계하고 최적화하는 데 도움이 되었습니다.

1970년대와 1980년대에 CAE 시뮬레이션 분야가 급속히 확장되기 시작했습니다. 더욱 강력한 컴퓨터가 사용 가능해짐에 따라 새로운 시뮬레이션 기술이 개발되었습니다. 최근 몇 년 동안 클라우드 HPC 리소스의 가용성으로 인해 시뮬레이션을 실행하는 데 필요한 시간이 며칠에서 몇 시간으로 단축되었습니다. 결과적으로 R&D 팀은 더 높은 수준의 충실도로 CAE 시뮬레이션을 실행할 수 있습니다.

CAE 시뮬레이션 유형:

대부분의 CAE 시뮬레이션은 제품의 의도를 가상(디지털)으로 표현한 CAD 모델로 시작됩니다. 시뮬레이션은 충실도 요구 사항, 프로젝트 복잡성 및 상황적 요구 사항에 따라 2D 또는 3D일 수 있습니다. 

특정 시뮬레이션 기술은 연구 중인 실제 시나리오(예: 진동 부하, 공기 흐름 경로, 전자기학)에 따라 달라집니다. 예는 다음과 같습니다:

  • 유한 요소 분석 (FEA), 이는 수치적 방법을 사용하여 다양한 하중 및 경계 조건 하에서 구조 또는 구성요소의 거동을 시뮬레이션합니다. 유한 요소 해석(FEA) 구조해석, 열해석, 유체역학 등에 흔히 사용됩니다.
  • 전산 유체 역학 (CFD), 시스템이나 구성요소를 통과하는 유체(예: 공기 또는 물)의 흐름을 시뮬레이션합니다. 전산유체역학(CFD) 엔진, 터빈 및 기타 복잡한 유체 시스템의 설계에 사용됩니다.
  • 다물체 역학에는 다양한 하중과 제약 조건 하에서 여러 강체의 모션과 상호 작용을 시뮬레이션하는 작업이 포함됩니다. MBD는 자동차 및 항공우주 산업에서 차량 동역학과 성능을 최적화하는 데 일반적으로 사용됩니다.
  • 전자기학, 시스템이나 구성 요소의 전자기장의 동작을 시뮬레이션하는 작업이 포함됩니다. EM은 안테나, 모터 및 기타 전기 시스템 설계에 사용됩니다.
  • 제조 공정 시뮬레이션여기에는 생산 효율성을 최적화하고 비용을 절감하기 위해 제조 프로세스를 시뮬레이션하는 작업이 포함됩니다. 여기에는 사출 성형, 주조 및 기계 가공과 같은 프로세스 시뮬레이션이 포함됩니다.
  • 최적화, 여기에는 특정 성능 요구 사항을 충족하기 위해 시스템 또는 구성 요소에 대한 최적의 설계 매개 변수를 찾는 것이 포함됩니다. 최적화는 항공기 날개, 터빈 블레이드 및 기타 복잡한 시스템 설계에 일반적으로 사용됩니다.
  • 음향 및 진동, 여기에는 시스템이나 구성 요소의 소리 및 진동 동작을 시뮬레이션하는 작업이 포함됩니다. 이는 소음 및 진동 수준이 허용 가능한 한도 내에 있는지 확인하기 위해 차량, 건물 및 기타 구조물의 설계에 일반적으로 사용됩니다.
  • 내구성과 피로도, 여기에는 수명과 고장 모드를 예측하기 위해 주기적 부하 조건에서 부품의 동작을 시뮬레이션하는 작업이 포함됩니다. 이는 항공우주, 자동차 및 기타 구조 부품 설계에 일반적으로 사용됩니다.
  • 충돌 및 영향 분석, 여기에는 안전성과 충돌 가능성을 평가하기 위해 충격 하중 조건에서 시스템 또는 구성 요소의 동작을 시뮬레이션하는 작업이 포함됩니다. 디자인에 많이 사용되는데요 차량, 항공기및 기타 안전에 중요한 시스템.
  • 전산화학, 여기에는 계산 방법을 사용하여 분자의 동작과 화학 반응을 시뮬레이션하는 작업이 포함됩니다. 이는 신약 발견, 재료 과학 및 기타 분야에서 일반적으로 사용됩니다.
  • 광학 및 포토닉스, 여기에는 광학 시스템 및 장치의 빛 및 전자기 복사 동작을 시뮬레이션하는 작업이 포함됩니다. 이는 레이저, 광섬유 및 기타 포토닉스 시스템 설계에 일반적으로 사용됩니다.
  • 인간 모델링 및 시뮬레이션, 다양한 환경과 조건에서 인체의 행동을 시뮬레이션하는 작업이 포함됩니다. 인체공학적 디자인에 많이 사용되며, 의료 기기 디자인, 및 기타 응용 프로그램.

