LS-DYNA의 강점 중 하나는 Explicit Solver와 Implicit Solver를 하나의 환경에서 모두 지원한다는 점입니다.
해석 대상의 시간 스케일과 물리적 특성에 따라 적합한 Solver를 선택할 수 있어 충돌·폭발 같은 고속 동적 문제부터 정적 구조 및 장기 하중 문제까지 폭넓게 대응할 수 있습니다.
이번 글에서는 LS-DYNA의 Explicit과 Implicit 해석 방식이 어떻게 다른지, 각각 어떤 문제에 적합한지, 그리고 실제 Solver 선택 시 무엇을 기준으로 판단해야 하는지 정리해보겠습니다.
1. Explicit 해석이란?
Explicit 해석은 매우 짧은 시간 동안 발생하는 현상을 작은 시간 간격으로 나누어 순차적으로 계산하는 방식입니다.
별도의 반복 수렴 과정 없이 다음 시간 단계의 상태를 직접 계산하기 때문에 복잡한 접촉이나 강한 비선형성이 발생하는 문제에 특히 유리합니다.
대표적인 적용 분야는 차량 충돌, 폭발 및 관통, 낙하 충격, 고속 성형입니다. 이러한 문제는 짧은 순간에 큰 변형이나 접촉, 재료 파손이 발생하기 때문에 Explicit 방식이 효과적입니다.
다만 안정적인 계산을 위해 매우 작은 시간 간격을 사용해야 하므로 전체 해석 시간이 길어질 수 있습니다.
따라서 Explicit Solver는 단순히 “빠른 해석 방식”이라기보다 짧은 시간 스케일의 복잡한 동적 문제에 적합한 방식으로 이해하는 것이 좋습니다.
2. Implicit 해석이란?
Implicit 해석은 각 시간 단계에서 시스템 방정식을 구성하고 반복 계산을 통해 해를 구하는 방식입니다.
Newton-Raphson과 같은 반복 기법을 사용해 수렴점을 찾으며, Explicit보다 상대적으로 큰 시간 간격을 사용할 수 있습니다.
이 때문에 정적 구조 해석, 준정적 문제, 저속 변형, 크리프·완화, 내진 해석, 장기 거동 분석처럼 시간 변화가 상대적으로 느리고 안정적인 계산이 중요한 문제에 적합합니다.
반면 접촉 조건이나 비선형성이 매우 강하면 반복 계산 과정에서 수렴 문제가 발생할 수 있기 때문에 해석 모델과 조건 설정이 중요합니다.
3. Explicit vs Implicit 비교
두 방식의 가장 큰 차이는 시간 스케일과 계산 방식입니다.
| 구분 | Explicit | Implicit |
| 시간 스케일 | 매우 짧음 (μs~ms) | 길음 (s~h) |
| 안정성 | 조건부 안정 | 무조건 안정 |
| 계산 방식 | 직접 적분 | 방정식 반복 풀이 |
| 강점 | 충돌, 폭발, 낙하 | 정적, 장기 하중 |
| 주요 산업 | 자동차, 방산, 전자 낙하 | 토목, 건축, 장기 구조 해석 |
Explicit은 복잡한 접촉과 큰 변형이 발생하는 문제에서 강점을 보이고, Implicit은 장시간에 걸쳐 안정적으로 구조 상태를 계산해야 하는 문제에 유리합니다.
따라서 어떤 방식이 절대적으로 우수하다기보다 해석 대상에 맞는 Solver를 선택하는 것이 핵심입니다.
LS-DYNA가 Explicit과 Implicit을 모두 지원하는 이유
LS-DYNA는 하나의 Solver 환경에서 Explicit과 Implicit 방식을 모두 지원합니다. 이 점은 하나의 모델을 기반으로 서로 다른 물리적 문제를 연속적으로 분석할 때 큰 장점이 됩니다.
예를 들어 자동차 개발에서는 차량 충돌을 Explicit 방식으로 해석한 뒤, 동일 모델을 활용해 진동이나 구조 응답을 Implicit 방식으로 분석할 수 있습니다.
