공학설계란?

1. 공학설계 ★

2. 제품기획

• 2.1. 요구사항목록

3. 개념설계

• 3.1. 설계문제와 기능구조도
• 3.2. 동작원리와 설계대안

4. 기본설계

• 4.1. 시제품 레이아웃과 공학해석
• 4.2. 견실최적설계
  • 4.2.1. 문제 정의
  • 4.2.2. 제1차 실험 설계 및 수행
  • 4.2.3. 민감도 분석

5. 상세설계

• 5.1. 제작도면과 자재소요서

 

1. 공학설계

공학설계

   공학설계(engineering design)는 공학 지식을 응용해 사용자가 요구하는 기능과 제한조건들을 충족하는 시스템을 체계적으로 개발하는 과정이다. 시스템의 용도를 결정하는 기본적인 기능 외에 동작 환경, 속도, 크기, 무게 등을 포함한 요구사항과, 재료 및 기술, 경제성, 합법성 등의 제한조건을 고려하여 사용자가 요구하는 바를 기술적으로 구현하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 설계에 참여하는 구성원들과 설계문제를 정의하고 일정한 절차를 거쳐 시스템을 완성한다.

 

2. 왜 공학설계인가?

   공학설계는 제한조건 내에서 요구사항을 만족하는 시스템을 설계하기 위해 광범위하고 복합적인 문제를 해결하는 과정이다. 순간 떠오른 아이디어를 구현하는 방법으로는 다양하면서도 복잡하게 얽힌 요구사항과 제한조건을 만족시키지 못할 가능성이 높다. 따라서 커다란 설계문제를 여러 단계로 나누고 각 단계별로 체계적으로 접근하여 설명 가능한 설계를 완성하는 것이 필요하다. 실력이 뛰어나고 경험이 많은 구성원들과 함께 시스템을 설계하더라도 개개인의 사고 범위는 제한적이기 때문에 체계적으로 접근해야 한다.

3. 공학설계의 단계

공학설계의 단계

   공학설계는 요구사항과 제한조건을 충족할 수 있는 설계대안을 최대한 많이 창안하고, 그 중에서 가장 적합한 설계대안을 골라 최적화하는 과정을 밟는다. 이를 위해 공학설계는 크게 네 단계, ▲제품 기획, ▲개념설계, ▲기본설계, ▲상세설계를 거치면서 시스템을 구체화한다. 특히 지금까지 존재하지 않았던 시스템을 설계하는 경우에는 개념설계와 기본설계가 매우 중요하다.
 

3.1. 제품 기획

 

제품 기획

   제품 기획(product planning) 단계에서는 시장 조사나 면담을 통해 사용자가 요구하는 기능과 제한조건을 수렴하여 요구사항목록을 작성한다. 해당 단계에서 시장 조사나 면담 없이 설계 구성원들만의 가설로 요구사항목록을 작성한다면 사용자가 결과물을 반기지 않을 가능성이 높다. 따라서 기술적 구현 난이도는 후순위로 미루더라도 반드시 사용자의 목소리를 반영하여 요구사항목록을 완성하자. 아래 링크로 접속하면 제품 기획 단계에서 수행해야 하는 사항에 대해 확인할 수 있다.

공학설계 | 제품 기획: 요구사항목록

 

3.2. 개념설계

 

개념설계

   개념설계(conceptual design) 단계에서는 요구사항목록을 충족할 수 있는 설계대안을 최대한 많이 창안하고, 그 중에서 가장 유망한 설계대안을 선정한다. 기존에는 없었던 창의적인 시스템을 설계한다면 해당 단계가 특히 중요하다. 설계 구성원들은 요구사항 목록으로부터 설계 문제와 기능구조도를 추출하고, 세부 기능에 대한 동작 원리를 전개하고 조합하여 다양한 설계대안을 도출한다. 마지막으로 각 설계대안의 장단점을 분석하고 평가하여 최적의 설계대안을 선정한다. 아래 링크로 접속하면 개념설계 단계서 수행해야 하는 사항에 대해 확인할 수 있다.

공학설계 | 개념설계(1): 설계문제와 기능구조도

 

3.3. 기본설계

 

기본설계

   기본설계(embodiment design) 단계에서는 개념설계 단계에서 선정한 최적 설계대안의 레이아웃을 만들고 시제품으로 제작한다. 공학 해석과 실험을 거쳐 시제품이 사용자가 원하는 기능과 제한조건을 충족하는지 검증한다. 최적 설계대안의 레이아웃을 구성하는 과정에서 시스템을 구성하는 각 부품의 규격과 형상, 재질, 제작 방식 등이 결정되어야 하며, 시스템을 조립하는 과정에 문제는 없는지 검토해야 한다. 완성된 레이아웃을 대상으로 유한요소해석, 진동 모드 해석 등의 공학 해석을 수행하여 성능을 검증하고, 더 나아가 시스템이 제 기능을 발휘하지 못할 가능성까지 고려하여 레이아웃을 보완한다. 이를 기반으로 시제품을 제작하면 실험을 통해 강건한 시스템 설계를 위한 데이터를 확보하고 이를 반영하여 최종 레이아웃을 완성한다.아래 링크로 접속하면 기본설계 단계에서 수행해야 하는 사항에 대해 확인할 수 있다.

공학설계 | 기본설계(1): 시제품 레이아웃과 공학해석

 

3.4. 상세설계

 

상세설계

   상세설계(detail design) 단계에서는 기본설계에서 도출된 최종 레이아웃을 기반으로 제작도면과 자재소요서를 작성한다. 앞서 시제품을 제작하면서 제작도면의 초안이 완성된 상태이므로, 해당 단계에서는 실험을 통해 확정된 설계변수를 반영하여 양산을 위한 제작도면과 자재소요서를 완성한다. 아래 링크로 접속하면 상세설계 단계에서 수행해야 하는 사항에 대해 확인할 수 있다. 

공학설계 | 상세설계: 제작도면과 자재소요서

 

 

 

 

 

참고문헌
- 김종원. (2008). 공학설계: 창의적 신제품 개발방법론. 문운당.