■ 개발 : Rocky DEM, http://www.rocky-dem.com

■ 사용 환경 : 윈도우 7/10(64 비트), 레드햇 엔터프라이즈 리눅스 7

■ 시스템 사양 : 4 코어 이상 CPU, 8GB RAM, Titan Z, Tesla P100 등 엔비디아 GPU(CUDA 2.0 이상, 4GB 메모리 이상, Double-Precision 지원)

■ 특징 : 다양한 입자 형상 구현, 입자 파손과 형상 마모 해석 지원, ANSYS Mechanical 및 Fluent 등과 연성해석 가능, 멀티 CPU/GPU를 활용한 고성능 병렬 해석 등

■ 공급 : 태성에스엔이, 02-2117-0030, http://www.tsne.co.kr

 

ROCKY(로키)는 Rocky DEM에서 만든 3차원 입자 거동 해석 전용 소프트웨어로 태성에스엔이에서 국내 공급 및 기술지원을 하고 있다. 지난 5월에는 새로운 버전인 ROCKY 4가 공식 출시되었다.

 

ROCKY는 기존의 입자 해석 프로그램과 동일하게 Discrete Element Method(DEM, 이산요소법)를 사용하지만, 입자의 모양이나 크기에 상관없이 다양한 입자에 적용할 수 있는 강력한 프로그램이다. 초기에는 광업분야에 적용하기 위해 개발되었으나 현재는 제철, 화공, 중공업, 제약, 제조업 등 다양한 산업 분야에서 사용되고 있다. 광석, 병, 곡물, 타이어 휠, 제약 등 다양한 입자를 처리할 수 있으며 이송, 파손, 입자에 의한 형상마모 등 다양한 현상에 대해 해석 및 분석을 할 수 있는 프로그램이다.

 

 

 

기존 DEM 프로그램의 경우 구형 입자만 지원하거나 구형의 입자를 Bonded 방식으로 결합하여 입자 형상을 만들어 사용한다. 그러나 ROCKY는 일반적인 구형 입자뿐만 아니라 구형이 아닌 다양한 입자형상을 제공하고 있으며, 이를 이용해 다양한 모양을 만들 수 있다. 또한 3D 모델러를 이용해 입자 형상을 정의하여 사용할 수 있고, 3D 스캐너로 이용해 얻은 형상을 입자로 사용할 수 있다.

 

<그림 1>에 ROCKY에서 사용할 수 있는 다양한 입자 형상을 나타내었다. <그림 1>과 같이 실제와 동일한 입자 형상을 구현할 수 있다는 것은 해석의 정확도를 보다 더 높일 수 있다는 말과 같다. 그러므로 다른 DEM 프로그램보다 해석의 정확도를 더 높일 수 있다.

 

 

ROCKY 4에서는 새로운 입자 형태인 Flexible Particle을 해석할 수 있다. 기존에는 입자 파손이 주요 이슈였다면, 이제는 입자가 유연하게(Flexible) 움직이는 것을 구현함으로써 보다 폭 넓게 입자 해석을 할 수 있게 되었다. <그림 2>는 긴 원통형 입자의 자유 낙하 시 발생하는 입자 변형을 모사한 그림이다. 시간에 따라 입자가 자유롭게 변형하는 것을 확인할 수 있다.

 

 

 

ROCKY는 입자 파손 모델이 내장되어 있어 입자와 입자, 입자와 벽의 충돌 시 입자 파손을 해석할 수 있다. <그림 3>은 입자의 자유낙하 시 발생하는 입자 파손을 모사한 그림이다. 이때 입자는 다양한 크기와 모양으로 파손되며, 파손된 각각의 입자 또한 추적할 수 있고 파손된 입자의 사이즈 분포도 확인할 수 있다.

 

 

또한 ROCKY는 입자에 의한 형상 마모 해석이 가능하다. 마모 모델은 ARCHARD Wear model을 이용하여 입자가 벽에 부딪히거나 미끄러질 때 발생하는 힘을 계산하여 어떻게 마모가 일어날 지 예측할 수 있다. 이를 통해 플루언트의 Erosion model처럼 마모량을 예측하는 것뿐만 아니라 마모되는 현상까지 예측할 수 있다. <그림 4>는 Semi-Autogenous Grinding Mill을 해석할 때 Mill 돌출부가 마모되는 과정을 예측한 그림이다.

 

 

 

ROCKY는 앤시스 제품군과 호환성이 뛰어나다. 워크벤치(Workbench) 환경 내에서 스페이스클레임(ANSYS SpaceClaim)으로 모델링한 것을 간단한 링크만으로 공유할 수 있다. 또한 ROCKY의 해석 결과는 앤시스 제품처럼 간단한 조작만으로 쉽게 데이터를 매핑할 수 있다.

 

<그림 5>는 앤시스 미캐니컬과 연계하여 Vibrating Screen이 입자로 인해 발생하는 충격 하중에 의한 구조 연성 해석을 진행한 예이며, 이를 통해 제품의 구조적 안정성까지 검증하였다.

 

 

ROCKY는 플루언트와 1 방향 또는 2 방향 연성해석도 가능하다. 또한 ROCKY와 플루언트의 1 방향 또는 2 방향 연성해석 설정이 매우 간단하다. 1 방향의 경우에는 CFD 소프트웨어인 플루언트에서 얻은 유동장 해석 결과를 ROCKY 전용 파일로 익스포트(Export)하여 불러올 수 있으며, 유동장 결과에 입자를 추가하여 입자의 움직임을 예측할 수 있다. 2 방향의 경우 ROCKY에서 해석 조건 설정을 완료한 플루언트의 셋업 파일(*.cas)을 CFD 커플링에서 지정만 하면 바로 연성해석이 가능하다. <그림 6>은 단순 형상을 이용한 Fluidized Bed 해석으로 플루언트와 ROCKY의 2 방향 연성해석 결과이다.

