DCNS - SAMAHE 헬리콥터 운송 시스템 모델링 및 시뮬레이션 사례
“MATLAB 및 Simulink 덕분에 기술적 개념을 신속히 검증하고 설계의 성능을 정확히 추정하고 시스템 검증 시간을 최소화하고 프로그램의 필요에 부응하는 시스템을 제공할 수 있었습니다.”
과제
솔루션
Simulink 및 Simscape Multibody를 사용하여 운송 시스템, 헬리콥터, 함정 모델링 및 해상에서 테스트하기 어렵거나 위험할 만한 조건에서 시스템 시뮬레이션
결과
- 다양한 동작 조건에서 시스템 안정성 검증
- 시뮬레이션 18배 가속화
- 중요한 개발 지식 이전
SAMAHE® 헬리콥터 운송 시스템.
SAMAHE® 헬리콥터 운송 시스템은 해군 함정의 격납고와 비행갑판 사이에서 10톤 무게의 헬리콥터를 2분 내로 옮길 수 있습니다. 프랑스의 해군 방산 및 에너지 기업인 DCNS가 설계한 SAMAHE® 시스템은 가장 높게는 해상 상태 6(최대 파고 6미터)까지 안전하게 작동하며, 초계함부터 호위함까지 다양한 함정에서 사용하도록 구성할 수 있습니다. SAMAHE® 시스템은 전 세계 9개국의 해군이 사용하고 있습니다.
DCNS는 Simulink® 및 Simscape Multibody™를 사용하여 해군 항공기 운송 시스템의 전산 해석을 수행하는 시뮬레이터인 SiMAéro(Simulation de Manutention d’Aéronef apponté)를 개발했습니다. SiMAéro는 실제 함정에서 테스트하기가 비현실적이거나 위험할 만한 여러 조건을 포함하여 다양한 조건에서 SAMAHE®가 어떻게 작동할지를 시뮬레이션합니다.
DCNS의 시뮬레이션 엔지니어인 Jérôme Vouillat는 “우리는 Simulink 및 Simscape Multibody로 SAMAHE® 시스템을 모델링하여 검증 시간을 최소화하고 해상 테스트를 줄였으며, 이를 통해 비용을 절감하고 함정의 가용성을 높였습니다.”라고 말합니다. “우리는 MathWorks Consulting Services와 협업하면서 MATLAB Parallel Server를 사용하여 사내 컴퓨터 클러스터에서 시뮬레이션을 실행했으며, 수백 번에 달하는 시뮬레이션 실행을 가속화했습니다.”
과제
해상 테스트는 몇 개월 전에 미리 계획해야 하며, 보통은 선상 테스트 수행 주간에 더해 꼬박 한 달의 준비 기간까지 필요합니다. 계획과 준비를 하더라도 강풍 등 철저한 테스트에 필요한 조건은 테스트 기간 내내 계속되리라고 보장할 방법이 없습니다. 게다가 극한의 조건과 고장 시나리오를 실제 함정에서 테스트하는 일은 위험할 수 있습니다. DCNS는 해상 테스트를 최소화하고 선원의 안전을 최대화하기 위해 다양한 조건과 시나리오를 정확히 시뮬레이션할 수 있는 방법을 원했습니다.
DCNS는 SAMAHE® 운송 시스템의 역학 모델링에 더해 여러 헬리콥터의 착륙장치와 타이어도 모델링해야 했습니다. 해군 헬리콥터 타이어는 구르고 미끄러지는 특성이 다른 항공기와 크게 다르며, 고충실도 시뮬레이션을 위해 정확히 모델링해야 합니다.
DCNS 팀은 다양한 유형의 함정과 헬리콥터, 광범위한 해상 조건, 여러 헬리콥터 운송 시스템 구성을 다루는 수백 개의 테스트 케이스를 시뮬레이션해야 했습니다. 하나의 배치를 실행하려면 분석이 필요한 헬리콥터 구성, 바람 조건, 함정의 움직임을 다룰 수 있도록 약 1,200번의 서로 다른 시뮬레이션을 진행해야 했습니다. 이들은 시뮬레이션 시간을 단축하고 이를 수작업으로 실행하는 수고를 줄일 방법이 필요했습니다.
