EDEM 2018, 최신 입자해석 이론 적용 및 속도 향상

■ 개발 : DEM Solutions, http://www.edemsimulation.com

■ 주요 특징 : 입자 거동 해석 소프트웨어로 CFD, MBD, FEA 등 상용 CAE 소프트웨어와 Coupling 해석, API를 이용한 사용자 정의 물성/외력/입자생성 컨트롤, 최신 GPU를 활용한 해석 속도 향상, 다양한 접촉 모델 및 물성 DB 제공

■ 사용 환경(OS) : 윈도우 7/8/10 프로페셔널 이상(64 비트), 레드햇 엔터프라이즈 리눅스 6/7(64 비트)

■ 시스템 사양 : 4GB RAM(12GB 이상 권장), 인텔 코어 i7 또는 제온 5600 시리즈 CPU(제온 E5 시리즈 12 코어 이상 권장), AMD 라데온 512MB 또는 엔비디아 지포스 512MB 그래픽카드(AMD 파이어프로 V5800 또는 NVIDIA GTX 1080 이상 권장), 10GB 하드디스크(500GB 이상 권장)

■ 공급 : 넥스트이엔에스, 070-8796-3000, http://www.nens.co.kr

영국 DEM 솔루션즈(DEM Solutions)는 2006년 최초로 상용 입자 거동 해석 소프트웨어인 EDEM을 출시한 이래 올해 EDEM 2018을 출시하였다. EDEM은 이번 업데이트를 통해서 완성된 범용 입자 거동해석 소프트웨어가 되었다. 국내에서는 2006년부터 넥스트이엔에스에서 판매와 기술지원을 제공하고 있다. 넥스트이엔에스는 CFD, MBD, FEA 분야 전문 엔지니어로 구성된 기술지원 팀을 운영하고 있어 산업 각 분야에 적합한 기술지원 및 컨설팅을 수행하고 있다.

EDEM 2018은 이산요소법(Discrete Element Method)을 이용한 입자 거동 해석 소프트웨어이다. 이산요소법은 입자간 반발력에 의한 운동량 계산을 통해 이루어진다. 그동안 컴퓨팅 파워가 받쳐주지 못해서 활용도가 적었지만, 하드웨어의 발전은 이산요소법의 새로운 전기를 마련하게 해 주었다. 또한, EDEM은 탄탄한 이론적 배경을 바탕으로 입자 관련 최신이론들을 접목해 정도 높은 해석 결과를 산출하고 있다. 특히 영국 에든버러 대학 연구팀과의 지속적인 협력을 통해 이번 EDEM 2018에도 최신 알고리즘이 탑재되었다.

EDEM 2018은 통합된 GUI를 통해 전처리, 솔버, 후처리 기능을 수행할 수 있는 올인원 소프트웨어이다. 초급 사용자도 쉽게 접근할 수 있는 심플한 트리 구조가 특징으로, 1~2일의 기본 교육으로 충분히 사용 가능하다.

■ 전처리 모듈인 EDEM Creator는 접촉 모델, 입자 정보, 지오메트리 정보, 입자 생성 정보 등을 입력한다.

■ 솔버 모듈인 EDEM Simulator는 입자의 거동을 해석한다. 가장 큰 특징으로는 유저의 목표에 맞게 조건들을 변경하여 사용할 수 있는 EDEM 오픈소스 API(Application Programming interface)를 통한 사용자 정의 추가 기능이 있다. 그 외에도 시중에 사용되고 있는 CFD, MBD, FEA 전문 CAE 소프트웨어와 커플링하여 계산을 수행할 수 있다.

■ 후처리 모듈인 EDEM Analyst는 입자 해석 결과를 분석할 수 있는 다양한 기능을 통해 시각화 및 정량화를 수행한다. 다양한 뷰와 옵션을 통해 동영상과 그래프를 직접 작업할 수 있는 강력한 후처리 기능을 제공한다.

EDEM 2018의 특장점

오픈소스 API로 다양한 모든 물리 현상 구현

EDEM 2018은 기본 물리 현상의 구현에 초점을 맞추어 개발되어 왔다. 입자가 적용되는 모든 분야에서 일어나는 실제 현상을 그대로 해석하기 위해 높은 확장성을 갖고 있다. 물리현상을 설명하는 방정식만 있다면 EDEM은 오픈소스 API를 이용하여 사용자 특성에 맞는 조건을 설정할 수 있다.

