Ansys LS-DYNA의 스포츠 분야 활용 사례

Ansys LS-DYNA의 스포츠 분야 활용 사례

Ansys LS-DYNA는 Explicit dynamics code를 이용한 multi physics solver입니다.

즉, 다양한 물리적 현상을 실시간을 기반으로 동적거동을 구현할 수 있는 해석 프로그램이라고 할 수 있습니다.  

동적해석은 시간이 흘러가는 대로 해석도 동일한 시간대로 구현하는 것을 말하며, Transient Analysis라고도 합니다. 

또 다른 구조해석 방법으로 정적 평형상태를 찾아내는 정적해석 (Static Analysis)이 있습니다.

Ansys LS-DYNA는 실시간 동적 거동을 구현하므로, 충돌, 충격해석에 가장 많이 사용하고 있으며, 실제로 국내 및 해외에서 가장 많이 사용되는 분야가 자동차 충돌 해석입니다. 

뿐만 아니라 휴대폰 과 같은 휴대용 기기, 가전 제품 등의 낙하 충격해석 등 실시간을 기반으로 하는 동적 거동의 구현에 많이 사용하고 있습니다. 

 우리 주변을 살펴보면, 이와 같은 많은 분야에서 충돌, 충격과 같은 현상이 많이 일어납니다.

자동차 사고, 낙하물 사고와 같은 큰 이벤트 외에도 물체와 물체가 접촉하여 서로 영향을 주는 사례는 쉽게 찾아볼 수 있습니다.

이번 포스팅에서는 스포츠 분야에서 발생하는 충돌, 충격 사례와 이를 Ansys LS-DYNA로 구현한 내용에 대하여 살펴보도록 하겠습니다. 

 

Ansys LS-DYNA 와 미국 내셔널 풋볼리그(NFL) Helmet Challenge

미식축구라는 스포츠가 있습니다.

영국의 럭비가 미국으로 건너가면서 미국인의 취향에 맞게 변형된 스포츠로 미국에서 가장 인기있는 스포츠입니다.

 이런 미식 축구는 단체 구기종목 중 가장 몸싸움이 심하며, 상대와 강한 충돌이 있기 때문에 심각한 부상의 위험도 많은 위험한 스포츠입니다.

NFL 선수들의 머리 부상을 예방하기 위한 관심이 증가하였으며, NFL 조직에서 다양한 각도의 충격에서 선수의 머리를 보호할 수 있는 헬멧을 만들기 위해 “NFL Helmet Challenge”를 시작했습니다.

Ansys LS-DYNA를 이용하여 이 문제를 해결하기 위해 캐나다의 한 혁신 그룹에서 KOLLIDE를 결성합니다.

  

KOLLIDE는 95개의 패드와 3D프린팅 매트릭스 구조의 헬멧을 개발하기로 합니다.

이를 위해 KOLLIDE과 첨단 제조회사 Kupol, 산업디자인 회사 Tactix, 시뮬레이션 회사 Numalogics, 소프트웨어 회사 Shapeshift 3D와 함께 본격적인 NFL 헬멧 개발에 들어가게 됩니다.

NFL에서도 관련 충격테스트 방법과 장비, 헬멧의 4가지 오픈 소스의 유한요소 모델을 제공하였습니다.

  

Ansys LS-DYNA를 사용하여 다양한 시뮬레이션을 통해 시간과 비용을 절감하면서 다양한 프로토타입 모델을 검토하였습니다.

Ansys LS-DYNA의 Dynamic explicit solver를 이용하여 헬멧에 사용되는 복잡한 비선형 점탄성 재료의 특성과 다양한 충돌 속도와 각도 등의 외부 조건을 반영하여 해석을 진행합니다.  

최종 패드는 FDM (Fused Deposition Modeling)를 사용하여 만들었으며, Ansys LS-DYNA와 최적화 Tool인 LS-OPT를 이용하여 최적의 패드와 쉘의 강성을 찾아 낼 수 있었습니다.

아래 동영상은 Ansys LS-DYNA를 이용하여 “NFL Helmet Challenge”를 수행한 영상입니다.

Ansys LS-DYNA와 메이저리그 베이스볼(MLB) 야구 배트 시뮬레이션

우리나라에서 야구는 매우 인기 있는 스포츠입니다. 미국에서도 위에서 언급한 미식축구 다음으로 인기있는 스포츠가 메이저리그베이스볼(MLB) 입니다.  여기 MLB에서도 LS-DYNA를 이용한 사례가 있습니다.

야구는 투수가 던진 공을 타자가 배트를 이용하여 공을 타격하는 스포츠입니다.

이 경우 야구 배트에 강한 충격이 가해지고 경기중 배트가 부러지는 경우를 종종 볼 수 있습니다.

2008년 배트가 부러지는 비율이 증가했다는 인식이 리그와 팬들 사이에 이슈가 되기 시작하면서 MLB에서 목재 과학자와 배트성능 테스트 엔지니어를 구성하여 경기 중 배트가 부러지는 비율을 줄일 수 있는 방안을 조사하기 시작합니다.

배트 파손이 증가한 시점은 MLB 선수들이 기존 물푸레나무 배트에서 메이플(단풍나무) 배트를 선호하기 시작한 시점과 일치했습니다.

2001년 배리 본즈가 메이플 배트로 73개의 홈런을 치면서 단일 시즌 최다 홈런 기록을 세웁니다.

이후 메이플 배트는MLB 선수들이 가장 선호하는 나무가 되었습니다.

