Curve Tool로 구현하는 정밀 시뮬레이션: 정확한 결과를 위한 데이터 처리

 

 

 

Introduction 

이번 호에서는 Ansys에서 개발한 곡선 데이터 처리 및 개선 프로그램인 Curve Creation & Manipulation Tool(이하 Curve Tool)에 대해 소개하고자 한다. 이 프로그램은 활성화 되어있는 Ansys제품군 라이선스가 있는 사용자라면 추가 라이선스 없이 누구나 사용할 수 있는 프로그램이다. Curve Tool은 초기에 자기장 해석에 사용되는 BH 커브의 전/후처리를 위해 개발되었다. 하지만 시간이 지남에 따라 다양한 기능이 더해져 지금은 데이터 처리 및 개선을 위한 범용 도구로 발전했다. 그럼 지금부터 Curve Tool의 역사, 다운로드 및 라이선스 설정 방법 그리고 다양한 기능에 대해 알아보겠다.

 

■ Curve Tool의 역사 및 기본 기능

[그림 1] 1018 Steel 90.5 HRB의 BH 커브

 

 Curve Tool은 그림2와 같이 기본적으로는 3가지 색상(Blue, Green, Red)의 커브 데이터를 불러오는 것으로 시작이 된다. 이중 Blue로 불러온 곡선만 Curve Tool의 주곡선으로 사용되어 편집이 가능하며, Green과 Red 색상의 그래프는 참조 곡선으로 사용되어 수정이 불가능하다. 하지만 Green과 Red 곡선도 교체(Swap) 버튼을 통해 편집 가능한 주곡선으로 변경 가능하다. 일단 그림2와 같이 Blue 색상의 Browse 버튼을 통해 Text 파일로 저장된 커브 데이터를 불러오면, 그림 3과 같이 해당 데이터의 커브를 확인할 수 있다. 이 상태에서 곡선의 점들은 마우스 오른쪽 버튼을 클릭(RMB)한 채 선택하면 직관적인 이동이 가능하며, 커브 라인 위에서 Ctrl 키를 누른 상태에서 마우스 오른쪽 버튼을 클릭하면 해당 위치에 점을 추가로 생성할 수도 있다.

 

[그림 2] Curve Tool

 

[그림 3] 점의 이동 및 추가

 

이렇듯 Curve Tool은 기본적으로 Text 데이터를 그래프로 그리고 직관적으로 손쉽게 수정이 가능하다. 이와 관련해 Help 버튼 및 F1키를 이용해 자세한 키 옵션의 확인이 가능하다. 이번엔 앞서 언급한 BH 곡선의 미분을 통한 투자율 그래프 생성 방법에 대해 알아보겠다. Curve Tool은 원클릭으로 그래프의 미분이 가능하다. 그림 4와 같이 메뉴의 1 아이콘을 클릭하면 불러온 그래프의 1차 미분 곡선을 출력(2는 2차 미분 곡선을 출력 )해 준다. 또한 수정된 상태에서 Save as 버튼의 클릭을 통해 Text 파일로 저장도 가능하다.

 

[그림 4] 미분이 완료된 파일의 저장

 

여기서 그림 4의 오른쪽 아래 초기 계산된 그래프를 살펴보면 커브가 연속적이지 않고 뾰족한 산모양으로 계산된 것을 알 수 있다. 하지만 대부분의 물리현상은 연속적인 경향성을 나타냄에 따라, 계산 과정의 수치 오차를 예상할 수 있다. 이에 따라 Curve Tool을 통해 Smoothing을 진행하여 수치오차를 제거해 보겠다. Smoothing은 특정 구간에 적절한 데이터를 추가하여 노이즈를 완화하고 수치 오차를 줄이는 매우 단순하면서도 효과적인 기법이다. Curve Tool에서는 그림 5와 같이Smoothing Point(추가할 Point 개수)와 Bias Factor(가중치)를 입력하고, 키보드의 B + 마우스 오른쪽 버튼을 누른 상태로 그래프의 일부에 박스를 그려 넣음으로 Smoothing과정을 진행할 수 있다. 그림 5의 아래 그림이 Smoothing 과정을 실행한 결과이며 녹색 박스가 그려진 구간을 보면 Point가 초기 데이터에 비해 확연히 증가한 것을 볼 수 있다. 

 

[그림 5] Curve Tool의 Smoothing 기능

 

이렇게 중간에 데이터가 자연스럽게 채워진 상태에서 다시 앞에서 했던 미분 과정 거치면 그림 6과 같이 초기(Red Curve)에 비해 부드럽게 변경된 투자율 데이터(Blue Curve)를 확인할 수 있다.

 

 

[그림 6] Smoothing 전(Red), 후(Blue) 그래프 비교

 

■ 다운로드 및 라이선스 설정

지금부터는 Curve Tool의 다운로드 및 설치 방법에 대해 알아보겠다. 일단 Curve Tool은 아래 그림7과 같이 Ansys의 ACT Store 사이트에서 다운로드할 수 있다. 현재 ACT Store에는 다수의 ACT가 있음에 따라 아래 그림과 같이 검색창에 ‘Manipulation’을 입력하여 검색하면 손쉽게 찾을 수 있다.

 

[그림 7] Ansys ACT Store

 

 해당 ACT를 클릭하면 아래 그림 8과 같이 무료로 다운로드할 수 있으며, 지원되는 버전에 대한 설명이 있다. 하지만 이 프로그램은 기존 Ansys 프로그램에 Add-on 되는 형식이 아니라 독립적으로 실행되므로, 설치된 Ansys 버전에 크게 영향을 받지 않는다.