 

 

 

입자해석의 경우 입자의 수가 많아지면 당연히 해석 시간이 오래 걸릴 수 밖에 없다. 이러한 점을 보완하기 위해 ROCKY는 CPU뿐만 아니라 GPU를 이용한 고성능 병렬 해석을 지원한다. 특히 입자의 수가 많아지거나 입자 파손이 발생하는 해석의 경우 GPU 이용 시 매우 빨리 계산 결과를 확인할 수 있다.

 

또한 ROCKY 4부터는 멀티 GPU를 사용할 수 있게 되어 빠른 해석결과를 얻을 수 있다. 입자수가 작을 때는 큰 차이가 없지만 입자가 많아질 경우 월등한 속도향상을 확인할 수 있다. <그림 7>은 알약 코팅기에 알약 모양의 입자 약 24만 2000개를 넣고 CPU 8 코어를 기준으로 GPU 별 속도를 테스트한 해석 결과이다. 해석용 GPU인 P100의 경우 8 코어를 사용할 때보다 약 35배 빨라지는 것을 확인할 수 있다. 또한 3개의 멀티 GPU를 사용할 경우에는 약 86배 더 빨리 해석되는 것을 확인할 수 있다.

 

 

입자 수가 적을 경우에는 멀티 GPU의 효율이 낮지만, 입자 수가 최소 100만개 이상일 경우 멀티 GPU를 사용하면 해석속도가 향상되는 것을 확인할 수 있다. <그림 8>은 입자 수가 늘어남에 따른 멀티 GPU 사용시 속도향상 결과를 나타낸 그림이다.

 

그림 8. 멀티 GPU를 이용한 고성능 병렬해석 속도 테스트

 

 

기존의 DEM 프로그램의 경우 다물체 동역학(Multi- Body Dynamic)을 구현하기 위해서는 별도의 다물체 동역학 해석 소프트웨어(다풀, 리커다인, 아담스 등)와 연동이 필요하다. 그러나 ROCKY 4는 별도의 다물체 동역학 프로그램 없이 자체 내에서 모션 구현이 가능하다. <그림 9>에서 포크레인의 움직임을 ROCKY만으로 구현하는 것을 확인할 수 있다.

 

 

 

기존 DEM 프로그램의 경우 구형의 입자만 지원이 가능하기 때문에 이외의 입자형상을 구현하기 위해서는 <그림 10>과 같이 Glued Spheres 타입으로 여러 개의 구를 Bonded 방식으로 합쳐서 사용하여야 한다. 이렇게 만들어진 입자는 감자 칩과 같이 종횡비가 크거나 날카로운 모서리가 있을 경우 모사하기 어려워 실제와 달리 마찰력이 커질 수 있는 단점이 있다. 또한 입자 파손을 구현하기 위해서는 프로그래밍 지식을 요구하며 파손 시 Bonded 방식으로 합친 구의 개수와 직경에 따라 파손이 발생할 수 밖에 없다.

 

그러나 ROCKY의 경우에는 Polyhedral 입자 모양 구현을 통해 보다 현실성 있는 입자를 모사할 수 있다. 즉 실제 모양과 동일한 형상을 입자로 모사하기 때문에 감자 칩과 같이 종횡비가 큰 형상이나 날카로운 모서리를 정확하게 모사할 수 있으며, 실제와 같은 마찰을 고려할 수 있다. 그러므로 실제와 동일한 입자 형상을 이용해 해석을 진행할 수 있기 때문에 높은 정확도를 가진다.

 

또한 입자 파손모델이 내장되어 있기 때문에 별도의 프로그래밍이 필요 없으며, 파손 시 <그림 10>처럼 입자의 크기와 모양이 다양하게 나타나기 때문에 입자 분포를 정확하게 예측할 수 있다.

 

 

 

 

ROCKY 내에서 경계조건으로 진동에 대한 설정이 가능하며, 롤러(Roller)의 회전 또한 경계조건으로 쉽게 처리할 수 있다. 그리고 입자 크기 별로 분포시킬 수 있으며, Round 외에 Non-Round 입자 또한 고려할 수 있기 때문에 광물을 선별할 때 유용하다. 또한 Breakage 모델을 사용할 경우 선별 과정 중 발생하는 입자 파손도 고려할 수 있다.

 

 

 

ROCKY의 장점인 Breakage 모델을 이용해 입자의 파손을 예측할 수 있다. 이렇게 파손된 입자크기의 분포도 확인할 수 있으며, 분쇄된 입자의 추적도 가능하다. ROCKY는 크러셔(Crusher) 회전 축 및 속도 설정이 경계조건으로 내장되어 있어 편리하다. 또한 밀(Mill) 장치의 경우 입자에 의한 마모를 예측할 수 있기 때문에 제품의 유지보수 고려 시 발생하는 문제점을 미리 파악할 수도 있다.

 

 

 

다양한 입자의 이송 및 공급장치에 대한 해석 시 입자 양이나 벨트(Belt), 스크류(Screw)의 속도에 따라 발생할 수 있는 문제(막힘 현상, 벨트의 구멍, 스크류의 토크)를 예측할 수 있다.

 

 

 

<그림 14>와 같이 여러 개의 재료(Material)를 혼합하거나, 다양한 크기를 가진 입자군을 혼합하는 믹서(Mixer) 장치 또한 해석할 수 있다.

 

 

앞에서 언급한 장치 외에도 다양한 산업분야의 입자 해석을 위해 ROCKY를 적용할 수 있다.