최적설계 (Optimum design) - 기구설계 이론 13

안녕하세요. 똑순이밍쓰입니다.

 

오늘은 설계자로써 가장 중시해야하는

최적설계 (Optimum design)에 대해서 말씀드리겠습니다.

최적설계 (Optimum design)

최적설계 (Optimum design)라는 것은

효율적인 설계를 의미합니다.

그럼 효율적인 설계라는 것은 어떤 것일까요 ?

효율이라는 단어의 의미를 생각해보면

들인 노력에 대한 얻은 결과의 비율,

즉, 얼마만큼을 투자하였을 때

얼마만큼의 성과를 얻었는지를

나타내는 투자대비 성과의 상대적인 비율입니다.

예들들어 A라는 제품을 만드는데

밍쓰는 3만 원치 재료를 준비해서 

제품을 만들었고, 

밍쓰옆에 앉은 동료는

1만 원치 재료를 준비해서 

제품을 만들었다고 한다면

밍쓰보다는 밍쓰옆에 앉은 동료가

효율이 3배는 좋다고 말할 수 있습니다.

이렇게 돈으로 판단을 할 수도 있지만

다른 관점에서

밍쓰는 제품을 만드는데 2시간이 걸렸고

밍쓰옆에 앉은 동료는 

제품을 만드는데 6시간이 걸렸다고 한다면

시간적인 측면에서는

밍쓰가 효율이 좋다고 볼 수 있습니다.

 

결국 최적이라는 것은

효율을 얼마나 극대화 할 수 있는가

즉, 주어진 조건하에서 

발휘할 수 있는 최대의 효율, 

최고의 성능을 의미합니다.

그리고 이렇게 제품을 설계하는것을

최적설계 (Optimum design)라고 합니다.

 

간단히 말하자면, 주어진 조건내에서

최고의 성능을 내는 것을

최적설계 (Optimum design)라고 할 수 있습니다.

 

설계 시에 조건으로 주어지는 것은

무게, 크기, 가격, 시간등이 있을 것입니다.

 

예를들어

현재 똑순이밍쓰네 부서에서 개발하고있는

스테이지(Stage)의 경우

화물 엘레베이터를 이용하여 

2층까지 운반된 후 설치 되어야하기때문에

화물 엘레베이터를 이용할 수 있는

무게가 3.5톤으로

"스테이지(Stage) 무게가 3.5톤을 넘지 않을 것"

이것이 제약 사항입니다.

결국 무게는 줄이면서 

얼마나 강성(Strength)있게 제품을 설계하는지

얼마나 싼 가격으로 제품을 만들 수 있는지가

최적설계 (Optimum design)의 관점이 되겠습니다.

 

이렇게 최적설계 (Optimum design)를 하기위해서는

각 설계 변수 (Design variable)이

해당 제품에 미치는 영향력을 파악해야합니다.

 

위에서 예를 든 상황에서 

부품의 재질이 스틸로 적용되어 있던 것을

무게를 줄이기 위해서 

알루미늄으로 전부 바꾼다고 하면 

어떤일이 벌어 질까요 ?

스틸 대비 알루미늄은

강성(Strength)이 낮기 때문에

스테이지(Stage) 전체의 강성(Strength)이 

낮아질 수 밖에 없습니다.

 

이러한 것은 제약 조건을 만족하기위해

설계 변수는 제대로 고려하지 않은 설계로

최적설계 (Optimum design)라고 할 수 없습니다.

 

즉, 제약 조건을 만족하기위해 

설계 변수를 하나씩 바꿔가면서 

제품에 끼치는 영향력을 분석하여

제품이 목표로하는 성능에 영향을 끼치지않는

설계 변수의 조합을 찾아서

최적설계 (Optimum design)를 해야합니다.

 

결국 이러한 최적설계 (Optimum design)를

하기 위해서는 

이전 포스팅에서 말씀드린

구조 해석(Simulation)이

반드시 뒷받침되어야 합니다.

 

형상 최적설계 (Shape Optimization)

만들고자하는 부품의 형상은

전체 시스템의 외곽 모양 및 디자인

시스템의 기능,

시스템의 강성(Strength)

시스템의 가격(Price)와 관련이 있습니다.

