DEM(Discrete Element Method)은 과립형 재료와 불연속 벌크 재료의 거동을 시뮬레이션하는 계산 모델링 기법이다. 벌크 재료를 시뮬레이션하는 일은 쉽지 않다. 여러 입자와 이산 요소가 서로 상호작용하고, 주변 구조물이나 유체와도 함께 작용하기 때문이다. 벌크 재료가 독립적으로 존재하지 않으며, 고체 구조물과 상호작용하거나 주변 유체 안에 포함되는 경우가 많다.
이런 관점에서 DEM은 전통적인 CFD(Computational Fluid Dynamics)와 FEA(Finite Element Analysis)를 확장하는 해석 방법이다. 과립 흐름은 고체와 같은 거동을 보일 수도 있고, 유체와 같은 거동을 보일 수도 있다. 때로는 두 특성이 함께 나타난다. 따라서 입자 거동 시뮬레이션에서는 단순한 유동 해석이나 구조 해석만으로는 충분하지 않다.
Ansys Rocky가 필요한 이유
ESSS와 Ansys는 여러 산업 응용 분야에서 입자 이동을 빠르게 분석하고 평가할 수 있는 개선된 DEM 워크플로를 제공하기 위해 협력한다. 이러한 벌크 운동과 유체·구조물 상호작용을 정확하고 효율적으로 시뮬레이션하기 위해 Ansys는 Ansys Rocky를 소개한다.
Ansys Rocky는 Multi-GPU 기능과 비구형 입자 형상 시뮬레이션을 기반으로 속도와 정확도를 제공한다. 사탕부터 진공청소기까지, 산업 제품의 약 70%가 벌크 과립 재료 흐름을 경험한다.
이러한 제품에서는 서로 다른 크기와 복잡한 형상을 가진 입자들이 상호작용하며, 제품 효율이나 구조적 무결성에 영향을 줄 수 있다.
즉, Ansys Rocky 입자 거동 시뮬레이션은 단순히 입자가 움직이는 모습을 보는 도구가 아니다. 입자의 크기, 형상, 충돌, 접촉, 파손, 접착, 유체 상호작용, 구조 하중 전달까지 함께 평가하는 해석 환경이다.
Ansys Rocky의 주요 기능
복잡한 벌크 재료 설계 문제를 정확하고 효율적으로 해결하려면 DEM 솔루션이 필요하다.
Ansys Rocky는 다음 기능을 제공한다.
| 기능 | 설명 |
|---|---|
| Multi-GPU processing | 대규모 입자 해석을 빠르게 수행하기 위한 병렬 처리 기능 |
| Complex particle shapes | 유연 섬유, 셸을 포함한 복잡한 입자 형상 지원 |
| Accurate particle physics | 입자 충돌, 접촉, 파손 등 실제 물리 현상 반영 |
| Integrated multibody dynamics | 입자와 움직이는 기계 부품의 상호작용 해석 |
| CFD·FEA 연동 | Ansys Fluent, Ansys Mechanical과 연동해 유체·구조 결합 해석 수행 |
| Customization and automation APIs | 자동화와 맞춤형 해석 환경 구성을 위한 API 제공 |
이 기능들은 벌크 재료가 제품 내부에서 이동하거나, 장비 표면과 충돌하거나, 유체와 함께 흐르거나, 구조물에 시간 변화 하중을 전달하는 상황에서 중요하다.
DEM 프로세스가 작동하는 방식
Ansys Rocky는 mesh-free method이다. 즉, 입자 영역을 고정된 격자로 나누는 방식이 아니라, 각 입자 또는 요소에 대해 운동을 계산한다. Rocky는 각 입자에 대해 Newton의 제2법칙을 풀어 입자 운동을 계산한다. 고충실도 시뮬레이션을 확보하기 위해 가장 중요한 것은 각 입자에 작용하는 관련 힘을 모두 고려하는 것이다.
DEM 알고리즘의 기본 흐름은 입자 위치와 속도, 외력, 접촉 여부, 접촉력, 운동 방정식 계산을 반복하는 방식으로 이해할 수 있다. 입자가 해석 범위 안에 있는 동안 이 계산은 계속 반복된다. 이 과정을 통해 입자가 장비 내부에서 어떻게 이동하고, 서로 어떻게 충돌하며, 구조물 표면에 어떤 하중을 전달하는지 추적할 수 있다.
