Ansys LS-DYNA의 역사 : The History of Ansys LS-DYNA

“역사를 잊은 민족에게 미래는 없다.” 라는 유명한 말이 있습니다. 이 글을 읽고 있는 대부분의 사람들은 아마도 이과생이며, 역사를 그다지 좋아하지 않을 수 있습니다. 그러나 이 말은 들어 본 적 있을 것이고, 또한 무슨 의미인지도 알 것입니다. 이번 블로그에서는 Ansys LS-DYNA의 역사에 대해 다뤄보겠습니다.

Ansys LS-DYNA는 개발 초기부터 One-Code Solver를 추구하여, 실행파일 1개로 해석을 진행하도록 개발되었습니다.

이런 개발 concept은 현재까지도 이어지고 있으며, 이에 따라 One code Multi physics라는 개념으로 하나의 input으로 하나의 solver를 이용하여 한 번의 계산으로 다양한 물리 현상을 구현할 수 있습니다.

이와 같이 Ansys LS-DYNA의 역사를 알게 되면 프로그램의 방향과 목적 및 개발자가 중점을 둔 것이 어떤 것인지 알 수 있을 것이고, 따라서 Ansys LS-DYNA를 잘 사용하는데 도움이 될 것이라고 생각됩니다.

영상1. Center for collision safety

Ansys LS-DYNA의 시작

Ansys LS-DYNA는 1976년 LLNL (Lawrence Livermore National Laboratory : 로렌스 리버모어 국립 연구소)에서 John O. Hallquist 박사에 의해 개발되었습니다.

처음부터 LS-DYNA의 명칭을 사용하지 않았습니다. 시작은 DYNA3D라는 이름으로 시작되었습니다.

개발자인 John O. Hallquist는 1970년 Michigan Technological University에서 석사(1971년), 박사(1974년)학위를 수여하고, LLNL에 들어가 핵무기 개발 프로젝트에 참여했습니다.

당시는 냉전 중으로 (구)소련과 미국이 서로 강력한 무기를 개발하는데 열을 올리고 있었으며, FUFO bomb (FUll Fuzing Option : 저고도 방출 핵폭탄)을 개발하면서 충격 해석을 위한 시뮬레이션 프로그램이 필요 하였습니다.

당시 존재했던 2D해석 프로그램으로는 이런 현상을 구현할 수 없었으며, 3D 해석 프로그램이 필요한 상황에서 John O. Hallquist 박사에 의해 개발이 시작되었습니다. 결국 FUFO 폭탄 개발이 취소되었지만 DYNA3D의 개발은 계속되었습니다.

비선형 동적 거동을 계산하기 위해 Explicit time integration 방식을 이용하였으며, 다양한 유형의 충격을 받는 구조물의 변형과 응력을 분석할 수 있었습니다.

개발 초기에는 컴퓨터의 성능과 자원이 부족했기 때문에 모델이 매우 단순하고, 계산시간도 오래 걸렸습니다.

이를 해결하기 위해 2D 버전도 함께 개발되었습니다.

슈퍼컴퓨터의 등장과 DYNA3D

이런 컴퓨터 성능의 제한이 있던 시기에 CRAY-1이라는 슈퍼컴퓨터가 등장하였습니다.

이에 따라 1979년에 슈퍼컴퓨터에서 최적의 성능을 낼 수 있는 새로운 버전의 DYNA3D를 출시하였습니다.

1979년 슈퍼컴퓨터가 등장하면서 계산 성능이 높아짐에 따라 다양한 contact 기능 및 element formulation이 추가 되었으며, 폭발물을 포함한 재료와 EOS (Equation-of-State :상태방정식) 라이브러리가 추가 되었습니다.

1879년부터 본격적으로 슈퍼컴퓨터를 활용한 DYNA3D가 사용되면서 세계 각국에서 관심을 보이기 시작합니다. 영국 런던의 롤스로이스 제트엔진을 만드는 BCS에서 DYNA3D를 사용하기 시작합니다.

1982년에는 일본과 유럽에서 세미나를 개최하였으며, 각국의 여러 업체로부터 DYNA3D 사용을 문의하기 시작합니다. 이로서 LLNL에서 개발되어 내부에서만 시뮬레이션을 수행하던 DYNA3D가 상용화 되어 일반 기업에도 사용할 수 있게 되었습니다.

