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

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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

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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

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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