 

[그림 8] Curve Creation and Manipulation Tool V5.36

 

프로그램을 다운로드하고 압축을 해제하면 아래 그림9와 같이 2개의 폴더와 2개의 파일 확인이 가능하다. 

 

[그림 9] Curve Tool V5.36

 

이 중 Program 폴더에는 해당 프로그램의 실행 파일과 라이선스 설정을 위한 License_info 파일이 있으며 Videos 폴더엔 프로그램의 시연 동영상이 그리고 Smoothing_Tool_Overview_2023. pdf는 이 프로그램의 주요 기능을 설명하고 있다. 관련 파일 들을 통해 세부 사항의 확인이 가능하며 이번에는 간략하게 라이선스의 설정 방법에 대해 알아보겠다. 라이선스 설정을 위해서는 License_info 파일의 수정이 필요하며, 이 파일을 열면 그림 10과 같은 내용의 확인이 가능하다.

 

[그림 10] License_info를 통한 라이선스 설정 방법

 

라이선스 설정을 위해 License_info 파일의 #server host name 아랫줄을 현재 사용 중인 Ansys 라이선스 서버의 host name으로 대체하고 저장하면 된다. Curve Tool은 추가 라이선스 없이 사용할 수 있으나 어떠한 것이든 유효한 Ansys 라이선스가 있어야 사용할 수 있다. 프로그램 사용 시에도 기존 Ansys 라이선스를 소모하지는 않으며, 활성화되어 있는 Ansys 라이선스의 사용 가능 여부만 확인하여 프로그램을 구동 시킨다. 즉 유효한 Ansys사 제품을 가지고 있는 사용자라면 누구든 자유롭게 사용이 가능하다.

 

■ Curve Tool의 다양한 추가 기능

Curve Tool은 앞서 소개한 내용 외에도 다양한 추가 기능을 제공하며 주요 기능은 아래와 같다.

 

• 곡선의 점 추가 생성 및 이동 삭제 (마우스 또는 키보드 이용 가능)
• 노이즈가 있는 데이터의 품질 향상 (Curve Smoothing)
• 1차 및 2차 도함수 계산(미분) 계산 (First and Second Derivatives)
• 곡선의 적분 (Curve Integration)
• 곡선의 필터링 (Curve Filtering)
• 곡선의 FFT & IFFT (Fast Fourier Transform, Inverse Fast Fourier Transform)
• 수식을 이용한 곡선 생성(Mathematical Expression)
• 이미지(그림파일)에서 곡선 데이터 추출 및 재구성

 

상기 Curve Tool의 다양한 기능 중 이번 시간에는 간략하게 두 가지만 소개하겠다. 첫번째로 수식을 이용한 곡선의 생성 방법이다. 그림 11과 같이 Expression을 클릭하면 나오는 창에 원하는 수식과 Point 개수 등을 입력하면 해당 조건에 따라 그래프를 손쉽게 생성할 수 있다. 

 

[그림 11] 수식을 이용한 곡선 생성(Mathematical Expression)

 

두번째로 이미지로 가지고 있는 그래프로부터 실제 데이터를 추출하는 기능이다. 물론 눈대중으로 데이터를 입력할 수도 있다. 하지만 조금 더 정확하게 데이터를 추출하고자 할 때 유용하게 사용할 수 있다. 이 기능은 그림 12의 ①과 같이 Poly Bezier Curve Tool 아이콘을 클릭하는 것을 통해 시작한다. 이 아이콘을 클릭하면 그림 12의 오른쪽 그림과 같이 새로운 창이 열리며, 이 창에서 데이터 추출을 원하는 이미지 파일을 불러올 수 있다(②). 

 

[그림 12] Poly-Bezier Curve Tool 실행

 

 

이미지를 불러왔다면, 그림 13과 같이 바탕의 눈금을 인식해야 한다. 이를 위해 모서리와 격자 간격 등의 설정을 진행한다. 이때 그림과 같이 기울어진 이미지 형태의 인식도 가능하다.

 

 

 

[그림 13] Grid외각 라인 조정

 

 그리고 그림 14와 같이 생성하고 싶은 커브의 형태를 설정하고 Ctrl + RMB 버튼을 이용하여 커브의 점들을 찍으면 이를 바탕으로 라인이 생성된다. 필요에 따라 추가 커브의 생성도 가능하다. 

 

 

[그림 14] 그래프내 커브 Point 생성

 

마지막으로 그림 15와 같이 Insert 키를 누르면 Curve Tool로 해당 데이터가 복사된다.

 

 

[그림 15] 커브 생성 및 전달

 

맺음말

지금까지 살펴본 것과 같이 Curve Tool은 단순한 곡선 보정 도구를 넘어, 다양한 데이터 전처리와 분석을 가능하게 하는 강력한 솔루션으로 발전해왔다. 커브 Smoothing은 물론, 데이터 미/적분, 필터링, 주파수분석, 수식을 통한 커브 생성 그리고 이미지 기반 곡선 추출까지 폭넓은 기능을 갖추고 있어 연구 및 실무 환경에서 유연하게 활용할 수 있다. 따라서 이 도구는 반복적인 수작업을 줄이고, 더 신뢰할 수 있는 시뮬레이션 결과를 얻기 위한 강력한 파트너가 되어줄 것이다. 게다가 유효한 Ansys사 제품을 가지고 있는 사용자라면 누구든 자유롭게 사용이 가능하므로 업무에 활용하여 더 정확한 시뮬레이션에 도움이 되기를 희망해 본다.