동일한 시스템을 만들더라도 

각 부품의 형상에 따라서 

전체 외형적인 모습도 변경이되고

각 부품마다의 강성(Strength)에 따라서

전체 시스템의 강성(Strength)도 달라지며

각 부품 수나 부품의 형상에 따라 

전체 시스템의 가격(Price)이

달라 질 수 밖에 없습니다.

 

특히 최근들어서는 

제품의 가격경쟁력이 심해지면서

각 부품의 단가를 낮추어야하기때문에

부품의 재질(Material)

및 형상최적화 (Shape Optimization)에

많은 고민을 하게 되었습니다.

 

결국 형상최적화 (Shape Optimization)의

가장 핵심적인 내용은 

시스템의 기능이나 강성(Strength)는 만족하면서

각 부품의 단가(Price)를 낮추어서

시스템 전체 단가(Price)를 낮추는 것입니다.

 

예를 들자면

A라는 부품을 스틸로 만들었을 때와

알루미늄으로 만들었을 때

강성(Strength)에 차이가 없다면

스틸대비 알루미늄의 단가가 낮기때문에

부품의 가격을 낮출 수 있고

전체 시스템의 가격도 낮출 수 있습니다.

 

또한 부품 형상에서 

강성(Strength)을 높이기 위해

리브(Rib) 설계를 많이 하게되는데 

리브(Rib) 형상을 변경함에 따라

강성(Strength)는 높이고

리브(Rib)를 만드는

가공성이나 용접성등이 뛰어나

단가를 낮출 수 있다면 

이것도 형상최적화 (Shape Optimization)의 

한가지 방법입니다.

 

위상 최적설계 (Topology Optimization)

위상최적 설계(Topology)는

형상 최적설계(Shape Optimization)과

혼동되기 쉽지만

이미 개발된 제품을 가지고 

모양이나 치수를 변경하여

시스템 성능을 향상 시키거나

시스템 가격을 낮추는 경우를 의미합니다.

 

최적설계 (Optimum design)라는 것은

설계자로서 매우 중요한 부분입니다.

 

자칫 이 부분을 간과하고

아무렇게나 설계를 한다고하면

그 제품은 엉망이 되어 버리고

시장에서 경쟁력을 잃어버리게 됩니다.

설계 하시는 분들은 

항상 안녕하세요. 똑순이밍쓰입니다.

 

최적설계 (Optimum design)

최적설계 (Optimum design)라는 것은

효율적인 설계를 의미합니다.

그럼 효율적인 설계라는 것은 어떤 것일까요 ?

효율이라는 단어의 의미를 생각해보면

들인 노력에 대한 얻은 결과의 비율,

즉, 얼마만큼을 투자하였을 때

얼마만큼의 성과를 얻었는지를

나타내는 투자대비 성과의 상대적인 비율입니다.

예들들어 A라는 제품을 만드는데

밍쓰는 3만 원치 재료를 준비해서 

제품을 만들었고, 

밍쓰옆에 앉은 동료는

1만 원치 재료를 준비해서 

제품을 만들었다고 한다면

밍쓰보다는 밍쓰옆에 앉은 동료가

효율이 3배는 좋다고 말할 수 있습니다.

이렇게 돈으로 판단을 할 수도 있지만

다른 관점에서

밍쓰는 제품을 만드는데 2시간이 걸렸고

밍쓰옆에 앉은 동료는 

제품을 만드는데 6시간이 걸렸다고 한다면

시간적인 측면에서는

밍쓰가 효율이 좋다고 볼 수 있습니다.

 

결국 최적이라는 것은

효율을 얼마나 극대화 할 수 있는가

즉, 주어진 조건하에서 

발휘할 수 있는 최대의 효율, 

최고의 성능을 의미합니다.

그리고 이렇게 제품을 설계하는것을

최적설계 (Optimum design)라고 합니다.

 

간단히 말하자면, 주어진 조건내에서

최고의 성능을 내는 것을

최적설계 (Optimum design)라고 할 수 있습니다.

 

설계 시에 조건으로 주어지는 것은

무게, 크기, 가격, 시간등이 있을 것입니다.

 

예를들어

현재 똑순이밍쓰네 부서에서 개발하고있는

스테이지(Stage)의 경우

화물 엘레베이터를 이용하여 

2층까지 운반된 후 설치 되어야하기때문에

화물 엘레베이터를 이용할 수 있는

무게가 3.5톤으로

"스테이지(Stage) 무게가 3.5톤을 넘지 않을 것"

이것이 제약 사항입니다.