CAE 시뮬레이션이 중요한 이유

CAE 시뮬레이션의 이점
CAE 시뮬레이션의 이점

CAE 시뮬레이션은 엔지니어와 설계자가 가상 ​​환경에서 제품이나 시스템의 성능을 시뮬레이션하고 분석할 수 있도록 해주기 때문에 중요합니다. 이를 통해 연구개발팀 받는 사람 :

  1. 리소스를 더 효과적으로 관리하세요. 가상 환경에서 제품이나 시스템의 동작을 시뮬레이션함으로써 엔지니어는 실제 프로토타입을 제작하기 전 설계 프로세스 초기에 설계 문제를 식별하고 해결할 수 있습니다. 실제 프로토타입을 제작하고 테스트하는 데 비용이 많이 들 수 있으므로 시간과 비용이 절약됩니다.
  1. 제품을 개선하세요. CAE 시뮬레이션은 엔지니어가 가상 환경에서 설계를 테스트하고 개선하여 제품 성능을 최적화하는 데 도움이 됩니다. 이를 통해 더욱 안정적이고 효율적이며 비용 효율적인 제품을 만들 수 있습니다.
  1. 안전을 확보하세요. CAE 시뮬레이션을 사용하면 극한 조건이나 고장 시나리오에서 제품 성능을 시뮬레이션하고 분석할 수 있으므로 엔지니어는 제품 출시 전에 잠재적인 안전 문제를 식별하고 설계를 개선할 수 있습니다.
  1. 환경 영향을 줄입니다. 가상 환경에서 제품 성능을 시뮬레이션함으로써 엔지니어는 에너지 소비를 최소화하거나 폐기물을 줄이는 등 환경에 미치는 영향을 줄이기 위해 설계를 최적화할 수 있습니다.

전반적으로 CAE 시뮬레이션은 엔지니어와 설계자에게 중요한 도구입니다. 이를 통해 정보에 입각한 설계 결정을 내리고, 제품 성능을 최적화하고, 안전을 보장하고, 개발 비용을 절감할 수 있습니다. CAE 최적화 전략 및 프로그램을 구축할 때 R&D 팀은 일반적으로 이러한 실질적인 비즈니스 제약 조건과 해결 시간 측정 기준의 균형을 맞춥니다.

클라우드 기반 CAE 시뮬레이션의 진화

클라우드에서의 CAE 시뮬레이션 전환
클라우드에서의 CAE 시뮬레이션 전환

CAE 시뮬레이션의 성능이 높을수록 이러한 시뮬레이션은 더 정확하고 신뢰할 수 있으며 측정 기준을 해결하는 데 걸리는 시간도 더 빨라집니다.

핵심 과제는 CAE 시뮬레이션을 실행하려면 상당한 컴퓨팅 인프라가 필요하다는 것입니다. 대규모 기업은 역사적으로 워크로드를 실행하기 위해 온프레미스 시스템으로 전환했지만, 소규모 조직에는 이러한 비용을 감당할 예산이 부족했습니다. 컴퓨팅 성능이 충분하지 않으면 시뮬레이션이 중단될 가능성이 높습니다.