배트 파손율이 증가하면서 MLB는 배트의 새로운 기준을 정하기 위해 부러진 배트를 수거하여 분석하였습니다.

나무 배트 가장자리 결에 계속적인 충격을 받아서 부리지는 경향을 파악하였습니다.

MLB는 WBBS (Wooden Baseball Bat Specifications : 나무 야구 배트 사양)의 새로운 야구 배트의 기준을 만들었습니다.

단풍나무 배트는 표면 결에 충격을 받도록 하였으며, 사용되는 목재의 나무 결의 경사(SoG)가 ±3도 이내로 변경됩니다.

이런 기준을 정하기 위해 과학적인 근거가 필요 했으며, Ansys LS-DYNA를 이용한 시뮬레이션을 통해 진행하였습니다.

연구자 들은 배트 프로파일과 목재의 품질이 배트 내구성에 어떻게 영향을 미치는지 분석할 필요가 있습니다.  

유한요소 해석을 통해 배트에 가해지는 고속 충격의 영향과 다양한 충격 속도 범위에서 목재 야구 배트의 기계적 반응을 확인하고자 연구를 시작하였습니다.

배트의 유한요소 해석을 구현하는데 가장 큰 걸림돌이 재료특성을 구현하는 것이었습니다.

물푸레나무, 단풍나무, 자작 나무에 대한 재료 특성은 미국 농무부에서 제공하는 정적 시험의 탄성계수로 제한되어 있었습니다.

 이후 연구진들은 물푸레나무와 단풍나무의 충격 테스트를 통해 밀도, 탄성계수, 파단계수를 구하고, 배트와 공의 충돌 시 변형률과 유사한 변형 특성을 확인하였습니다.

이런 특성 값을 Ansys LS-DYNA의 물성 모델 *MAT_WOOD에 반영하였으며, 파단 특성은 *MAT_WROSION으로 구현하였습니다.

재료 파라미터의 신뢰성을 확보하고, 유한요소 모델링을 사용하여 배트 파손율을 줄이기 위한 목재 배트 사양을 제안하는데 과학적인 근거를 제시하였습니다. 

Ansys LS-DYNA를 이용한 유한요소 해석을 통해 SoG (나무결의 경사)가 높을수록, 목재 밀도가 높을수록 파단 에너지가 증가하였으며, 물푸레나무가 메이플 나무보다 목재 밀도에 덜 민감한 경향을 알 수 있었습니다.

  

여기서 나온 결과를 바탕으로 나무 배트의 기준을 정하였으며, 이에 따라 모든 NLB에서 사용되는 배트는 이 기준을 바탕으로 제작하게 됩니다.

Ansys LS-DYNA와 Bianchi의 올트레 RC 모델 개발

사이클링에서 가장 오래되고, 유명한 브랜드 중 하나가 이탈리아의 Bianchi 입니다.

Bianchi에서 올트레 RC 모델 개발시 Ansys LS-DYNA를 이용하여 자전거 충돌 시 프레임의 에너지 흡수를 분석하였고, 라이더의 하중을 분산시키고 충격을 흡수할 수 있는 안장 설계를 위해 Ansys LS-DYNA를 사용합니다. 

이를 통해 인체공학적이고 168g의 무게로 충분한 강성을 유지할 수 있는 안장을 설계할 수 있었습니다.

그 외 Ansys LS-DYNA 스포츠 활용 사례

위에서 살펴본 사례 외에 충돌이 적용된 사례는 상당히 많습니다. 

지면에 떨어진 럭비공이 어디로 튈지 예측할 수 있을까요? 아마도 Ansys LS-DYNA로는 예측이 가능 할 것입니다.

 농구공이 백보드를 맞고 링으로 들어가기 위한 공의 속도와 각도를 계산 할 수 있으면 쉽게 골을 넣을 수 있을 것 입니다.

야구 배트와 비슷한 경우로 골프를 생각 해 볼 수 있습니다. 

실제로 골프채를 만드는 제조사에서는 유한요소 해석을 통해 헤드 및 샤프트를 개발하고 있습니다.

 골프채의 강성 및 형상 뿐 아니라 무게중심, 고유진동수를 위해 수많은 해석을 진행 합니다.

동일한 속도로 골프공을 쳤을 때 헤드의 강성과 형상으로 골프공의 궤적과 거리가 달라지게 됩니다.  

충격 후 잔진동에 의한 반력이 사용자에게 전달되고 때로는 불쾌감을 주게 됩니다. MODAL 해석을 통한 고유진동 특성을 파악하여 개선할 수 있습니다.

이외에도 매우 다양한 분야에서 선수들의 경기력 향상을 위해 Ansys LS-DYNA를 사용하고 있습니다.

지금까지 스포츠 분야에서 발생하는 충돌, 충격 사례와 Ansys LS-DYNA를 활용 사례를 살펴보았습니다

Ansys LS-DYNA 활용한 Simulation 방법에 관한 문의 사항이 있으시면 아래 링크를 통해 문의 바랍니다.

(주)모아소프트는 엔지니어링 시뮬레이션(Simulation) 기반 국방&항공 무기체계 개발을 지원하는 전문기업으로 25년간 안전성&신뢰성을 보장하는 무기체계 SW&HW 개발·시험·평가와 가상개발검증 경험을 보유하고 있습니다.

25년간 쌓아온 경험과 기술, 구조, 유동, 전자기, 반도체, 시스템, 광학, 소프트웨어에 이르기 까지 광범위한 분야 최고의 엔지니어가 서울, 대전, 진주지사에서 시뮬레이션 기반 무기체계 개발을 위한 통합 솔루션을 제공합니다.