결국 무게는 줄이면서 

얼마나 강성(Strength)있게 제품을 설계하는지

얼마나 싼 가격으로 제품을 만들 수 있는지가

최적설계 (Optimum design)의 관점이 되겠습니다.

 

이렇게 최적설계 (Optimum design)를 하기위해서는

각 설계 변수 (Design variable)이

해당 제품에 미치는 영향력을 파악해야합니다.

 

위에서 예를 든 상황에서 

부품의 재질이 스틸로 적용되어 있던 것을

무게를 줄이기 위해서 

알루미늄으로 전부 바꾼다고 하면 

어떤일이 벌어 질까요 ?

스틸 대비 알루미늄은

강성(Strength)이 낮기 때문에

스테이지(Stage) 전체의 강성(Strength)이 

낮아질 수 밖에 없습니다.

 

이러한 것은 제약 조건을 만족하기위해

설계 변수는 제대로 고려하지 않은 설계로

최적설계 (Optimum design)라고 할 수 없습니다.

 

즉, 제약 조건을 만족하기위해 

설계 변수를 하나씩 바꿔가면서 

제품에 끼치는 영향력을 분석하여

제품이 목표로하는 성능에 영향을 끼치지않는

설계 변수의 조합을 찾아서

최적설계 (Optimum design)를 해야합니다.

 

결국 이러한 최적설계 (Optimum design)를

하기 위해서는 

이전 포스팅에서 말씀드린

구조 해석(Simulation)이

반드시 뒷받침되어야 합니다.

 

형상 최적설계 (Shape Optimization)

만들고자하는 부품의 형상은

전체 시스템의 외곽 모양 및 디자인

시스템의 기능,

시스템의 강성(Strength)

시스템의 가격(Price)와 관련이 있습니다.

동일한 시스템을 만들더라도 

각 부품의 형상에 따라서 

전체 외형적인 모습도 변경이되고

각 부품마다의 강성(Strength)에 따라서

전체 시스템의 강성(Strength)도 달라지며

각 부품 수나 부품의 형상에 따라 

전체 시스템의 가격(Price)이

달라 질 수 밖에 없습니다.

 

특히 최근들어서는 

제품의 가격경쟁력이 심해지면서

각 부품의 단가를 낮추어야하기때문에

부품의 재질(Material)

및 형상최적화 (Shape Optimization)에

많은 고민을 하게 되었습니다.

 

결국 형상최적화 (Shape Optimization)의

가장 핵심적인 내용은 

시스템의 기능이나 강성(Strength)는 만족하면서

각 부품의 단가(Price)를 낮추어서

시스템 전체 단가(Price)를 낮추는 것입니다.

 

예를 들자면

A라는 부품을 스틸로 만들었을 때와

알루미늄으로 만들었을 때

강성(Strength)에 차이가 없다면

스틸대비 알루미늄의 단가가 낮기때문에

부품의 가격을 낮출 수 있고

전체 시스템의 가격도 낮출 수 있습니다.

 

또한 부품 형상에서 

강성(Strength)을 높이기 위해

리브(Rib) 설계를 많이 하게되는데 

리브(Rib) 형상을 변경함에 따라

강성(Strength)는 높이고

리브(Rib)를 만드는

가공성이나 용접성등이 뛰어나

단가를 낮출 수 있다면 

이것도 형상최적화 (Shape Optimization)의 

한가지 방법입니다.

 

위상 최적설계 (Topology Optimization)

위상최적 설계(Topology)는

형상 최적설계(Shape Optimization)과

혼동되기 쉽지만

이미 개발된 제품을 가지고 

모양이나 치수를 변경하여

시스템 성능을 향상 시키거나

시스템 가격을 낮추는 경우를 의미합니다.

 

최적설계 (Optimum design)라는 것은

설계자로서 매우 중요한 부분입니다.

 

자칫 이 부분을 간과하고

아무렇게나 설계를 한다고하면

그 제품은 엉망이 되어 버리고

시장에서 경쟁력을 잃어버리게 됩니다.

 

설계하시는 분들은

항상 마음속으로 

최적설계 (Optimum design)라는 것을

염두해 두시고 일을 하시기 바랍니다.