성형 해석에서도 마찬가지입니다. 고속 스탬핑이나 성형 과정은 Explicit으로 계산하고, 이후 발생하는 스프링백과 잔류 변형은 Implicit으로 평가할 수 있습니다.
이처럼 하나의 해석 모델을 여러 분석 단계에서 재사용할 수 있다는 점은 모델 변환과 데이터 이전에 필요한 작업을 줄이고 해석 프로세스의 연속성을 높이는 데 도움이 됩니다.
Explicit Solver는 언제 선택해야 할까?
다음과 같은 문제라면 Explicit Solver를 우선적으로 검토할 수 있습니다.
- 차량이나 구조물의 충돌
- 폭발 및 관통
- 제품 낙하 시험
- 고속 성형
- 복잡한 접촉 문제
- 재료나 요소의 파괴가 발생하는 문제
- 매우 짧은 시간 동안 큰 변형이 일어나는 문제
특히 접촉 상태가 계속 변하거나 구조물이 크게 변형되는 해석에서는 Explicit 방식의 장점이 더욱 커집니다.
Implicit Solver는 언제 선택해야 할까?
반대로 다음 문제에는 Implicit Solver가 적합합니다.
- 구조물의 정적 하중
- 준정적 변형
- 장기 하중에 따른 거동
- 크리프 및 완화
- 저속 성형
- 내진 및 구조 응답 분석
- 충분히 긴 시간 동안 안정적인 상태 변화를 분석하는 문제
이러한 문제에서는 매우 작은 시간 간격을 사용하는 것보다 큰 시간 간격에서 반복 계산을 수행하는 Implicit 방식이 효율적일 수 있습니다.
Explicit과 Implicit을 함께 사용할 수도 있을까?
가능합니다.
LS-DYNA의 중요한 장점은 두 Solver를 개별적으로 사용하는 데 그치지 않고 하나의 해석 과정에서 연계할 수 있다는 점입니다.
대표적인 사례가 성형 해석입니다.
먼저 Explicit Solver를 사용해 빠르게 진행되는 성형 과정을 계산한 다음, 성형이 끝난 모델을 Implicit Solver로 전환해 스프링백과 잔류 변형을 분석할 수 있습니다.
이러한 방식은 실제 제품 개발 과정처럼 서로 다른 시간 스케일과 물리 현상이 연속적으로 발생하는 문제에서 특히 유용합니다.
LS-DYNA Solver 선택에서 가장 중요한 기준
Explicit과 Implicit 중 무엇을 선택할지는 단순히 해석 종류만으로 결정해서는 안 됩니다.
먼저 문제가 얼마나 빠르게 발생하는지, 접촉과 비선형성이 얼마나 강한지, 장기적인 평형 상태를 확인해야 하는지 등을 고려해야 합니다.
짧은 시간에 강한 충격과 큰 변형이 발생한다면 Explicit이 유리하고, 상대적으로 긴 시간 동안 안정적인 구조 응답을 계산한다면 Implicit이 적합합니다.
두 특성이 모두 포함된 문제라면 LS-DYNA에서 Explicit과 Implicit을 단계적으로 연계하는 방법도 고려할 수 있습니다.
마무리
LS-DYNA의 Explicit과 Implicit Solver는 서로 경쟁하는 해석 방식이 아니라 각기 다른 물리적 문제를 해결하기 위한 방법입니다.
Explicit은 충돌·폭발·낙하처럼 빠르고 비선형성이 강한 현상에 강점을 가지며, Implicit은 정적 구조·준정적 문제·장기 거동과 같이 안정적인 계산이 중요한 해석에 적합합니다.
LS-DYNA는 두 방식을 하나의 Solver 환경에서 지원하기 때문에 해석 목적에 맞는 방법을 선택하거나 서로 연계해 사용할 수 있습니다.
실제 프로젝트에서는 시간 스케일, 접촉 조건, 비선형성, 계산 비용과 해석 목적을 함께 고려해 Solver를 선택하는 것이 중요합니다.
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