솔루션
DCNS는 Simulink 및 Simscape Multibody를 사용하여 SAMAHE® 시스템을 모델링 및 시뮬레이션했고, Parallel Computing Toolbox™와 MATLAB Parallel Server™를 사용하여 시뮬레이션의 속도를 높였습니다.
DCNS 팀은 Simulink에서 작업하면서 MathWorks Consulting Services와 함께 헬리콥터, 함정, SAMAHE® 운송 시스템으로 구성된 최상위 모델을 만들었습니다. 함정의 하위 모델에는 바람과 해상 상태 같은 환경 조건이 통합되었습니다. 전체 모델에는 약 4,500개의 블록과 190개의 구성 가능 파라미터가 들어 있습니다.
팀원들은 Simscape Multibody를 사용하여 헬리콥터의 착륙장치와 SAMAHE® 시스템의 역학을 모델링했습니다. 헬리콥터 타이어는 S-Function 블록에 캡슐화된 미분 방정식으로 모델링되었습니다. 팀에서는 함정과 헬리콥터의 Simulink 모델로 구성된 라이브러리를 개발했으며, 새로운 구성과 시스템을 시뮬레이션할 수 있도록 정기적으로 업데이트했습니다.
팀원들은 물리적 모델을 검증하기 위해 기능 검증을 수행한 후에 시뮬레이션 결과를 실제 시스템을 사용한 해상 테스트의 측정 결과와 비교했습니다.
DCNS 엔지니어들과 MathWorks 컨설턴트들은 작업자가 모델 파라미터를 구성하고 Simulink 시뮬레이션을 개시하고 시뮬레이션 결과를 자동으로 후처리할 수 있는 인터페이스를 MATLAB에서 개발했습니다.
DCNS는 다양한 헬리콥터 질량 구성, 헬리콥터의 무게 중심 위치, 초기 헬리콥터 위치, 함정 모션 및 바람 조건에 대해 1,200번 이상의 시뮬레이션을 실행했습니다.
처음에는 1회의 시뮬레이션 실행이 완료되기까지 대략 4시간이 소요되었습니다. 팀원들은 MathWorks Consulting과 함께 Parallel Computing Toolbox를 사용하여 응용 프로그램을 병렬화하고 MATLAB Parallel Server를 사용해서 시뮬레이션 실행을 20코어 컴퓨터 클러스터로 확장했습니다.
현재 DCNS 엔지니어들은 계획된 시스템 개선을 지원할 수 있도록 자사 모델을 업데이트 중입니다. 이러한 노력은 연구 및 개발 활동을 위해 DCNS가 꾸준히 진행 중인 제품 및 공정 개선의 일환이라 할 수 있습니다.
결과
다양한 동작 조건에서 시스템 안정성 검증. Vouillat는 “우리는 Simulink 및 Simscape Multibody에서 만들어진 SiMAéro를 사용하여 SAMAHE®의 전체 운송 단계를 시뮬레이션하고 다양한 동작 조건 전체에 걸쳐 헬리콥터 안정성을 검증할 수 있습니다.”라고 말합니다. “시뮬레이션을 수작업으로 코딩했다면 이 프로젝트를 결코 제때에 완료하지 못했을 겁니다.”
시뮬레이션 18배 가속화. Vouillat는 “우리는 이러한 시뮬레이션을 Parallel Computing Toolbox와 MATLAB Parallel Server로 20워커 클러스터에서 실행하여 각각의 배치를 약 18배나 빠르게 완료했습니다.”라고 말합니다.
중요한 개발 지식 이전. Vouillat는 “MATLAB 및 Simulink 제품에 능통한 MathWorks 컨설턴트들 덕분에 우리는 생산성과 유지보수성을 개선한 모범 사례로 시뮬레이터 인터페이스를 개발 및 최적화할 수 있었습니다.”라고 말합니다. “지식 이전은 프로젝트 전반에서 가장 우선적인 사안이었고, 따라서 우리는 이제 자율성을 확보하고 단독으로 개발을 진행하고 있습니다.”