예를 들어, 시간과 온도에 따른 입자 물성 변화 및 유동장 내 유속에 따른 입자의 부피, 질량 변화 등 Transient한 물성의 변화나, 다양하고 복잡한 공정의 조건들을 세팅하여 시뮬레이션이 가능하다. 최근에는 소결 공정이나 나노 코팅, 철강의 용융공정, 섬유조직의 거동, 폭발물 및 삭마 현상 등 첨단의 해석 분야를 개척하고 있다.

▲ EDEM을 이용한 알약 코팅 해석 사례

EDEM 2018은 오픈소스 API를 이용해서 동역학 전문 소프트웨어 없이도 동역학 거동을 구사할 수 있다. 동역학 거동에서 중요한 것은 단순한 강체 거동의 모사가 아니라 하중과 질량에 의한 관성력의 모사이다. EDEM은 간단하게 이런 기능을 구사할 수 있다.

▲ EDEM을 이용한 굴삭기 버킷의 거동 해석 사례

정확도를 추구하는 강력한 입자해석

입자의 기본적인 거동에 국한된 분야 이상으로 '깊이 있는 연구'를 위해서 EDEM 2018은 높은 확장성과 검증된 물리 엔진을 갖고 있다. 겉으로 보이는 비주얼보다 더 정확한 해석결과가 중요한 산업 현장에서 검증된 많은 연구 결과가 뒷받침하고 있다.

빠르게 대응해야 하는 산업현장에서 또한 중요한 것은 해석 속도이다. 해석 효율성을 고려할 때, 아직까지 대규모 입자해석에 다면체 형상을 적용하는 것은 실험실 수준의 연구에 적합한 상황이다. 입자의 모남정도(angularity)는 내부 파라미터를 통해 충분히 구현이 가능하다. 구형입자의 조합으로 얻어 낼 수 있는 해석 효율성은 또 하나의 차별점이다.

▲ 입자 형상에 따른 컴퓨팅 코스트 비교

정확히 검증된 분쇄 관련 물성

입자의 분쇄에서 분쇄되는 형상을 비주얼하게 보여주는 것보다 입자의 강도를 물리적으로 구현하여 실제 실험과 높은 일치성을 갖는 것이 중요하다. 다음 그림은 실제로 연구소에서 발표된 입자 분쇄 해석의 결과이다. 정확도가 검증되었으며, 실제 현상을 그대로 모사하고 있다.

▲ EDEM을 이용한 분쇄 해석

물성 데이터베이스 기본 탑재

입자해석의 신뢰도를 결정짓는 입자의 벌크(Bulk) 물성치는 실험을 통해서 구하게 되지만, 모든 해석 엔지니어가 실험을 병행하기는 어렵다. EDEM은 수 천가지의 재료에 대한 실험기반 물성 데이터베이스인 GEMM(Generic EDEM Material Model)을 제공한다. GEMM은 IMechE Bulk Materials Handling Award에서 혁신상을 받았다. GEMM은 신뢰도 있는 물성을 제공하고 있으며, GEMM이 기본으로 탑재되어 있는 EDEM은 입자해석의 정확도를 높인다.

▲ EDEM에 기본 탑재되어 있는 물성 DB GEMM

20여 가지의 접촉 모델 탑재와 지속적인 업데이트

입자해석에서 입자의 집합체가 갖는 물성은 접촉 모델에 의해 결정된다. 다양한 접촉 모델은 DEM 소프트웨어의 핵심 역량이며, EDEM은 진보적인 연구인력을 바탕으로 해마다 독자적인 접촉 모델 개발에 성공하고 있다. EDEM은 물리적으로 구현할 수 있는 모든 입자의 거동을 표현할 수 있다. 점착력, 열전달, 본딩에 의한 결합, 전자기력, 그리고 섬유에 대한 거동까지 완벽하게 수행한다.

EDEM 2018에 추가된 Edinburgh Elasto-Plastic Adhesion Model(EEPA)은 Cohesive한 입자의 이력(History) 의존성과 주요 특성 거동을 구현한다. Cohesive한 입자의 유동이나 핸들링에 있어서 입자가 이미 받았던 응력의 이력은 매우 중요한 인자이다. EEPA는 선형 및 비선형 모드 둘다 제공되며, 다양한 압축 공정 및 성형 공정에 활용될 수 있는 강력하고 검증된 모델이다.

