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    (연구자 인터뷰)

    연구자 인터뷰는 기계.건설공학 분야의 종사자의 추천 및 자체 선정을 통해 선발된 우수 연구진을
    직접 방문하여 연구 정보를 취합하여 제작하고 있습니다. 주변에 알리고자 하시는 분이 계시면
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    • 유홍희 교수
      유연 다물체동역학 해석 및 스마트 구조 설계
      유홍희 교수(한양대학교 기계공학과)
      이메일:hhyoo at hanyang.ac.kr
      장소:서면 인터뷰
      1525 5 0


    안녕하세요. 메트릭 회원 여러분!
    다물체동역학 분야에서는 자동차, 세탁기, 에어컨 압축기, 발전용 터빈과 같이 전통적인 산업체에서 생산되고 있는 다양한 기계 시스템의 성능분석 및 설계를 수행하기 위한 내용 및 방법이 연구되어 왔습니다. 그러므로 얼마나 창의적인 기계 시스템을 제안하며 동시에 이를 위한 효율적이며 정확한 해석 결과를 얻을 수 있느냐가 이 분야 연구자들의 핵심적인 관심사라 할 수 있습니다.

    오늘 인터뷰에서 만나 보실 유홍희 교수(한양대학교 기계공학부)는 자동차, 가전, 발전, 생산 장비 등 전통적인 기계 시스템의 해석 및 설계를 위한 방법론을 연구하고 계시는 분이십니다. 그러면 유연 다물체계의 구조해석 및 설계와 관련된 연구내용에 대해 중점적으로 이야기를 나누어보도록 하겠습니다.

    1. 지금 교수님께서 하고 계시는 주요 연구에 대한 간단한 소개 부탁드립니다.

    제가 지난 1993년에 한양대학교에 부임한 이후 우리 연구실(한양대학교 동역학연구실)에서는 지난 27년간 변함없이 유연 다물체계의 구조해석 방법 및 설계에의 적용과 관련된 내용이 주로 연구되어 왔습니다. 물론 이와 관련된 구체적인 내용도 아주 다양한 주제들이 존재하므로 그동안 연구해온 내용은 계속 변화되어 왔습니다. 그러나 어떤 연구주제들은 지속해서 연구되어온 내용도 있습니다. 예를 들어서, 비선형 구조해석 방법이나 회전 블레이드 구조 모델링 방법은 현재까지도 지속적으로 오랫동안 연구가 진행되고 있는 연구 분야입니다.







    2. 단순한 구조의 해석에만 주로 적용되어 오던 레일레이-리츠법을 유연 다물체계 비선형 구조해석에 적용하는 게 주요 연구라고 하셨는데요. 기존의 레일레이-리츠 해석 방법과 비교하여 연구하시는 방식은 어떤 점이 발전되었는지 자세한 설명을 부탁드립니다.

    기존의 레일레이-리츠 해석 방법은 구조 동역학 분야에서 사용된 가장 오래된 방법입니다. 이 방법은 구조 동역학 문제를 해결하는 아주 효율적인 방법이지만 임의의 구조 형상에 대해서는 적용하기가 어려워 20세기 중반에 유한요소법이 개발되어 사용되기 시작되면서부터 거의 사용되지 않고 있습니다.

    또한 이 방법은 선형 구조모델에는 적용할 수 있으나 비선형 구조모델에 적용하려면 함수공간을 구성하는 기본함수들이 구조 경계조건을 모두 만족해야만 합니다. 선형 구조모델의 경우는 경계조건 중 기하 경계조건만 만족하여도 기본함수들의 수가 늘어나면 수렴하는 해를 얻을 수 있게 되지만 비선형 구조모델의 경우는 기본함수가 자연경계조건까지 만족해야 수렴하는 해를 얻을 수가 있습니다. 그런데 많은 비선형 구조 문제들의 경우 비교함수(Comparison function)라고 부르는 그런 기본함수들이 존재하지 않아 레일레이-리츠 방법으로는 비선형 구조 동역학 문제의 해를 구할 수 없었지요. 우리 연구실에서 최근 개발한 새로운 레일레이-리츠 방법은 이러한 기존 방식의 한계를 극복한 방법입니다.







