구조해석 프로그램 발전사
-------------------------------------------------------
개 요
국외 유한요소프로그램 발전사
국외 구조해석프로그램 발전사
국외 프로그램 소개
국내 구조해석 프로그램 발전사
전산 구조 공학의 전망
--------------------------------------------------------------------------------
개 요
구조해석 프로그램은 1970년대 중반 이후 1980년대와 1990년대 초에 이르는 기간에는 지금까지 개발된 유한요소 이론을 바탕으로 그 활용에 주력하는 연구가 진행되었다. SAP시리즈를 위시하여 유한요소해석을 위한 팩캐지프로그램이 무수히 등장하게 되어 이를 이용한 연구결과가 많이 발표되었다. 그러므로 구조해석 프로그램 및 설계용 프로그램의 발전사를 알기 위해서는 필연적으로 유한요소법의 발전사에 대해서 알아 볼 필요가 있다. 본 절에서는 유한요소법의 발전사에 대하여 간략하게 소개한 후 구조해석 및 설계용 프로그램의 발전사에 대하여 소개하였다.
◆ 처음으로
--------------------------------------------------------------------------------
국외 유한요소 프로그램 발전사
1950년대 초, 세계의 항공기 산업은 프로펠러기에서 제트기로 크게 비약하고 있었다. 일대 전환기를 맞이하고 있었다. 이와 같은 항공기의 고속화에 따라 기체는 공기역학적 요청에 의해 후퇴익구조를 다루지 않을 수 없게 되어 구조기술자로서는 후퇴익 플래터 특성의 보다 정확한 파악이라는 크고 어려운 문제를 짊어지게 되었다. 이 문제에 대한 개발연구가 거의 비슷한 시기에 때를 같이 하여 미국과 유럽에서 시작하였으며, 미국에서는 특히 시애틀에 있는 보잉사의 Turner를 중심으로 한 개발팀이, 또 유럽에서는 런던대학 항공학과의 Argyris를 중심으로 하는 연구그룹이, 계속적인 노력 끝에 '유한요소법' 기술의 모체가 된 매트릭스구조 해석법이라는 새로운 해석법 개발에 성공한 것이다. 우연의 일치이기는 하지만 때를 같이 하여 IBM사가 세계에서 최초의 기술계산용의 전자계산기 IBM 650의 개발을 발표하였다. 유한요소법은 종래의 구조기술자가 현장에서의 기술계산이나 설계사무로써 해온 계산의 순서를 매트릭스 대수라는 수학언어를 사용하여 조직적이고 통일적으로 쓴 것이다. 전자계산기는 신기하게도 이 언어를 완전히 이해하고 그 명령에 따라 매우 복잡하고 대량의 구조계산을 단시간에 처리하는 것을 가능하게 한 것이다.
이 해석법은 1960년대 우주개발붐에 들끓은 미국의 항공기 업계에 전달되어 각 항공사의 손이 되는 기술개발의 결과, 1969년의 아폴로 11호의 월면착륙의 성공으로 크게 꽃을 피우게 되었다. 항공기 구조해석의 경이적인 진보를 초래한 이 신기술이 다른 공학분야에 파급되어 가는 것은 자연스런 현상이며, 그 보급은 우선 토목공학분야에서 나타나기 시작하였다. 토목공학의 분야로 도입하는데 있어서 선구자적인 역할을 한 것은 캘리포니아대학(U.C. Berkeley)의 Clough이며, 워싱턴대학 항공공학과의 Martin과 보잉사의 Turner의 그룹과 함께 매트릭스 구조해석법 개발의 역군이 되었다. Clough는 이 분야에서 오늘날 선구자였으며 영국의 웰즈대학의 Zienkiewicz에게도 영향을 주었다고 말할 수 있다.
