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[DT] 물리 시뮬레이션(CAE)과 인공지능의 융합

지능형산업융합서비스특론 수업 특강(7): 국가슈퍼컴퓨팅본부 AI융합시뮬레이션 팀, 김명일(mikim@kisti.re.kr)

[DT] 물리 시뮬레이션(CAE)과 인공지능의 융합

슈퍼컴퓨터


  • 쌍곡포물면, 베르누이 원리, 나비에 스토크스 방정식 ⟶ 프링글스 생산에 쓰임
  • 전산유체학(CFD), lattice boltzman equations ⟶ 아이스크림, 마요네즈, 페인트 등 점성이 있는 제품 생산에 쓰임
  • 슈퍼컴퓨터 1위 El capitan
    • Top500 1위(24.11), Green500 20위
    • DOE 산하 LLNL에 구축
    • 1.742 EFlops
    • HPE, AMD 4th Gen EPYC 24C 1.8GHz, MI300A

시뮬레이션 활용


  • 복잡하고 많은 계산량 처리
  • M&S: 고성능컴퓨터를 활용하여 가상의 공간에서 제품 및 공정의 성능을 검증/예측하는 기술
    • CAE, Numerical Simulation, Vitrual Engineering, Digital Manufacturing 등
  • 물리 시뮬레이션(CAE, Computer Aided Engineering): 열유체, 구조, 전자기, 동역학 등
    • CFD(Computational Fluid Dynamics, 전산유체역학)
    • 구조해석(Structural Analysis)
    • 다물체동역학(Multi-body Dynamics)
  • 활용
    • 아파트 디지털 트윈 - 내진(안전), 공기오염, 에너지, 화재 등
      • 가전제품(공기청정기)
    • 도시 디지털 트윈 - 교통, 상하수도, 공기오염, 자연재해(홍수, 화재) 등
      • 미세먼지(도시)
    • 가전제품(의류건조기)
    • 일반제조
      • 소화기 내시경용 생검솔
      • 수소 재순환 이젝터 내부 유동해석
      • 차량용 클램프 밴드의 체결에 대한 설계안 검토
      • 자동차 시트 냉풍 모듈 열유동 해석
    • 뿌리산업
      • 폴리우레탄 젤 인솔 제조공정의 유동해석
      • 플랜지가 있는 판재의 굽힘공정 해석
      • 드라이브 페이스 재료 및 두께에 따른 타구음 특성 분석
    • 화학
      • 폐수처리시스템에서의 화학 물질 응집 교반기
      • 산업용 미생물 배양기 내부 유동 해석
      • OPG(Oxygenic Photo-Granules): 교반기로 발생된 유동에 의한 그래뉼의 거동 예측
    • 3D 프린팅 연계
      • 3D 프린터의 작업대 구조물 위상 최적화
      • RC Car의 Lower Arm 부품 최적화
    • 국방
      • 드론 / 무인비행체
      • 헬기
    • 제조
      • CNC 머신 절삭공구 마모 예측 ⟶ 공구 교체 시점 예측

인공지능 활용


  • 파력발전소 에너지 예측
  • 원자력발전소 취수구 해양생물 탐지 및 경보
  • 트롤어선 안전 확보
  • 태평양참다랑어 어획량 추정

AI + Physics 활용


  • PINN: Physics Informed Neural Network
  • ROM(Reduced Order Model, 차원축소모델)
    • 1D ROM: 다양한 파라미터를 적용한 열유체해석, 구조해석, 동역학해석 등의 시뮬레이션 결과 데이터를 기반으로, 회귀분석 등의 최적화 과정을 통해 도출한 1차원의 메타모델
    • 3D ROM: 복잡한 시뮬레이션 모델을 위해 필요한 계산시간과저장공간을 줄이기 위해 고품질의 동적 모델에서 필수 정보만을 보존한 모델. 디지털트윈, 제품 설계 최적화, 비전문가의 시뮬레이션 활용 지원 등. Coutour 가시화 가능
  • 1D ROM 사례
    • 자동차 연료 튜브 Bending에 따른 Spring Back 예측
    • 김치냉장고용 브라켓
    • 유체 이송용 Air Jet 흡입량 예측
    • 데크 플레이트 설계자동화
  • 하수처리장 디지털 트윈 - 송풍기, 펌프 등 PHM, 수문 제어 최적화, 약품투입 최적화 등
    • 생물여과시스템의 역세척 유량 분배 최적화
  • 산업용 로봇
    • 자동차 조립용 6축 로봇’
  • 자동차 Exterior Aerodynamic
    • 전기차 에너지 소모에 영향을 주는 외부 유체흐름(Drag coefficient)
  • 도심지 지하 굴착 공사, 가설교량 공사 현장의 주행 도로에 임시로 가설되는 복공판의 구조 안전성 평가
    1. 해석모델
      • 복공판 유한요소모델
      • 용접부 연결 조건
    2. 해석 조건
      • 하중 조건 - 하중 재하 방법, 하중 재하 위치
    3. 해석 결과 평가 방법
      • 처짐량 & 등가 응력
      • 피로수명
    4. 해석 결과 - 초기 모델
      • 하중 Type 1-1
      • 처짐량 & 등가 응력 & 수직 응력
    5. ROM 모델 개발
      • 실험계획법에 따른 Sampling
      • DOE Response (해석 결과)
      • Best Data based ROM:
      • Excel 기반 Visualization
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