    3. 에너지 하베스팅은 태양광, 풍력, 열 등의 자연에너지를 전기에너지로 변환하는 기술이며 버려지는 에너지를 다시 수확 및 전기에너지로 변환하여 사용하는 기술을 말합니다. 교수님께서 연구하시는 에너지 하베스팅 관련 연구 내용이 궁금합니다.

    기존 에너지 하베스팅 관련 연구는 주로 전기공학과 재료공학 연구자들을 중심으로 활발히 진행되어 왔습니다. 에너지 하베스팅 기구는 사실 역학적인 구조이므로 기계공학 연구자들이 기여할 부분이 많은 연구 분야입니다. 우리 연구실에서는 진동에너지를 전기에너지로 변환하는 압전 에너지 하베스팅 기구의 기계-전기 연성 시스템을 모델링하고 해석하여 산출되는 전압 및 전력량을 예측할 수 있는 해석 모델을 개발하고 해석 결과의 정확성을 실험을 통해 규명한 연구입니다.






    4. 최근 고온에서 작동되는 가스터빈 블레이드의 설계를 위해 정확한 열탄성 결합 모델을 사용해야 한다고 국제논문에서 강조하셨는데요. 어떤 연구 원리와 결과에 의해서 검증되었는지 궁금합니다.

    회전하는 블레이드의 구조 동역학 모델은 자체로도 상당히 복잡한 연구주제입니다. 그런데 가스터빈 같은 경우는 작동하는 환경이 엄청난 고온 환경입니다. 이렇게 고온이 되면 구조를 형성하는 물질들의 영률과 같은 역학적인 성질이 모두 크게 변하게 됩니다. 따라서 온도변화에 의한 물성 변화가 구조 동역학 해석 시에 함께 고려되어야 하는 복합적인 문제가 됩니다.

    더불어 온도를 낮추기 위해 블레이드의 내측에 냉각액이 관을 통해 흐르게 되면 바깥의 고온 환경과 관 내측의 저온 환경 사이에 열전달 해석이 선행되어야 하며 이를 통해 구해진 온도분포를 고려하여서 구조 동역학적인 특성이 구해져야 합니다. 그리고 이 연구에서 제시된 열탄성 구조 모델의 정확성은 유한요소법을 사용하여 검증이 이루어졌습니다.






    5. 다분야 통합 최적 설계 중에서도 드럼세탁기의 현가시스템(Suspension system)은 매우 중요한 기술인데요. 대표적으로 국내 및 국외기업에서 이러한 기술이 어떤 식으로 활용이 되고 있나요?

    잘 아시는 바대로 세탁기를 비롯한 가전 분야는 우리나라의 가전 회사들이 세계 최고의 경쟁력을 갖추고 있다고 알려져 있습니다. 그것은 바로 가전제품들을 개발하는 단계에서 CAE Tool들을 활용하는 실력이 세계 최고라는 의미이지요. 예를 들어 드럼세탁기의 경우 회전축이 수평이므로 세탁물 섞임이 자연스럽고 사용하는 물의 양도 아주 적다는 장점이 있지만 세탁 시 진동이 훨씬 크게 발생한다는 단점을 가지고 있습니다.

    따라서 세탁기 설계단계에서 다물체동역학 해석과 구조진동 해석을 함께 수행할 필요가 있고, 세탁 시간을 최소화하기 위한 제어규칙 등 다분야를 함께 통합적으로 고려하여 설계가 이루어져야 합니다. 요구되는 제품의 개발 주기가 점점 빨라짐에 따라서 설계 시간을 단축하기 위한 이러한 통합 기술의 중요성은 점점 더 중요해질 것으로 판단하고 있습니다.


    6. 모든 구조 설계에는 한계점이 있을 것 같습니다. 한계점은 무엇이며 새로운 대안은 없는 건지 궁금합니다.

    전통적인 설계는 대부분 선형적 공학 이론에 근거하여 이루어지고 있습니다. 선형이론이 대부분 사용되는 이유는 우선 엔지니어가 직관적으로 이해하고 사용하기 쉽다는 것입니다. 이에 더해서 구조 문제의 경우 비선형 이론을 사용하여 해석이나 설계가 이루어지면 작업을 완료하는데 많은 시간과 노력이 필요하다는 점도 비선형 이론의 사용을 어렵게 하는 실제적인 요인입니다.