Zienkiewicz는 매트릭스 구조해석기법을 토목공학의 세계에 도입한 선구자이며 토질역학, 콘크리트댐, 교량상판구조 등에 응용하여 여러 가지의 성과를 올렸고 이어 M.W.R의 생각을 도입함으로써 구조공학 이외 분야의 해석에, 유한요소법을 응용하는 길을 개척하였다. 우선 압밀이나 침수류라는 토양 속의 지하수 흐름의 해석을 시작하고 이어 유체역학으로의 응용을 시도하여 포텐샬흐름, 점성흐름, 항만진동, 수중에서 진동하는 물체의 겉보기의 질량문제, 탱크용기 내의 액체의 슬로싱(sloshing)문제, 조석류, 천파수, 등의 여러 문제의 해석으로, 종래의 차분법에서는 구하기 어려웠던 유체문제에서 주목을 끌 가치가 있는 수많은 성과를 올렸다. 유한요소법이 이와 같이 구조공학 이외의 분야에 본격적으로 응용되도록 된 것은 1970년에 들어서부터인데 Zienkiewicz는 1960년 중간쯤부터 선구적 연구를 진행하였다.
◆ 처음으로
--------------------------------------------------------------------------------
국외 구조해석 프로그램 발전사
범용 프로그램이란 일반적으로 모든 용도에 제공할 수 있는 프로그램에 대한 총칭이지만 여기에서는 그 프로그램을 이용해서 자기의 연구나 응용에 도움이 되게 한다기보다도 여러 사람들이 그 프로그램을 이용해서 각각의 문제를 해석함에 주안을 둔 프로그램을 총칭하기로 한다. 이와 같은 프로그램의 특징은 해석 기능이 풍부할 뿐만 아니라 입력 데이터 작성의 단순화를 꾀하기 위한 전처리 프로그램이나 이용자의 다양한 요구에 응하기 위한 후처리 프로그램이 준비된다. 프로그램의 보수, 확장을 위한 다양한 노력이 소개되고 있으며 사용자의 편의를 꾀하기 위하여 각종의 다큐멘트를 완비하고 있는 것이 보통이다. 일반적으로 이 종류의 프로그램은 앞에서 기술한 프로그램과 비교해서 그 도입 또는 사용에 있어서 필요로 하는 경비가 고가이며, 또 프로그램의 내용은 공개되어 있지 않다. 이러한 프로그램의 현상은 그 개발기관 또는 대리기관에 있어 발행되고 있는 팜플렛과 인터넷의 홈페이지에 의하여 파악될 수가 있다. 상품으로서의 경쟁이 심하므로 그 해석 능력 및 기능의 확장은 계속 발전하고 있다. 따라서 여기에서 그러한 것을 정당하게 비교하고 해설하기는 곤란하므로 여기에서는 어떠한 프로그램이 존재하고 그 프로그램의 발전사와 그 규모는 어느 정도인가를 소개한다.
구조해석에 이용할 수 있는 프로그램의 광범위한 조사는 1974년에 Pilkey 등에 의하여 1000페이지가 넘는 논문집으로 출판되어 있으며, 또 최근 이 분야에 있어 큰 관심을 모으고 있는 비선형 해석을 위한 프로그램의 조사도 국내외에서 발표되고 있다. 특히 Noor는 해석해야 할 비선형 문제를 같은 기술자에 있어 프로그램 선택의 기준으로서 이용할 수 있도록 36종류의 프로그램에 대해서 그 해석기능을 표 형식으로 요약함과 함께 개개의 프로그램에 대해서 특별하고 독특한 기능, 프로그램의 수정, 개량 등의 보수성, 이용자에 대한 지원체제, 프로그램의 규모, 타 기종으로의 이식성 등에 관해서 조사를 하고 있다. 여기에서는 최근 국내에서 판매되고 입수할 수 있는 비교적 간단한 프로그램으로부터 널리 해석수단으로 제공되고 있는 범용 프로그램까지에 관해서 요약한다.