접촉 검출과 입자 형상이 중요한 이유
DEM 구현의 핵심은 시뮬레이션 안의 모든 입자에 작용하는 힘을 정확하게 계산하는 것이다. 이를 위해서는 견고하고 정확한 contact detection algorithm이 필요하다. 접촉 검출은 입자끼리 충돌하는 순간과 입자가 벽면, 블레이드, 컨베이어, 용기 같은 구조물과 접촉하는 순간을 판단하는 과정이다.
접촉 검출의 정확도는 입자 형상 처리 방식과 직접 연결된다. 표준 DEM 코드는 보통 glued sphere approach를 사용한다. 이는 여러 개의 구형 입자를 붙여 복잡한 입자 형상을 근사하는 방식이다. 반면 Rocky는 polyhedral shape를 사용한다. 이 방식은 날카로운 모서리와 에지를 포함한 실제 입자 형상을 더 정확하게 표현할 수 있다.
Polyhedral shape 접근은 다음 장점을 가진다.
| 장점 | 의미 |
|---|---|
| 정확한 형상 표현 | 날카로운 모서리와 에지가 있는 입자를 더 현실적으로 표현한다. |
| 실제 입자 상호작용 | 실제 입자 형상을 기반으로 입자-입자 접촉을 계산한다. |
| 파손 모델링 지원 | 입자 표면 충돌 위치와 내부 응력에 따라 파손 거동을 분석할 수 있다. |
이 차이는 단순해 보이지만, 실제 산업 해석에서는 중요하다. 입자의 형상이 바뀌면 흐름성, 쌓임 각도, 막힘 가능성, 충돌력, 마모, 파손 가능성이 모두 달라질 수 있기 때문이다.
Ansys Rocky의 고급 모델링 기능
입자 수준의 물리 현상을 정확하게 설명하고 예측하려면 다양한 모델링 기능이 필요하다. Ansys Rocky는 산업 응용에 필요한 여러 고급 모델을 제공한다. Rocky가 더 정확한 해석 결과를 얻기 위한 선도적인 모델을 제공하고 있다.
Multiphysics Modeling: CFD-DEM과 FEA-DEM 연동
Rocky는 Ansys Workbench 환경에 통합되어 있다. 또한 Ansys Fluent 및 Ansys Mechanical과 연동되어 CFD-DEM 및 FEA-DEM 시뮬레이션을 수행할 수 있다.
CFD-DEM은 유체와 입자 흐름의 상호작용을 함께 해석하는 방식이다. CFD-DEM 시뮬레이션에 one-way coupling과 two-way coupling 두 가지 방식이 있다.
One-way coupling은 유체장이 입자 흐름에 영향을 주지만, 입자는 유체 흐름에 영향을 주지 않는 방식이다. Two-way coupling은 유체가 입자의 운동에 영향을 주고, 입자도 다시 유체의 운동에 영향을 주는 방식이다.
FEA-DEM에서는 Rocky의 형상 하중이 Ansys Mechanical로 전달된다. 이를 통해 구조 응력을 평가할 수 있다. Mechanical과 Rocky를 결합하면, 움직이는 부품과 경계 요소에 작용하는 시간 변화 하중을 포함한 transient case를 시뮬레이션할 수 있다.
Complex Particle Shapes: 실제 입자 형상과 크기 반영
Ansys Rocky는 실제 입자 형상과 크기를 가진 시스템을 시뮬레이션할 수 있다. 원형 입자뿐 아니라 실제 비원형 입자도 지정할 수 있다. 사용자는 입자 형상, 크기, 유연성, 접착 특성 조합을 섞어 고유한 입자 세트를 만들 수 있다.
Rocky의 기본 형상을 사용할 수도 있고, 사용자 정의 형상을 직접 가져올 수도 있다. 이때 섬유와 셸도 포함할 수 있으며, 강체 형태와 유연 형태를 모두 다룰 수 있다. 이러한 기능은 식품, 제약, 배터리 소재, 농업, 광물, 화학, 복합재 등 다양한 입자 기반 공정에서 중요하다.
예를 들어 분말이 호퍼에서 배출되는 과정, 섬유가 혼합되는 과정, 복합재 충전재가 흐르는 과정, 다양한 형상의 입자가 회전 장비 안에서 섞이는 과정은 모두 입자 형상에 크게 영향을 받는다. Rocky는 이러한 형상 차이를 해석에 반영할 수 있다.
