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  • 혁신적 고무 재료 설계를 가능하게 하는 다목적 설계 시뮬레이션 기술등록일 : 2015/12/03
  • 일본 요코하마 고무(주)는 올해 10월 고무 재료의 다목적 설계 탐사 시뮬레이션 기술을 개발했다. 본 기술은 고무 재료 설계에서 기존에는 없었던 혁신적인 발상을 얻기 위해 개발한 것으로, 예를 들면, 저연비 성능과 안전 성능, 초경량 및 고강성 등의 성능을 고차원으로 양립한 고성능 타이어를 개발된 새로운 접근법을 이용하여 개발한다. 요코하마 고무는 그동안에도 공력 시뮬레이션이나 유체 음향 시뮬레이션 등 새로운 발상을 얻기 위한 기술 개발을 진행해 왔으며, 타이어 주변의 공기 흐름을 조절하고 연비 향상에 기여한 딤플 디자인이나 핀 부착 타이어 등을 발표하고 있다.

    타이어의 성능에는 고무 재료인 폴리머(고무)와 필러(카본 블랙과 실리카 등의 미립자)의 복잡한 미세 구조(분산 상태나 분량 등)가 큰 영향을 미친다. 그래서, 이번 개발한 기술은 실제 고무 재료를 사용하던 기존의 시뮬레이션과 달리 가상적인 미세 구조를 가진 고무 재료의 모델링을 실현하고, 미세 구조를 자유 자재로 조절할 수 있는 시뮬레이션을 가능하게 했다. 미세 구조의 파라미터(변수)를 변화시킴으로써, 다양한 미세 구조를 가진 약 10억 요소의 엄청난 규모의 시뮬레이션 모델을 얻을 수 있다. 또한, 토쿄 공업 대학의 슈퍼 컴퓨터"TSUBAME2.5"에 의한 성능 평가에서 기존의 유한 요소법에서는 계산하지 못했던 약 10억 요소가 되는 초대규모 계산을 불과 단 75분만에 마칠 수 있다는 것을 확인했다.

    기술 확립에 있어서는 미세 구조를 자유자재로 조절할 수 있는 모델링 기술과 고무 재료의 역학 특성을 계산하는 대규모 점탄성 시뮬레이션 기술이 과제가 되었다. 과제 해결을 위해 프랑스의 MINES ParisTech/Centre de Morphologie Mathematique(CMM)의 Dominique Jeulin 교수와 공동 연구를 진행하고, 랜덤 모폴로지컬(Random-morphological) 모델이라는 모델링 기술과 대규모 점탄성 시뮬레이션을 위한 새로운 계산 방법을 개발하였다. 이로써, 요코하마 고무 독자적인 고무 재료의 다목적 설계 탐사 시뮬레이션 기술이 완성되었다.

    다목적 설계 탐사는 설계에 도움이 되는 지식을 이끌어내는 설계 기법으로, 생물의 진화 과정에 주목하고 보다 최적의 답을 도출하는 다목적 유전자 알고리즘을 활용한 것이다. 요코하마 고무는 이미 타이어의 구조 설계에서 다목적 설계 탐사를 활용하여 일본 내 타이어 표시 제도에서 최고 등급의 구름 저항(Rolling Resistance) 성능:AAA, 웨트 그립(Wet Grip) 성능:a를 획득한 플래그십(Flagship) 저연비 타이어"BluEarth-1 EF20"을 개발하는 등 유용한 성과를 얻고 있다.

    그림1. 고무 재료의 다목적 설계 탐사 시뮬레이션 기술의 전체상과 가상적인 고무 재료 모델 사례
    고무 재료의 다목적 설계 탐사 시뮬레이션 기술은, (1) 고무 재료의 미세 구조를 컨트롤하는 미세 구조 모델링, (2) 가상 고무 재료의 역학 특성을 산출하는 점탄성 시뮬레이션, (3) 역학 특성을 개선하기 위한 진화 계산, (4) 진화 계산으로 얻을 수 있는 빅 데이터에서 재료 개발에 도움이 되는 정보를 추출하는 데이터 분석(데이터 마이닝)의 4개의 모듈로 구성된다.

    그림2. 미세 구조 모델링 모듈에서 작성한 고무 재료 모델 사례
    미세 구조의 파라미터를 변화시킴으로써 여러가지 미세 구조를 가진 가상 고무 재료 모델을 작성할 수 있다.


  • 키워드 : 고무, 타이어, 시뮬레이션
  • 출처 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