82∙C 2007/12

AUTODYN(오토다인)은비선형동역학문제를해석하기위해개발된동역학프

로그램(Hydro Code/Explicit Code)으로 변위/ 변형 문제, 고체-유체 간의 연

성문제, 접촉, 관통, 폭발, 충돌처럼 일반 유한요소해석 프로그램으로는 처리하기

어려운문제들을쉽고빠르게해결할수있는강력한해석솔루션이다. AUTODYN

은프로그램의효율을높이기위해2D와3D로분리되어있으며, 솔버를비롯한전/

후처리기가함께포함되어공급된다.

AUTODYN은 1985년에 설립된

미국의 CDI(Century Dynamics

Inc.)사에 의해 개발되었다. CDI는

미국과 국 및 네덜란드에 세 곳의

연구소를 두고 있으며 충격, 관통, 폭

발등의비선형이강한역학문제들을

주요 해석 상으로 연구를 수행하는

전문회사로, 다년간의 기술자문을 통

해서 축적된 기술력을 바탕으로

AUTODYN을비롯한다양한해석프로그램을개발하고있다.

1995년에 CDI는 앤시스(ANSYS)사에 합병되어, 현재의‘ANSYS AUTODYN’

이라는 이름을 갖게 되었다. 2007년 AUTODYN은 앤시스 제품군의 하나로 통합

되어앤시스R11부터는워크벤치(Workbench) 환경에통합되어사용되고있다.

AUTODYN의 장점

가상 실험 효과

AUTODYN은 수행된 시험에 한 검

증, 평가 및 분석도구로 사용될 수 있을

뿐만 아니라, 현실적으로 실험이 거의 불

가능한 현상들(음속을 초과하는 초고속

충돌/관통 현상 등)에 한 해석적 방법

을 제공함으로써, 비싼 실험 경비를 절감

하거나 혹은 완전히 체할 수 있는 가상

실험효과를제공한다.

높은 생산성

AUTODYN은현 적인사용자인터페이스, 메뉴방식의구조와 화식그래픽,

상세한온라인도움말등을채용하므로, 여타다른hydro code에비해월등히쉬운

사용환경을제공한다. 편리한사용환경은비선형해석기법자체에 한깊은지식

이없는사람들도쉽게자신의문제를정의∙해석할수있도록하며, AUTODYN에

서제공하는오픈아키텍처기능은프로그램에서제할수있도록한다.

폭넓은 적용 분야

AUTODYN에서는다양한솔버와절점탈락기능(erosion), 자동요소재생성기

능 등을 제공함으로써 여러 분야의 복잡하고 비선형 문제들을 쉽게 효과적으로 해

결할수있다.

ANSYS AUTODYN

비선형동역학해석을위한툴

■ 개발 : ANSYS, http://www.ansys.com

■ 주요 특징 : 충돌, 폭발, 변형 등의 비선형 동역학 해

석(Explicit), 솔버 연성 해석, 고체-구조 연성해석, 쉬운

사용법

■ 사용 환경 : 윈도우 XP(IA32, x64), 리눅스(레드햇, 수세)

■ 시스템 권장 사양 : 512MB 이상의 메모리, 1GB 이상의

하드디스크 공간

■ 공급 : 프리즘, 031-716-9488, http://www.prism21.co.kr

Software Review

▲ 초고속 경사 충돌의 실험(위)과 해석비교(아래)

▲ 27톤의 탄약이 보관된 벽돌구조 탄약고의 폭발 해석

AUTODYN의 주요특징

다중 솔버와 솔버 연성(Solver Coupling) 해석

AUTODYN의가장특징은기존의프로그램과달리해석 상이되

는하나의문제에여러가지솔버를선택적으로적용할수있다는점이

다. 예를 들어 고체와 유체가 함께 포함된 형태의 문제를 해결하고자

할 경우, 고체 부분에는 라그랑주 솔버(Lagrange solver)를, 기체, 유

체 그리고 변형을 갖는 고체 부위의 해석에는 오일러 솔버(Euler

solver)를사용하여해석을수행하는것으로, 이러한방법을사용하면

여러 가지의 물리 현상이 복합된 멀티피직스(Multi-physics) 문제를

쉽게해결할수있다.