Breakage: 입자 파손과 균열 전파 모델링
입자 해석에서 파손은 중요한 현상이다. 입자는 충돌 위치, 충돌 속도, 입자 내부 응력, 형상에 따라 서로 다른 방식으로 깨질 수 있다.
Ansys Rocky의 discrete breakage model은 복잡한 입자 형상에서 질량과 부피를 보존하면서 파손을 계산한다. 또한 입자 표면의 충돌 위치와 그에 따른 내부 응력을 함께 고려한다.
이 접근은 형상 의존적인 파손과 균열 전파를 포착하는 데 도움을 준다. 즉, 단순히 “입자가 작아진다”는 수준이 아니라, 실제 입자 형상과 충돌 조건에 따라 파손 패턴이 달라지는 현상을 반영할 수 있다.
파손 모델링은 광물 분쇄, 제약 정제, 배터리 분말, 식품 입자, 건설 자재, 농업 재료처럼 입자의 크기 분포와 파손율이 제품 품질에 영향을 주는 공정에서 특히 중요하다.
Adhesion: 건식·습식 벌크 재료의 접착 거동
Rocky는 건식 벌크 재료와 습식 벌크 재료를 모두 다룰 수 있다. 습식 재료는 응집과 접착이라는 추가 복잡성을 가진다.
Rocky가 adhesive force를 응력의 함수로 모델링하고, 이를 접촉력과 함께 스케일링해 접착 거동을 포착한다고 설명한다.
Rocky는 여러 접착력 모델을 제공한다. 이는 서로 다른 응용 분야에서 습식 벌크 재료가 경험하는 다양한 접착 상황을 재현하기 위한 것이다.
예를 들어 젖은 분말이 벽면에 달라붙거나, 입자끼리 뭉치거나, 특정 수분 조건에서 흐름성이 급격히 낮아지는 현상을 분석할 수 있다.
접착 모델링은 식품, 제약, 화학, 광물 처리, 세라믹, 농업 재료처럼 수분과 표면 특성이 공정 성능에 영향을 주는 산업에서 활용도가 높다.
Flexible Fibers: 유연 섬유 거동 시뮬레이션
Rocky는 유연 섬유도 시뮬레이션할 수 있다. 정렬된 sphero-cylinder를 가상 bond로 연결해 유연 섬유를 모델링하고 있. 이 bond는 탄성 및 점성 특성을 가진다.
서로 연결된 요소 사이의 상대 변위는 bond의 선형 변형과 각변형을 만들 수 있으며, 이를 통해 섬유 재료의 굽힘과 휨 거동을 표현한다.
이 기능은 섬유, 필라멘트, 복합재 보강재, 종이·펄프 재료, 케이블형 입자, 길쭉한 입자 흐름처럼 일반 구형 입자로 표현하기 어려운 재료를 다룰 때 중요하다.
유연 섬유는 단순 입자보다 더 복잡한 상호작용을 보인다. 엉킴, 굽힘, 정렬, 유동 방향성, 벽면 접촉 등이 공정 결과에 영향을 준다. Rocky의 유연 섬유 모델은 이러한 현상을 입자 수준에서 평가하는 데 활용할 수 있다.
결론
Ansys Rocky는 벌크 재료와 입자 거동을 시뮬레이션하기 위한 DEM 기반 해석 도구이다. 과립형 재료는 구조물과 충돌하고, 유체 안에서 이동하며, 서로 접촉·파손·접착하고, 때로는 고체와 유체의 성질을 동시에 보인다.
이 때문에 입자 기반 공정을 정확히 예측하려면 입자 하나하나에 작용하는 힘과 접촉 조건을 계산할 수 있는 DEM 접근이 필요하다.
Rocky는 Multi-GPU 처리, 비구형 입자 형상, polyhedral shape, 파손 모델, 접착 모델, 유연 섬유 모델링을 지원한다.
또한 Ansys Fluent와 연결한 CFD-DEM, Ansys Mechanical과 연결한 FEA-DEM을 통해 유체와 구조물까지 포함한 다물리 시뮬레이션을 수행할 수 있다.
결국 Ansys Rocky 입자 거동 시뮬레이션은 단순한 입자 이동 해석을 넘어, 제품 효율, 구조적 무결성, 공정 안정성, 입자 파손, 습식 재료 흐름, 섬유 거동까지 평가하는 엔지니어링 해석 방법이다.
출처 : Ansys Simulate Particle Behavior With Ansys Rocky
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