1984년에 David J Benson이 개발자로 참여하여 John O. Hallquist와 함께 개발하면서 DYNA 3D는 비약적으로 발전하게 됩니다. 1986년 발표된 버전에는 Beam 요소, Shell 요소, RIGID, Single Surface Contact, 마찰, Spring & Damper 등 다양한 기능이 추가되었으며, 특히 이 시기에 Single Surface Contact 알고리즘을 가진 최초의 해석 프로그램이 되었습니다.

1987년에 RIGID를 활용한 금속 성형 시뮬레이션기능이 추가되었습니다.

LSTC와 LS-DYNA

1988년 말에 Hallquist는 LSTC (Livermore Software Technology Corporation)을 설립하고, 프로그램 개발에 더욱 중점을 두게 되었습니다. 이때 프로그램 명도 DYNA3D에서 LS-DYNA3D(이후 LS-DYNA로 변경)로 변경하였습니다.

DYNA3D에 대한 릴리즈는 중단되었으며, LSTC는 범용 시뮬레이션 tool을 만들기 위해 LS-DYNA의 기능을 크게 확장했습니다.

1989년부터 자동차와 항공 산업이 급격하게 성장하면서 LSTC의 explicit software를 본격적 활용하게 됩니다.

이에 따라 LS-DYNA3D는 FEA분야에서 가장 진보된 code가 되었으며, 많은 고객을 확보하고 다양한 요구가 들어오기 시작합니다.

이런 고객의 요구에 충족하기 위해 Hallquist는 고객 기반의 개발을 시작하였으며, 개발자와 사용자가 직접 소통하며, 사용자의 요구와 필요한 기능을 반영하여 개발하였습니다.

또한, 업계에서 LS-DYNA3D를 이용하여 많은 성과가 나타나고 실제로 비용 절감 사례 알려지기 시작합니다.

그러면서 업계에서도 슈퍼컴퓨터를 구매하기 시작하고 점점 더 많은 업계와 사용자가 생기면서 LS-DYNA3D는 또 한 번 비약적인 발전을 하게 됩니다.

1999년 Ford에서 Mondeo 개발 시 5년간 150개 porotype 모델을 사용하는데 이 중 30%를 LS-DYNA3D를 이용한 시뮬레이션으로 진행하였으며, 이를 통해 년간 2백만 달러 이상의 비용을 절감한 사례가 대표적입니다.

자동차 충돌 모델 사이즈 트랜드

자동차 충돌 해석에 LS-DYNA3D가 활용되면서 충돌 모델에도 많은 발전과 변화가 생기게 됩니다.

초기에는 컴퓨터의 성능과 모델링 기법 등 여러가지 제약으로 정확한 시뮬레이션이 어려웠습니다. 그러나 점차 컴퓨터의 성능이 좋아짐에 따라 해석 모델도 더욱 세분화되고, 다양한 내부/외부 조건을 반영할 수 있게 되었습니다.

최근 자동차 충돌모델에서는 다양한 물리현상을 구현하는 multi-physics를 반영하여 실제와 유사한 결과를 얻을 수 있습니다.

그림5. Linear Static and Dynamic Finite Element Analysis

아래 내용은 그동안 LS-DYNA의 자동차 충돌 모델의 변화 과정을 확인할 수 있습니다.

1986년 : 초기 모델 3493개 요소
1990년 : 15,000 ~ 20,000개 요소
1995년 : 50,000 ~ 100,000개 요소
2000년 : 100,000 ~ 250,000개 요소
2005년 ~ : 1,000,000 ~ 1,5000,000 개 요소
Near Future : 10,000,000개 이상 요소

해석 모델이 복잡해지고, 표현할 수 있는 조건들이 많아지면서 요소의 수도 많아지고 계산 시간도 길어 지게 됩니다. 이에 따라 MPP solver를 이용한 Large Cluster 사용하게 됩니다.

모델에 적합한 Cluster과 core를 사용하면 효율적으로 해석을 진행할 수 있습니다.

아래의 예는 3개 차량이 충돌하는 해석 모델이며, 750,000개 요소가 사용된 모델에 대한 해석 시간 비교 내용입니다.

* AMD Dual Core Opteron 2.2GHz

No.	Node 수	Node 당 Processor 수	Processor당 Core 수	총 사용된 Core 수	계산 시간 (sec)
1	1	2	2	4	49,460
2	2	2	1	4	47,611
3	2	2	2	8	26,230
4	4	2	2	16	14,078
5	8	2	2	32	7,591
6	12	2	2	48	5,226
7	16	2	2	64	3,846
8	32	2	1	64	4,619
9	24	2	2	96	2,981
10	32	2	2	128	2,416
11	64	2	2	256	1,696