미국 및 유럽 선진국의 대학 및 연구기관에서 수많은 구조해석프로그램이 개발되고 있으며 이러한 프로그램의 일부는 유한요소법의 초기부터 실제의 공학분야에 큰 영향을 주어 왔다. 이와 같은 프로그램 중에서 하나로서 우리 나라에서 가장 많이 알려져 있는 SAP시리즈 프로그램이 있다. 이 프로그램은 1970년에 캘리포니아대학의 Wilson등에 의하여 개발된 것이며 범용성을 갖는 정적 및 동적 해석을 위한 비교적 간단한 프로그램이나 지금까지 많은 연구원과 공학자에 의하여 연구나 응용 목적에 맞도록 개조되어 널리 이용되어 왔다. 이후 추가적인 연구와 개발로 SOLIDSAP, SAP III와 마지막으로 SAP IV가 발표되었다. SAP IV가 발표되는 동안 Wilson은 마이크로 컴퓨터에서 대형 컴퓨터까지 통일적으로 이용할 수 있는 새로운 범용 프로그램인 SAP80을 개발하였다. 그리고 최근에 SAP80은 SAP90을 거처 SAP2000으로 발전하게 되었다. 이 프로그램의 비선형 해석을 위한 버전인 NON-SAP이라고 일컬어지고 있는 프로그램은 Bathe가 중심이 되어 개발되었다. 그러나 Bathe가 M.I.T로 옮기고 나서 이 비선형 해석에 대한 작업은 ADINA프로그램으로 이어 받게 되었다. ADINA는 회원들에 대해서만 공개되어 있으며 것이며 비선형 문제의 범용성을 꾀하도록 적극적인 개량, 확장이 행해지고 있으며 개개의 특별한 응용도 많이 발표되고 있다.
한편 NASTRAN은 미국 NASA의 팀이 우주항공분야에 이용할 목적으로 1965년에 개발을 시작하여 1966년에 처음 배포되었으며, 이후 MacNeal-Schwendler Corporation에서 개발 및 발전시켜 1971년에 MSC/NASTRAN을 상용화 시켰다.
또한 ETABS는 1975년 미국 자연과학재단 프로젝트의 일환으로 버클리에 있는 캘리포니아대학에서 Wilson, Hollings 그리고 Dovey에 의해서 시작되었으며, 처음엔 매인프레임용으로 개발되었다. 미국 내 유수한 전문회사에서 사용되다가 개인용 컴퓨터의 보급과 CSI라는 회사가 생기면서 새롭게 태어나게 되었다. 그후 지금까지 전처리 프로그램이 보강되었고 ETABS 내의 많은 기능이 사용자의 편의를 위해서 변경되어 왔다. 이렇게 수십 년 동안 사용자들에 의해 검증을 거친 ETABS는 현재 미국뿐만이 아니라 우리 나라에서도 가장 많이 쓰이고 있는 건물해석용 프로그램이다.
GT/STRUDL은 1966년 미국 M.I.T에서 ICES-STRUDL이라는 이름으로 개발된 이래, 1975년부터 Georgia Tech.에서 수정, 보완 및 판매하고 있는 범용구조해석 및 설계용 소프트웨어로서 엔지니어에게 정확하고 완벽한 기술정보를 제공하는 효율적이고 신뢰성있는 통합구조처리 시스템이다. 1989년에 STRUDL의 양대산맥을 이루던 MDC-STRUDL(McDonell Douglas사)과 병합하여, MDC-STRUDL의 여러 기능을 흡수함으로써 명실상부한 STRUDL의 통합화를 이루었다. 위에서 언급하지 않은 범용프로그램은 프로그램을 설명하는 부분에 언급하였다.