현재 AUTODYN에서 제공하는 솔버로는 구조물과 같은 연속체의

해석에 적합한 라그랑주 솔버, 유체, 기체 등의 해석에 적합한 오일러

솔버(물론라그랑주솔버를유체, 기체등의문제에적용할수있으며,

고체로구성된문제를오일러솔버로해결할수도있다.), 요소의자동

재분할(rezoning) 기능을 제공하는 ALE(Arbitrary Lagrangian-

Eulerian) 솔버등이있다.

라그랑주 솔버의 특별한 종류로 얇은 형상의 구조물 해석에 유용한

쉘(shell) 솔버, 보 형상의 해석에 사용되는 빔(beam) 솔버가 있으며,

최근많은주목을받고있는SPH(Smooth Particle Hydrodynamics

: 입자완화유체동력학) 솔버도함께제공된다. SPH의경우라그랑주

의 특성을 갖으나 무요소(meshless) 기법을 사용하므로, 라그랑주 솔

버를사용할때발생하는요소의왜곡에따른요소재생성의부담을근

본적으로피할수있다.

SPH의경우계산시간이많이소요되는단점이있으나라그랑주솔

버와의연성기능을제공하여고정도의해를단시간에얻도록하고있

다. 또한위에언급된모든솔버들은모두함께사용할수있다.

또한오일러솔버의경우도정확한기체의거동을해석할수있는오

일러-FCT 솔버와 변형이나관통형상이발생하는구조물의해석에적

합한다물질오일러(Multi-Material Euler) 솔버를별도로제공한다.

물성 라이브러리 및 물성 모델

AUTODYN에서는 다양한 종류의 물성 라이브러리와 물성 모델을

제공하고 있으며, 사용자는 자신의 물성 라이브러리와 물성모델을 추

가로만들어이를저장, 참조, 수정할수있다. AUTODYN에서제공하

는 표준 물성 라이브러리에는 Element, Compounds, Alloy,

Synthetics, SESAME, Tillotson, HULL, Zerilli-Armstrong,

Puff, Steiberg-Guinian, Johnson-Cook, Lee-Tarvar 등이있다.

재료의거동을표현하는물성모델로는상태방정식, 강성모델, 파손

모델, Erosion 모델등의네가지형식을제공한다. 재료의상태방정식

으로는 잘 알려진 Linear, Polynomial, Shock, JWL, Ideal Gas,

Orthotropic, Porous, Mie-Gruneisen, Compaction, Ideal Gas,

Powder Burn, Two-phase liquid-vapor, P-alpha, Hyperelastic,

RHT Concrete, RIGID 등이 있으며, 강성모델로는 Hydrodynamic,

Elastic, Viscoelastic, Piecewise JC, Drucker-Prager, MO Granlar,

Johnason-Holmquist, RHT Concrete, Von Mises, Johnson-Cook,

Zerilli-Armstrong, Beam Resistance, Orthotropic Yield,

Crushable Foam, Hyperelastic 모델등을제공한다.

이들 부분의 강성모델은 열연화 향뿐만 아니라 변형률 또는 변

형률경화도함께고려한다. 파손모델에는주응력이나주변형률, 혹은

재료의 물성방향에 한 응력이나 변형률을 기준으로 모델의 파손을

결정할 수 있으며,(hydro tensile limit, bulk, strain, directional

failure 등과 같은 bulk failure criteria) 누적 손상모델(cumulative

damage model), Tsai/Hoffman/Hill, Johnson Cook, Grady

Spall, MO Granular, Orthotropic Softening과같은특별한형태의

파손모델도 포함된다. 만일 AUTODYN에서 제공하는 물성모델이 불

충분할 경우, 사용자는 자신의 물성모델을 정의하는 서브루틴을 직접

작성하여사용할수있다.

Automatic Rezoning

변형이 발생하는 문제에 라그랑주 프로세스를 적용할 경우, 계산

중왜곡되는요소의형상은중 한문제를유발하곤한다. 따라서이를

방지하기 위해서는 eroding 옵션을 사용하거나 왜곡된 요소를 다시

분할해야할필요가있는데, 부분의코드들은이럴경우해석을처음

부터다시하거나또는이단계에서해석을접어야하는경우도발생한

다. 그러나 AUTODYN에서 제공하는 ALE(Arbitrary Lagrange

Euler) 솔버를적용하면해석과정의일환으로사용자가지정한스텝마

다요소의형상을자동으로재생성한다.