    그런데 최근 비선형 이론을 사용하는데 소요되는 시간을 획기적으로 단축할 수 있는 새로운 방법들이 개발되고 있고 아울러 인공지능을 이용한 설계방법론은 인간의 직관에 근거한 기존 설계 방법을 사용하지 않아도 되게 발전하고 있습니다. 아마도 이러한 부분들이 기존 구조설계를 비롯한 공학 설계의 한계를 극복할 수 있는 새로운 창의적인 방향을 제공할 수 있다고 예측합니다.






    7. LG와 함께 드럼세탁기를 오랫동안 함께 협력하여 연구도 진행하시는 것을 알고 있는데요. 기존 연구 및 최근 함께하고 있는 연구가 있는지 궁금합니다.

    우리 연구실이 동역학과 구조진동을 주로 연구하는 연구실이다 보니 드럼세탁기 연구는 LG전자에서 좋은 기회를 주셔서 오랜 기간에 걸쳐서 진행해 왔습니다. 주로 세탁 시에 발생하는 진동을 허용범위 이내로 제어하고 세탁 시간을 최소화하기 위한 연구가 이루어져 왔습니다. 이 연구는 최적화 방법론을 전문 연구하는 연구 그룹과 함께 진행하며 많은 것을 서로 배울 수 있는 기회를 가졌습니다. 여러 주제에 대해서 연구를 진행하였지만, 연구내용 중 세탁 시에 발생하는 진동 데이터로부터 세탁물 질량의 통계적 분포를 거꾸로 구해 설계에 반영하는 연구를 진행했던 것이 가장 기억에 남습니다.







    8. 연구 진행 중 어려운 점이 있었다면 어떤 점이었으며, 어떻게 해결해 오셨는지 알려주세요.

    연구자들이 공통으로 겪는 어려움과 아픔은 본인이 정말 열심히 연구해온, 그리고 그 결과가 매우 가치 있는 내용이라고 생각되는 내용이, 저널 등을 통해서 발표하려는 노력이 좌절될 때가 아닌가 싶습니다. 요즘은 거의 모든 대학이나 연구기관의 연구자에 대한 평가 기준이 양질의 연구실적에 연관되어 있어 더 그런 것 같습니다.

    이런 문제를 극복하기 위한 일차적인 방법은 사실 더 열심히 많은 실적을 내기 위해 노력하는 방법이 있겠으나 근본적인 방법은 연구자 각자가 자기 인생에 대한 깊이 있는 성찰을 통해 외부로부터 주어지는 결과에 일희일비하지 않도록 인생에 대한 시야와 이해도를 넓힐 수 있어야 한다고 생각합니다. 제 경우에는 어려움에 부닥쳤을 때 신앙이 많은 힘을 주었지요.


    9. 교수님께서 연구하시는 분야 중 연구 진행과정 및 어떤 발전이 되고 있는 지 궁금합니다. 교수님께서 생각하시는 국내 상황과 국외상황을 구체적으로 비교해 주신다면 어떤 실정인가요?

    제가 연구해온 연구 분야는 기계공학의 기본을 이루는 역학 분야입니다. 이 분야에 대한 연구는 사실 기계공학이 태동한 때부터 오랜 기간에 걸쳐 이루어져 왔고 20세기 중반 이후에 컴퓨터가 본격 사용됨에 따라 이를 활용한 유한요소법과 같은 역학해석 방법론이 이용되며 비약적인 발전이 이루어져 왔습니다.

    그런데 역학 분야 연구는 미국에서는 21세기 들어서면서부터 그리고 우리나라에서도 최근 들어서 거의 발전이 이루어지지 않고 침체되어 가고 있다는 느낌을 받습니다. 유럽은 독일을 중심으로 여전히 그 연구가 지속되고 있고 아시아에서는 중국과 인도에서 새로운 연구자들이 연구를 활발히 전개하고 있습니다. 4차 산업혁명 시대로 들어선 지금 우리나라는 인공지능, 빅데이터, 생명공학 등 새로운 학문 분야에 연구자들이 많은 관심을 보이며 전통적인 학문 분야에 대한 연구가 급속하게 침체되어가고 있다는 느낌이 드는데 문제는 그 정도가 너무 과도한 것이 아닌가 하는 우려가 됩니다.

    새로운 학문 분야들과 그 주제들에 대해 관심을 갖는 것은 당연히 필요한 일이지만 전통적 학문 분야가 학문의 기초를 이룬다는 것을 생각할 때 전통적인 기초학문이 지속해서 연구될 수가 있도록 연구지원 등을 포함한 여러 방면의 세심한 배려가 모든 학문의 건강하고 지속적인 발전을 위해 꼭 필요하다는 생각이 듭니다.