다음으로 범용프로그램의 개발국가와 규모를 알아보았다. ABAQS, ANSYS, MARC는 모두 미국에서 개발된 것이며, 특히 비선형 해석에 주력하고 있다. ASKA는 서독의 스튜트가르트대학의 연구기관 ISD에서 개발된 것이며, 이러한 소오스프로그램의 규모는 ANSYS에서 100,000스텝 이상, MARC에서 약 75,000스텝, MSC/NASTRAN에서 약 380,000이며 ASKA에 이르러서는 약 660,000스텝으로 대단히 광대한 것이며 이러한 프로그램으로는 전처리 및 후처리 프로그램이 약 10%이상을 차지하고 있다. STARDYNE, STRUDL은 선형해석을 위하여 미국에서 널리 사용되고 있는 프로그램이며, STARDYNE은 미국에서의 사용실적에, STRUDL은 그 모체인 STRESS에서부터 채용하고 있는 데이터 기술을 위한 언어(POL : Problem Oriented Language)에 특징이 있다. 이와 같은 프로그램에서는 단지 유한요소법을 구체화하기 위한 해석 알고리즘을 프로그램화 할 뿐만 아니라 팽대한 데이타를 효율 좋게 취급하기 위한 데이터 전송 시스템을 독자적으로 개발하는 등 소프트웨어 과학의 분야에 있어서의 고도의 기술을 구사함에 따라서 그 효율화에 힘쓰고 있다.
노르웨이의 선급협회 Det Norske Veritas에서도 1969년에 초기 버전이 완성된 범용 프로그램인 SESAM-69의 개발을 계속하고 있으며 그 규모는 전처리 프로그램이 50,000스텝, 해석프로그램이 100,000스텝, 후처리 프로그램이 30,000스텝이라고 일컬어지고 있다
◆ 처음으로
--------------------------------------------------------------------------------
국외 프로그램 소개
ABAQUS(General-purpose finite-element system)
프로그램 개발자 : Hibbitt, Karlsson and Sorensen, Inc.
홈페이지 : http://www.hks.com/
ABAQUS는 다양한 분야에 적용할 수 있도록 디자인된 다용도 유한요소 프로그램이다. 이 프로그램의 주된 장점은 많은 요소 라이브러리와 광범위한 비선형 해석기능 등이다. 일반해석 분야, 유체해석, 비선형해석등 그 적용범위가 매우 광범위하다. 자세한 적용범위는 다음과 같다.
일반 해석 분야
- Static stress/displacement analysis
- Viscoelastic/viscoplastic response
- Transient dynamic stress/displacement analysis
- Transient or steady-state heat transfer analysis
- Transient or steady-state mass diffusion analysis
- Coupled problems
Thermo-mechanical (sequentially or fully coupled)
Thermo-electrical
Pore fluid flow-mechanical
Stress-mass diffusion (sequentially coupled)
Piezoelectric (linear only)
Acoustic-mechanical (linear only)
- Linear Perturbation Analyses
- Linear static stress/displacement analysis
- Eigenvalue buckling load prediction
- Dynamic stress/displacement analysis
- Determination of natural modes and frequencies
- Transient response via modal superposition
- Steady-state response resulting from harmonic loading
- Response spectrum analysis
- Dynamic response resulting from random loading
추가적인 해석 기능
- Continue simulations begun with ABAQUS/Explicit
- Fracture mechanics design evaluation
- Material removal and addition
- Restart analyses from intermediate states
- Steady-state rolling
- Superelements and substructures
- Submodeling
ADINA(Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis)
프로그램 개발자 : ADINA R&D
홈페이지 :http://www.adina.com/
ADINA는 구조물과 유채해석에 이용하도록 통합되어 있다. 기본적인 선형해석은 매우 효과적으로 수행할 수 있으며, 비선형 효과는 기하학적 비선형과 재료 비선형 및 접촉 상태 등을 고려할 수 있다. 비압축 또는 압축 유동체는 유체로 해석할 수 있으며, 구조물과 유체와의 전체적인 상호작용도 해석할 수 있다. 각 해석모듈은 똑 같은 전처리 및 후처리 프로그램인 ADINA 사용자 Interface(AUI)를 사용하는 ADINA-IN과 ADINA-PLOT를 사용한다. 사용할 수 있는 컴퓨터 기종은 일반 PC, workstation 및 supercomputers 등이다
ANSYS(General-purpose, finite-element program for structural, heat-transfer, and static-electromagnetic analyses)
프로그램 개발자 : Swanson Analysis Systems, Inc. (SASI)
홈페이지 : http://www.ansys.com/
ANSYS는 구조물, 열, 액체, 전기 및 정적 전자기 해석하는 컴퓨터 프로그램 중 스케일이 큰 것 중의 하나이다. ANSYS는 1970년부터 핵, 항공우주, 운송, 의료, 철, 철도, 건설 산업을 포함한 많은 산업체에서 사용되어왔다. ANSYS는 2, 3차원에서 유한요소의 정적, 동적, 온도, 선형 및 비선형해석을 수행하는데 사용된다. ANSYS는 구조물의 입력치와 온도에 의한 결과치를 직접 연결시켜 해석함으로써 온도 응력을 처리할 수 있다. ANSYS는 선형과 비선형 구조물의 상세 영역에 대한 부분모델링 작업이 포함되어 있다. ANSYS는 이러한 많은 기능과 전-후처리를 포함하며 넓은 범위의 그래픽 장치가 지원된다. ANSYS Family 프로그램은 여러 종류가 있다.