그러나 클라우드 기반 CAE 시뮬레이션은 경쟁의 장을 평준화했습니다. HPCaaS(고성능 컴퓨팅)의 도입은 성능 향상, 비용 절감, 확장성 지원, 접근성 향상 및 보다 복잡한 시뮬레이션 허용을 통해 CAE 시뮬레이션에 상당한 이점을 제공합니다.

  1. 성능 향상 HPCaaS 향상 성능 최적화 더 빠르고 효율적으로 계산을 수행하는 강력한 컴퓨팅 리소스에 대한 액세스를 제공하여 CAE 시뮬레이션을 수행합니다. 이는 시뮬레이션 실행 시간을 줄이고 주어진 기간에 수행할 수 있는 시뮬레이션 수를 늘리는 데 도움이 될 수 있습니다.
  1. 비용 절감. HPCaaS는 CAE 시뮬레이션과 관련된 비용을 줄이는 데 도움이 됩니다. 비싸게 투자하는 것보다 하드웨어소프트웨어, 기업은 필요에 따라 필요한 컴퓨팅 리소스를 임대할 수 있습니다. 이를 통해 자본 지출을 줄이고 기업은 사용한 리소스에 대해서만 비용을 지불할 수 있습니다.
  1. 확장 성. HPCaaS는 시뮬레이션 요구 사항에 따라 컴퓨팅 리소스를 확장하거나 축소할 수 있는 기능을 제공합니다. 이는 추가 하드웨어에 투자할 필요 없이 상당한 컴퓨팅 리소스가 필요한 대규모 시뮬레이션을 처리하는 데 도움이 될 수 있습니다.
  2. 접근성. HPCaaS는 인터넷 연결을 통해 어디서나 컴퓨팅 리소스에 대한 액세스를 제공하므로 팀은 원격으로 시뮬레이션에 대해 협업할 수 있습니다.
  3. 더 복잡한 시뮬레이션. HPCaaS는 더 높은 해상도, 더 큰 차원 또는 더 상세한 물리학을 갖춘 모델과 같은 더 복잡한 모델의 디지털 시뮬레이션을 지원합니다. 이를 통해 시스템이나 설계의 동작에 대한 더 나은 정확성과 더 자세한 통찰력을 얻을 수 있습니다.

비용 절감 실현

CAE 시뮬레이션을 위한 클라우드 기반 솔루션을 평가할 때 결정은 종종 비용으로 귀결됩니다. 하드웨어 비용(예: 난방, 냉각, IT 인력, 코어 수) 외에도 소프트웨어 라이선스 비용이 매우 비싼 경우가 많습니다. CAE 시뮬레이션 시간은 유한한 경향이 있으며 시간당 비용이 정확합니다. 

CAE 시뮬레이션 시간을 단축함으로써 R&D 팀은 더 많은 실험을 실행하고 대기열을 더 빠르게 진행할 수 있습니다. 결과적으로 조직은 라이선스 비용을 절감할 수 있습니다.

결과적으로 효율성이 향상되고 R&D 팀이 더욱 강력해집니다.

대부분의 현대 연구 및 엔지니어링과 마찬가지로 CAE 시뮬레이션은 고성능 컴퓨팅 HPC를 사용하여 데이터 집약적인 소프트웨어 프로그램을 실행합니다. 디지털 R&D는 혁신을 위한 모든 새로운 가능성을 열었습니다. 접근을 보장함으로써 고성능 컴퓨팅, Cloud HPC는 이제 훨씬 더 광범위한 조직에서 이러한 획기적인 컴퓨팅 연구 방법에 훨씬 더 쉽게 접근할 수 있도록 만들고 있습니다.

저자

  • 에릭 웨버

    Eric Weber는 Rescale의 고객 성공 엔지니어로서 조직이 R&D를 위한 고성능 컴퓨팅에 대한 접근 방식을 현대화하도록 지원합니다.

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