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4 Computational Structural Engineering Vol. 29 No. 4❙2016
One Code Strategy LS-DYNA 소개
❙Planned Special Articles❙
정 영 구
한국시뮬레이션기술(주) 상무
□“MULTI-PHYSICS”,□“MULTIPLE STAGES”,□“MULTI-PROCESSING”.
1. LS-DYNA, 3차원 물리적 현상을 시뮬레이션으로
LS/DYNA3D는 3차원 구조물의 동적 거동 해석을 위한 비선형 유한요소 프로
그램으로 양해법(Explicit method) 프로그램의 모태로서 현재 세계적으로 가장
널리 사용되고 있다. 다양한 종류의 접촉 이론과 복잡한 현실적인 문제를 모사할
수 있는 강력한 기능을 가지고 있고 개발회사인 LSTC(Livermore Software Techno-
logy Corporation)에서는 다양한 요소 알고리즘의 개발과 현장에서 가장 필요로
하고 적합한 기능을 지속적으로 연구 개발하고 있다. 본 프로그램은 자동차, 조
선, 항공, 건설, 전자 분야 등 산업전반에 걸쳐 CAE(Computer Added Engineering)
의 선도적인 역할을 담당하고 있으며 특히 동적 거동, 충돌, 충격, 폭발, 판재 성
형, 유체, 유체구조 연성, 단조 및 지진 기타 비선형 문제 시뮬레이션에 그 효용
성이 탁월하다.
현재 사용되는 LS/DYNA 971에는 음해법(Implicit method)이 포함되어 있어
성형 해석에서 스프링백(springback) 문제를 비롯해서 소음진동, 음압해석 및 선
형/비선형 해석에 많이 사용되고 있다. 특히 LS-DYNA가 모토로 하고 있는
“One-Code One Solution”을 위해 열-구조, 구조-유체, 구조-열-전자기장, 전자기
그림 1 Multi-Physics 개념도
One Code Strategy LS-DYNA 소개
전산구조공학 제29권 제4호❙2016 5
비선형Material non-linear
Geometric non-linear
동 하중충돌해석접촉해석시간이력 하중
성형해석
각종 금속의 성형 해석Sheet metal forming
Hydro forming
Sheet hydro forming
Hot Forming
열해석열응력열변형용접해석
implicit 소음진동/음압/선형/비선형
동역학 다 물체 동역학 해석
장-열-구조 연성해석을 동시에 해결할 수 있는 양방향(Two
way) 커플링이 가능하다.
문제를 풀 수 있어 엔지니어의 각광을 받고 있다.
1.1 주요 모듈
LS-DYNA는 하나의 실행 파일로 모든 기능을 다 구현할
수 있다. 즉, 추가 구매없이 LS-DYNA, LSPP, Optimization
그리고 더미를 사용할 수 있지만 USA(Under water Shock
Analysis)는 국방과 관련된 코드이므로 개발사의 허용이 있
어 사용할 수 있다.
LSTC에서 개발한 LS-OPT과 LA-TASC는 최적화 프로그
램으로 시간 영역의 LS-DYNA의 결과를 반응값으로 설정
하기에 최적의 호환성을 가지고 있다. 범용 최적화 프로그
램과 같이 사이즈, 형상, 위상 최적화 그리고 강건/신뢰성
최적화를 할 수 있어서 비선형 하중에 대한 최적화에 많이
사용되고 있다.
그림 2 LS-DYNA 모듈
그림 3 위상 최적화
그림 4 ESLDYNA 개념도
특히 동 하중을 정 하중으로 등가화하여 최적화를 수행
하는 ESLDYNA와 완벽한 호환성을 가지고 있기 때문에 충
돌 하중을 비롯한 비선형 외력에 대한 위상 최적화 및 형
상 그리고 사이즈 최적화를 가능하게 되었다.
ESL method는 국내 대학에서 개발을 하여 유수의 상용
최적화 프로그램의 하나의 모듈로 자리잡고 있다. ESL
method의 개념도는 위의 그림과 같다.
1.2 주요기능
LS-DYNA는 전 산업계에서 여러 분야 해석에 사용되고
있는 주요 기능은 아래와 같다.
기획특집기사
6 Computational Structural Engineering Vol. 29 No. 4❙2016
폭발해석 수중폭발, 기타 폭발물 해석
크랙(Crack)진전,
파괴해석크랙 전파 및 파괴현상 해석
연성해석
열-구조 연성전자기장-열-구조 연성유체-구조 연성열-유체-구조 연성
유체해석압축성 유체 해석비 압축성 유체 해석
DEM Discrete Element Method
2. 응용분야
LS_DYNA의 응용분야는 광범위하다. 그 중 널리 사용
되고 있는 분야는 자동차, 조선, 항공, 국방, 전자 분야 등
이다.