DYNA3D(DYNAmics in THREE Dimensions)
프로그램 개발자 : Lawrence Livermore National Laboratory
홈페이지 : http://www.llnl.gov
DYNA3D는 고속의 하중과 충격력이 작용하는 구조물의 복잡한 구조적인 응답을 해석할 수 있는 비선형 해석 프로그램이다. 기본적으로 이 프로그램은 구조물의 응력 효과를 해석할 수 있다. 다른 많은 공학용 프로그램과 같이 DYNA는 유한요소해석에 기반을 두고 있다. 이 프로그램이 다른 프로그램과 차별화 되는 것은 이미 18년 전에 무기체계의 영향을 연구하기 위하여 개발되었다는 것이며, DYNA는 놀랄 만큼 다목적으로 쓰였다. 비록 처음에는 supercomputer용으로 개발되었지만 지금은 공학용 workstations에서도 사용할 수 있다.
GT-STRUDL(Georgia Tech. STRUctural Design Language)
프로그램 개발자 : Georgia Tech
홈페이지 : http://ce6000.ce.gatech.com/gtstrudl.shtml/
GT/STRUDL은 자체 테이터베이스를 내장하고 있는 통합 시스템으로서 내부적인 기능적 분류에 의해 나뉘어져 있는 8가지의 해석기능을 유기적으로 결합하게 구성되어 있어 전체 시스템을 효과적으로 관리하기 용이하게 환경을 제공하고 있다.
- BASIC PROGRAM : 주프로그램 역할을 수행하고 있으며 모델 데이터의 생성에 관련된 모든 부분을 제어하고 있는 부분으로서 해석범위로는 정적해석까지를 가능케 하고 있다. 또한 해석결과치의 분석을 위해 그래픽 환경에서 후처리과정을 수행한다.
- GT-MODELER : 최근 사용자의 요구가 증대하고 있는 GT/STRUDL의 전처리 기능으로서 해석에 필요한 대상구조체를 메뉴와 마우스를 이용하여 모델링 할 수 있도록 제공된다.
- DYNAMIC ANALYSIS : 동적해석을 위해 마련되어 있는 부분으로서 고유진동수 해석, 시간이력해석, 응답스펙트럼 해석, Harmonic Analysis 및 State Analysis 등을 수행할 수 있으며 주로 지진해석이나 기계진동 등에 사용되고 있다.
- ADVANCED ANALYSIS : 지형적 또는 재료적 비선형을 고려하기 위해 적용되는 부분으로서 압축 또는 인장만을 받는 부재, 비선형 스프링지지 등을 입력할 수 있으며, Preload/Prestretch, Hook/Gap 의 거동을 해석할 수 있고 특별히 케이블요소가 마련되어 있어 사장교 및 현수교 등의 케이블 관련 구조물에 적용하여 사용 가능하다.