ALE 솔버를 사용할 경우 모델의 특정 부분에 물질의 운동에 따라

요소가 함께 움직이도록 정의하면 그 부분의 요소는 요소가 자동으로

재성성되는 라그랑주 솔버를 사용하는 것처럼 해석되며, 특정 부분에

2007/12 C∙83

ANSYS AUTODYN

▲ 오일러-라그랑주 커플링 : 수중 폭발로 인한 수중, 공기, 구조물에의 폭발력 전달을 한번에 해석

▲ 원추형 폭약과 그 표면에 육면체 형상의 철제 파편이 모델링된 3D 탄두 형상과 폭발

요소는공간상에고정된채단지물질만이운동을한다고지정하면그

부분은오일러솔버를적용한것처럼거동한다.

자동으로요소를생성하는데에는등간격, 등포텐셜등의다양한알

고리즘을적용할수있으며, 필요한경우사용자가자신이작성한프로

그램을 사용하여 요소를 재생성할 수도 있다. ALE 프로세서는 특히

유체-구조물의연성문제에매우효과적이다.

Erosion 알고리즘

Erosion 알고리즘은라그랑주솔버를사용할경우발생되는요소의

왜곡을피하기위해사용되는하나의수치적방법으로, 요소의왜곡이

지정된 양보다 클 경우 왜곡을 일으킨 절점을 모델에서 탈락시킴으로

써계산이계속수행될수있도록한다.

Erosion 알고리즘은 어떠한 물성 모델과도 함께 사용할 수 있으며,

이를이용하면아주큰변형이나재료의관통등을갖는현상도라그랑

주 솔버를 사용하여 해석할 수 있다. 탈락된 절점은 모멘트를 유지한

하나의질점으로취급되어계산에계속사용될수도있으며, 그냥단순

히해석에서제외될수도있다. 모멘트를유지하도록한경우, 이질점

들은 갱신된 Impact-sliding face를 구성하는 모델과 2차 충돌을 일

으킬수있다.

Automatic Detonation Logic

AUTODYN에서는 다양한 종류의 폭약 모델을 제공하며, ‘wave

shaper’를 갖는 것과 같은 복잡한 형상의 폭약에 있어서도 그 폭발 순

서를자동으로계산하여준다. 또한, 폭약의에너지가임계에너지에도

달할때폭발이자동으로발생하는Lee-Tarvar 모델도함께제공한다.

Jetting option

AUTODYN은 shaped charge(성형작약) 설계를 위한 별도의 모듈

을제공한다. 강력한이모듈은수치적방법과해석적방법을혼합하여

사용하므로, 정확한해를단시간내에얻을수있도록한다.

AUTODYN의 주요적용분야

AUTODYN은 현재 매우 다양한 산업현장과 연구소, 교육 기관 등

에서사용되고있으며, 그예는다음과같다.

방위산업 분야

충격및관통, 운동/화학에너지탄두해석, 폭발과압력파에 한

향 평가, Shape charge 및 EFP 설계, 탄약고의 안전도 및 민감도 평

가, 장갑 및 장갑 효과 분석(관통자 해석) 등에 사용되고 있으며, 이

분야는AUTODYN이가장활발히사용되고있는분야이다.

항공우주 분야

AUTODYN은 우주항공기의 충돌현상, 폭발 분리 현상, 새와의 충

돌(Bird Strike), 우주부유물과의초고속도충돌, 가스동력학-구조의

연성 문제, 고속충돌 및 박리 현상, Hydraulic Ram 등의 문제해결에

사용되고있다.

플랜트, 토목 분야

AUTODYN은 석유/가스 시추, 정유 등의 자원관련 플랜트와 발파

를 사용하는 토목 분야에서 사용되고 있다. 주로 폭발 또는 발파에 의

한 피해 및 안정성 평가, 발파 진동 예측, 천공작업, Shape charge를

응용한절단장비, 플랜트의배치와통풍장치의최적화, 폭발압력파와

구조물의연성문제해결에사용되며, 최근에는테러에의한위기감이

고조되면서도시에서의테러나각종 형사고에의한 향평가에많

이사용되고있다.

기타 산업 분야

전력및에너지, 수송, 제조분야, 원자로의폐로해석, Pipe break 및

whip, 차량의내충격도및충돌시탑승자의거동해석, 선박의충돌해

석, 성형해석등에서사용되고있다.

84∙C 2007/12

Software Review

▲ Interaction with eroded nodes

▲ 항공기와 방호벽의 충돌 해석 ◀ Hydraulic Ram

▲ 발사체 단 분리 해석

▲ 미사일 충격 ▲ 휴 용 폭발물의 해석

▲ 전차 지뢰의 폭발 및 향 해석