2.1 자동차
LS-DYNA는 세계적으로 유명한 자동차 제조업체 및 부
품업체에서 차량 충돌 및 안정성 평가 그리고 성형결과를
구조강성/강도 평가 및 충돌 시뮬레이션과 연계하는 해석
에 사용하고 있다. 충돌해석에 사용되는 유한요소 더미는
LSTC에서 개발하여 무료로 제공하고 있어 사용자들은 저
렴한 가격에 다양한 기능을 사용할 수 있어서 사용자가 급
속히 증가하는 추세이다.
완성차 제조 업체
LS-DYNA를 가장 많이 이용하는 사업분야가 자동차 업
체이다. 사고 발생시 사람의 안전과 직접 관계가 있으므로
각 국가마다 차량에 대해 법규화하여 내수, 수입 차량의 안
전성능을 관리하고 있어서 충돌시뮬레이션 프로그램 반드
시 필요하다. 주로 아래의 법규에 사용하고 있다.
정면충돌 (강체벽, 오프셋 강체벽)
측면충돌 (폴, 대차)
후방충돌 (강체벽, 대차)
오프셋 (40%, 25%)
천정강로
차량전복
보행자 보호
더미 상해 해석
시트벨트 엥커리지 등…
그림 5 실차 충돌 시험
그림 6 자동차 충돌 해석 평가
부품회사
시트 관련 해석
범퍼/후드/램프/저속충돌해석/보행자 보호 해석
I.P /내장재의 FMH(두부손상해석)
Steering wheel /Al Wheel / Tire
(수막현상, 강성/강도)
자동차 도어 : intrusion / sagging /닫힘 해석
배기정화 장치 : 고유치/ 열해석
서스펜션 : Dynamics / Durability / Pot hole 등
윈도우 레귤레이터
에어백 전개 해석
범퍼 충돌해석
One Code Strategy LS-DYNA 소개
전산구조공학 제29권 제4호❙2016 7
2.2 성형 해석
세계적으로 금속성형 해석용으로 가장 많이 쓰이 는 프
로그램중 하나로서 재료의 변형, 응력집중, 주름현상 그리
고 찢김 현상을 정확히 예상을 할 수 있다. 자동차 경량화
를 위해 강판의 강도는 강해지면서 스프링백이 문제가 되
고 있다. LS-DYNA의 음해법(Implicit code)으로 정확한 탄
성복원량을 예측을 할 수 있으며 더불어 핫포밍이 고강도
판넬의 문제점을 해결하기 위한 성형공법으로 많이 사용되
고 있다. LS-DYNA는 냉각채널 설계 및 핫 포밍 알고리즘
을 처음으로 개발하여 공급하고 있다.
Deep drawing
Forging
Hydroforming
Multi-Stage processes
Multi-Step
Tailored blank
Hot Forming
전자기장을 이용한 성형을 할 경우 마그네슘, 알루미늄
과 같은 재료의 성형성이 좋아져 고품질의 제품을 생산 할
수 있다.
2.3 항공 우주산업 분야
우주산업 및 항공 분야의 발달과 더불어 복잡하고 비선
형성이 강한 문제에 한 해석의 필요성이 대두되면서
LS-DYNA가 새로운 분야의 해석에 있어서 핵심을 이루고
있다.
그림 7 전자기장을 이용한 성형해석
그림 8 항공기 엔진블레이드, 버드 스트라이킹
Blade containment
Bird strike
Extraterrestrial landing delivery system
Failure analysis
3. 조선/국방 폭발 해석
조선, 토목/건축, 항공 그리고 국방 분야에서 폭발해석은
다양한 분야와 다양한 제품 및 설계에 응용되고 있다.
LS-DYNA를 이용한 폭발해석은 2가지 경우로 나누어 볼
수 있다. 첫째는 USA(Underwater shock analysis)와 연계해
서 원거리 폭발 시 해상구조물의 응답을 구하는 해석을 하
는 경우와 두 번째 근거리 폭발시 LS-DYNA만을 이용해서
하는 경우이다. 두 번째 경우에는 ALE를 사용할 수 있고
CONEP 방식을 이용할 수 도 있다.
조선 분야에서는 슬래싱, 슬래밍과 같은 유체/구조 연성
문제를 해결하기 위해 LS-DYNA의 ALE 기능을 사용해 오
고 있고 근간에는 ICFD + 구조를 연계하는 기범을 사용하
기도 한다.
그림 9 수중폭발 해석과 응답
기획특집기사
8 Computational Structural Engineering Vol. 29 No. 4❙2016
그림 10 슬러싱/슬래밍 해석
그림 11 총알 관통해석출처 : 8차 LS-DYNA international user meeting
“moving Beyond the finite elements, a comparison bet-
ween the finite element method and meshless
이 외에 국방 분야에서는 총알 및 미사일 관통문제 그리
고 Shape charge 문제에 LS-DYNA의 활용도를 높이고 있는
추세이다.
용접분야에서는 전자기장 또는 폭약에 의한 폭발용접 시
뮬레이션에도 LS-DYNA를 사용하고 있다.
그림 12 전자기장에 의한 레일건 해석