- STEEL DESIGN : 철골 구조 설계를 수행하는 해석기능로서 해석 결과를 이용, 철골 부재의 자동선택 및 특정 시방에 맞추어 코드 검색을 한다.
- REINFORCE CONCRETE DESIGN : 철근 콘크리트 구조체의 설계를 수행한다.
- GT-OFFSHORE : 해양구조물의 해석 및 설계를 위해 마련되어 있는 해석기능으로서 주로 Jacket구조물 해석을 위해 사용되고 있다. 파도, 바람, 해류에 의한 하중 등을 생성시켜 주며 슬라이딩 해석이나 구조물의 해상에서의 이동간 해석 등을 수행하고 피로해석 기능을 포함하고 있다.
- DATABASE EXCHANGE : GT/STRUDL이 모든 입력 데이터 및 출력 결과치는 자체 DATABASE에 의하여 관리되어지며, 이는 모두 사용자에 의해 일정 양식을 갖추어 파일로 생성되어 질 수 있다. 이 파일을 이용하여 타 프로그램과의 호환을 가능케 하며 이를 통해 전체적인 시스템 통합을 구현 할 수 있다.
MSC/NASTRAN(General-purpose, finite-element program for Structural Analysis, Thermal Analysis, and Optimization)
프로그램 개발자 : MacNeal-Schwendler Corporation (MSC)
홈페이지 : (미국) http://www.macsch.com
(한국) http://www.msc.co.kr/
MSC/NASTRAN은 미항공우주국(NASA)에서 우주선의 구조 해석을 위해 개발한 구조 해석 프로그램에서 출발하여 지난 30여년 간의 연구 개발을 통하여 대다수 산업 분야의 표준 해석 시스템으로 자리 매김한 범용 유한요소 해석 프로그램이다. MSC/NASTRAN은 약 100만줄의 소오스로 이루어져 있으며, 이를 사용자들이 쉽게 이용할 수 있도록 기능별로 모듈화 되어 있다. 또한 모든 Solution은 약 5,00개의 엄격한 Patcch test를 거쳐, 최상의 신뢰성을 보장하고 있다.
NISA II / DISPLAY III
프로그램 개발자 : Engineering Mechanics Research Corporation ( EMRC )
홈페이지 : http://www.emrc.com
NISA II / DISPLAY III 프로그램은 크게 NISA II와 DISPLAY III로 나눌 수 있으며NISA II는 NISA II/STATIC, NISA II/HEAT와 NISA II/DYNAMIC 등으로 이루어져 있다. 각각의 기능은 다음과 같다.
- NISAII/STATIC(Linear & Nonlinear) : 선형 및 비선형 정적해석
- NISAII/HEAT : 선형 및 비선형 열전달 해석
- NISAII/DYNAMIC : EIGEN Value 계산과 응답해석
DISPLAY III는 복잡한 유한요소 모델링을 할 때 강력하게 사용할 수 있는 전처리 및 후처리 프로그램이다. 이 프로그램은 1974년부터 지금까지 최신의 컴퓨터 그래픽 기술을 이용하여 계속적으로 개발되어 왔다. 현재는 다른 유한요소 프로그램과 자유롭게 연결할 수 있는 기능을 제공하고 있다.