    10. 특히 유연 다물체 구조 시스템 스마트 설계는 어떤 점을 특히 고려하여 설계 되어야 할까요?

    유연 다물체 스마트 구조 시스템 설계라 할 때 유연 다물체란 시스템을 구성하는 구조요소들의 수가 많은 수로 이루어진다는 것이고 스마트 설계는 기존의 유연 다물체 구조 설계에서 고려되지 못하던 구조 비선형성에 의해 새롭게 발견되는 시스템의 특이한 성질에 의한 성능향상을 설계에 반영한다는 의미입니다.

    구조 요소 수가 아주 많은 유연 다물체 계의 경우 구조 비선형성까지 고려하여 시스템 해석을 수행하려면 아주 큰 전산 시간이 소요되며 설계를 수행하려면 해석을 통상 수십 회 이상 반복해야 하므로 공학적 적용에 한계로서 존재하였습니다. 그런데 최근 우리 연구실에서 연구된 새로운 해석 방법은 계산 시간을 대폭 단축시킬 수 있어서 이러한 한계를 극복할 수 있는 계기를 제공하여 스마트 성능을 갖는 구조설계를 가능하게 한다는 점에서 큰 의미가 있다고 할 수 있습니다.



    11. 이런 연구에 힘입어 앞으로 연구 계획 중인 연구나 또 다른 목표가 있으신지 궁금합니다.

    제가 이번 인터뷰에서 말씀드린 제 연구 분야. 즉 비선형성을 고려한 구조해석 및 스마트 설계를 비롯한 다양한 공학 분야에 등장하는 비선형성이 발생시키는 특이한 현상은 많은 엔지니어를 매혹시켜 왔습니다. 그럼에도 불구하고 그러한 연구들이 그동안 제한적으로 이루어졌던 근본적인 원인은 그런 현상이 인간에게 직관적으로 이해되기 거의 불가능하다는 점입니다. 아마도 그런 점들이 현재까지 발전되어온 거의 모든 분야 공학 이론들이 선형수학 이론을 기반으로 하게 된 이유라 생각합니다.

    그런데 최근 인공지능을 이용한 분석 및 설계 기술들이 많은 분야에서 사용되기 시작하였습니다. 저는 인공지능이 인류가 직관적으로 극복하지 못했던 한계를 넘어서게 도와줄 중요한 도구가 되리라 생각합니다. 그래서 기회가 주어진다면 유연 다물체 구조 시스템의 스마트 설계에 인공지능 기술을 접목해 현재보다 훨씬 더 창의적이며 효율적인 해석 및 설계 방법론들을 개발해 보고 싶습니다.



    12. 앞으로 관련 분야를 공부하는 후학(대학원생들)에게 이 분야의 연구에 대한 비전을 제시해 주신다면.

    저도 젊은 학생일 때는 새로운 연구내용들이 다 좋아 보였습니다. 그래서 그 당시에는 가장 참신해 보이는 학문 분야에 대한 연구주제를 선택하여 석사과정 학업을 하였고 나중에 그와 연관된 박사과정 연구까지 하였습니다.
    그런데 어떤 동창 중에는 경제적 사정 등 여러 사정으로 인해 특정 주제를 선택해 학위 과정을 수행한 사람들이 있었습니다. 그런데 그들이 선택한 연구주제들이 그로부터 10년 후에 크게 주목을 받게 되는 것을 보았습니다.

    이 세상의 유행과 흐름에 눈을 감고 사는 것도 절대 좋지는 않지만, 너무 세상 유행과 흐름만을 좇아 사는 것도 현명하지 않다는 생각이 듭니다. 많은 사람이 몰려가는 주제보다 남들과 차별화된 자기가 좋아하고 관심을 두는 주제를 발굴하여 연구하는 것이 훨씬 현명한 태도라고 생각이 듭니다. 제가 연구하여온 역학 분야는 기계공학의 기초를 형성하므로 앞으로도 지속해서 꼭 필요한 학문 분야입니다. 그러니 이 분야를 학업 하며, 혹은 연구하며 여러분이 흥미를 갖게 되었다면 이 분야 연구를 학위 주제로 삼아서 정진해보라고 권하고 싶습니다.


     

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