▲ EDEM의 접촉 모델 개요

▲ EDEM의 섬유 입자 거동 구현

EDEM 2018의 새로운 진화

대량 입자 시뮬레이션을 위한 기본 툴킷 탑재

Large Scale Bed Generation Tool

EDEM 2018에서는 재료 베드(Material Bed) 생성 기능을 Creator에 탑재하여 보다 더 쉽게 사용할 수 있다. 재료 베드는 많은 입자들을 생성하여 지반 등을 구현할 때, 최소한의 입자 블록을 만든 뒤 마치 복사/붙여넣기를 하듯 베드를 생성하는 기능이다. 기존에 시도하지 못했던 대규모 베드를 생성할 수 있으며, 지반, 건설, 토목 분야에 활용도가 클 것으로 예상된다.

▲ EDEM의 Material Bed Tool

Soils Starter Pack

토양은 다양한 점성과 가소성을 가진 재료이며, 각각의 고유한 물성 변수를 갖고 있다. EDEM 2018의 Soil Starter Pack에는 물성이 적용된 입자(Particle)가 이미 탑재되어 있다. 또, 자주 이용하는 특정 물성의 경우 필요 시 불러서 쓸 수 있도록 사용자 정의 물성 라이브러리를 제공한다.

▲ EDEM의 Soils Starter Pack 개요

▲ EDEM의 Soils Starter Pack의 제공 물성 종류

해석 영역만 활성화하는 Dynamic Domain 기능

EDEM 2018은 시뮬레이션 계산 영역으로 도메인을 설정할 수 있다. 고정된 하나의 도메인만 영역을 지정할 수 있다면 입자의 수가 많은 경우 시뮬레이션이 비효율적일 수 있다.

EDEM 2018에서는 활성 영역만 도메인을 지정할 수 있다. Dynamic Domain은 MBD 커플링에서 통합할 수 있어 지오메트리의 동작에 연계하여 거동한다. 이 기능으로 인해 해석 시간 비용이 현저히 감소하게 되며, 보다 큰 입자 재료 베드를 만들 수 있다.

▲ EDEM의 Dynamic Domain 개요

▲ EDEM의 Dynamic Domain 기능구현 화면

새로운 전문 CAE 소프트웨어와 커플링 인터페이스 탑재

EDEM 2018은 전문적인 상용 소프트웨어와 커플링을 지원한다. EDEM은 앤시스 플루언트(Ansys Fluent)를 이용한 CFD 커플링해석, 아바쿠스(ABAQUS)와 앤시스 등을 이용한 FEA, 아담스(Adams)와 리커다인(RecurDyn), LMS Virtual Lab Motion 등을 이용한 MBD 해석이 가능하다. EDEM 2018에서 업데이트된 커플링은 다음과 같다.

■ 아바쿠스 : 직접적 커플링 인터페이스를 구축하여 간단한 클릭만으로 EDEM 내에 불러들인 지오메트리의 구조해석을 수행할 수 있다. 이 때 구속 조건은 아바쿠스에서 필요에 따라 정의할 수 있다.

■ 리커다인 : 커플링 인터페이스가 제공되며 EDEM에서는 입자관련 세팅을 하고, 리커다인에서는 동역학 거동에 대한 세팅을 한 후 Solve 버튼을 클릭하는 것만으로 입자와 동역학 시스템 간의 커플링 해석이 쉽게 진행된다.

디테일한 개선 기능

Polar Symmetry Conditions

EDEM 2018에서는 직교 좌표계에서의 대칭구조와 더불어 원통 좌표계에서의 축 대칭 모델에도 그림과 같이 원하는 영역의 대칭 조건(Symmetry Condition)을 지정할 수 있다. 교반기 등 회전 운동을 하는 입자 관련 해석에 활용도가 높은 기능이다.

▲ EDEM에 탑재된 축 대칭 기능을 이용한 해석

Analyst Data Export

EDEM 2018에서는 시뮬레이션이 끝날 때까지 기다리거나 중단하지 않고도 시뮬레이션 진행 중에 데이터를 검토할 수 있다. 해석의 경향을 파악하거나 초기 해석 변수 세팅을 하는 과정에서 유용하게 사용할 수 있는 기능이다.

▲ EDEM의 데이터 내보내기(Data Export) 기능