유한요소해석 및 오픈소스 FEM

유한요소해석은 정확한 이론 해를 구하기 어려운 문제에 대하여 수치적인 근사해법을 이용하여 문제를 해결하는 방법을 의미하며 가장 널리 쓰이는 구조해석 용도 뿐만 아니라 열전달, 유체역학, 전자기학 용도로까지 널리 활용되고 있습니다.

1970년대 정도부터 유한요소법 사용 코드가 아주 많이 개발되어 여러 차례 업그레이드를 거쳐, 현재 산업과 학계에서 폭넓게 이용되고 있으며 대표적인 상용 코드로 MARC/NASTRAN, ADINA, ABAQUS 등이 있습니다.

이러한 상용 툴의 정확도 및 사용자 편의성은 매우 높아서, FEM에 대한 전문적인 지식이 부족하더라도 양질의 해석이 가능하나, 사용 가격이 매우 높아서 작게는 수천, 많게는 수억에 달하는 프로그램 사용료를 지불해야 되는 단점이 있습니다.

몰론, ABAQUS, ANSYS같은 경우에는 어둠의 경로로 쉽게 crack 버전을 구할 수 있는데, 로그 기록이 남으므로 함부로 크랙 버젼 쓰다가 잘못 걸리면 엄청난 벌금을 내야될 수 있습니다.

(특히나, 기업체에서 이윤을 목적으로 쓰다가 잘못 걸리면, 아주 큰 낭패를 보실 수 있으므로, 반드시 정품을...)

이러한 상용 코드의 심각한 비용 소모를 극복할 수 있는 방법으로 Open Source FEM 코드를 이용하는 방법이 있습니다.

오픈 소스 및 오픈 소스 라이센스에 관한 내용은, 아래 포스팅에서 확인하실 수 있습니다.

2019/05/05 - [대학원 생활 이모저모] - 오픈소스 라이센스 오픈소스 사용권에 대해서 알아보자

FEM 프로그램의 종류에 대해서는 아래 웹사이트를 참조하시면 좋을 것 같습니다. (상용 프로그램에서부터 오픈소스까지 자세하게 나와있습니다)

https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_finite_element_software_packages

공개된 오픈 소스의 소스 코드를 활용해서 프로그램을 개발해서 상업 목적으로 판매할 것이 아니라면, 그 자체 프로그램을 활용하는 것은 아무 문제가 없으므로, 해석 결과의 신뢰성만 어느정도 보장된다면 굳이 엄청 비싼 상용 프로그램들을 구매하지 않아도 됩니다.

그런데,,, 당연한 것이지만, 공짜인만큼.. 불편한 점이 많습니다.

유한요소해석을 위한 개발된 다양한 Open Source FEM 코드들을 살펴보기 전에 일반적인 구조해석의 유한요소해석이 이루어지는 과정을 살펴보면 다음과 같습니다.

ABAQUS, ANSYS, ADINA와 같은 상용 코드 프로그램은 CAD modeling부터 자동요소망(mesh) 생성, 요소 선택 및 경계, 하중 조건 입력 및 해석과 결과 분석까지 유한요소에 필요한 모든 기능(전처리 작업, 해석, 후처리 작업)들을 통합적으로 제공합니다.

일반적인 Open source FEM 코드는 전처리기(Pre-processor), 솔버(Solver), 후처리기(Post-processor) 모듈이 따로 구성되어, 해당 오픈소스 코드에서 요구하는 포맷에 맞는 data를 불러와서 필요한 기능을 수행하도록 설계되어 있습니다.

FEM open source code 중 GPL, LPGL, BSD license를 따르는 Open source code 중 solver를 중심적으로 조사하여 활용되고 있는 4가지에 대해서 간략하게 소개해 드리겠습니다.

( 4가지의 후보군을 선정하였으며 Solver 모듈을 제공하지 않는 open source code는 조사 대상에서 제외하였습니다)

1) Z88 AURORA(www.z88.de)

-Z88 AURORA는 2009년부터 배포되었으며 FEM open source 코드인 Z88의 확장판이며 Z88은 GNU-GPL license를 갖는 open source FEM임

-Z88은 1986년 Frank Rieg 교수에 의하여 개발되었으며, 현재 Bayreuth 대학교의 Rieg 교수 연구진에 의하여 추가적인 연구개발이 진행되고 있고 Z88 AURORA는 Z88의 14번째 버전이며, Windows 32비트, 64비트 및 Linux 64비트, Mac OS X의 플랫폼에서 지원되며 Solver 뿐만 아니라 GUI 기반의 전처리기, 후처리기 모듈까지 지원됨

-Z88 AURORA는 정하중 해석을 위해 개발된 FEM open source code이며 선형 및 비선형 정하중 해석이 가능하며 그 외에도 진동해석 및 열 해석 등이 가능함

2) Calculix(www.calculix.de)

-Calculix는 Guido Dhondt과 Klaus Wittig에 의해 개발된 GNU GPL license 기반의 FEM open source code임

-Calculix는 전처리 및 후처리 기능을 지원하는 CGX와 솔버 기능을 지원하는 Calculix 모듈 2가지로 구성이 되어있고 Windows와 Linux 기반 플랫폼에서 지원이 되며, Calculix에서는 정하중 해석 이외에 비선형 해석 및, 진동, 동역학 해석, 좌굴 해석 및 열해석이 가능함

-특이점은 ABAQUS 기반의 input 파일과 부분적으로 호환되는 input 파일을 Solver에서 사용하며 전처리기인 CGX에서는 ABAQUS, ANSYS, Nastran 등에서 호환 가능한 Input 파일을 생성할 수 있음

 

 

3) ELMER(https://www.csc.fi/web/elmer)

-Elmer는 1995년부터 핀란드의 연구기관, 대학, 산업체의 협력기관인 CSC에 의해 개발된 GNU GPL license 기반의 다중 물리 해석 Open source code임

-Windows, Linux, Mac OS X 플랫폼에서 지원가능하며 Elmer는 애초에 CFD 해석을 위해 개발되었지만 구조해석, 유체해석, 열해석과 소음해석을 위한 물리 모델을 모두 포함함

-Elmer는 해석을 수행하는 ElmerSolver, 다른 소프트웨어로부터 요소망을 가져오고 물리모델과 경계조건을 설정하는 ElmerFront, 후처리 기능을 가진 ElmerPost, 유한요소망을 만드는 ElmerGrid로 구성되어 있음

 

4) Code Aster(www.code-aster.org)

-Code_Aster는 프랑스 회사인 EDF에서 자체 개발된 GNU GPL licence 기반의 FEM open source Code임

-Linux 기반 플랫폼에서 지원이 되며, 현재 12.6 버젼까지 개발되었고 선형과 비선형의 정역학, 동역학 해석과 피로(fatigue), 손상(damage), 파괴(fracture), 접촉(contact), 토질(geomaterials), 다공성 매체(porous media) 등을 해석할 수 있으며, Code_Saturne, SYRTHES와 연결하여 다중 물리 연성 해석 수행이 가능함

-Code Aster는 Solver 모듈만 지원 가능하기 때문에 일반적으로 SALOME라는 open source code를 이용하여 전처리 및 후처리 기능을 수행하여 전체 해석이 이루어짐