MSD/PARTRAN
프로그램 개발자 : MacNeal-Schwendler Corporation (MSC)
홈페이지 : (미국) http://www.macsch.com
(한국) http://www.msc.co.kr/
MSC/PATRAN은 전 세계적으로 가장 널리 알려져 있는 CAE전용 Pre/Post Prosessor로서, 주요 CAD/CAE 프로그램과 호환이 가능한, 가장 앞서가는, 유한요소 해석 전후 처리 프로그램으로 인정받고 있다. MSC/PATRAN은 사용자가 기본 구상 설계 단계에서부터 시작품을 만들고 시험하는 설계의 전과정을 Computer상에서 Simulation할 수 있도록 다양한 기능을 제공하고 있으며, 완전히 공개된 Architecture를 가지고 있어, 사용자가 현장의 특징에 맞도록 용이하게 구성을 변경할 수 있다. 주요 기능으로는 다음과 같다
- Direct access of CAD Geometry
- MSC/NASTRAN과의 완벽한 통합
- ABAQUS, MARC, LMS등의 3rd Party solver와의 원할한 호환성
- 사용자 위주의 편리한 사용 환경(Motif-base, Mouse driven GUI)
- On-line Help System
- 사용자가 정의한 In-Housr 프로그램과의 통합을 위한 MACRO기능(PCL)
- Mapped mesh(1D, 2D, 3D)
- Geometry에 지점 하중 및 경계조건, 재료 및 요소 물성치 부여
- 시간의 함수로 정의되는 하중, 온도의 함수로 정의되는 재료 물성치 등을 Graphic으로
생성 및 표현
- Fringe, Contour, Isosurface, Streamline, Animation, Vector, XY-plotting 등 결과를
이해하기 쉽도록 표현하는 후처리 기능
- 자체 Geometry 생성 및 수정 기능
- Networking Licensing
- 설계 및 해석의 자동화를 위해 모든 작업을 Session file에 자동 저장
- 재료정보 시스템인 MSC/MVISION과의 직접 접근 기능
SAP90(Structural Analysis Program)
프로그램 개발자 : Computer and Structures Inc.
홈페이지 : http://www.csiberkeley.com
SAP90은 SAP프로그램 시리즈 중의 하나이며, 계속해서 새로운 버전이 나오고 있다. SAP90은 3차원구조물의 기본적인 정적해석 및 동적해석을 수행할 수 있는 유한요소 프로그램이다. 주로 교량, 댐, 스타디움, 산업구조물과 건물해석에 주로 사용된다. 지금은 상위버전으로 SAP2000이 있으며, 그 용도는 다음과 같다.
- SAP2000 Standard : Static and Dynamic Response Spectrum Analysis for Frame
and Shell Elements and Design.
Capacity: 1500 Nodes
- SAP2000 PLUS : Dynamic Time History Analysis, Plane, Solid
and Asolid Elements, and Bridge Analysis.
Capacity: No practical limit
- SAP2000 Nonlinear : Expands the PLUS options with Dynamic Nonlinear Time
History Analysis, an external Damping Element, Base Isolators,
and Gap and Hook Elements.
Capacity: No practical limit
ETABS(Extention of Three dimension Analysis of Building System)
프로그램 개발자 : Computer and Structures Inc.
홈페이지 : http://www.csberkelyi.com
ETABS는 특별히 건축구조물, 아파트 및 병원 등과 같은 다층의 건축구조물을 위하여 개발되었다. 전 버전보다 전처리 프로그램이 보강되었고 ETABS 내의 많은 기능이 사용자의 편의를 위해서 변경되었다. 이렇게 수십 년 동안 사용자들에 의해 검증을 거친 ETABS는 현재 미국뿐만이 아니라 우리 나라에서도 가장 많이 쓰이고 있는 건물해석용 프로그램 중의 하나이다.
SAFE(Slab Analysis by the Finite Element Method)
프로그램 개발자 : Computer and Structures Inc.
홈페이지 : http://www.csiberkeley.com
콘크리트 슬래브와 기초해석 및 설계전용 프로그램이며, 매우 효과적이고 강력한 프로그램이다. 현재 실무에서 많이 쓰고 있다.
STAAD-III(general purpose STructural Analysis And Design)
프로그램 개발자 : Research Engineers, Inc.
홈페이지 : http://www.reiusa.com
STAAD-III는 오늘날 컴퓨터를 사용하는 공학분야에 가장 최신의 기술을 제공하고 있다 한다. 이 프로그램은 해석과 설계에 있어서 최신의 그래픽 기술과 시각화 기술을 통합 시켰다. 통합된 database는 해석과 구조설계의 개념 단계에서부터 상세 설계, 시뮬레이션 및 시각화까지 완전히 통합적으로 적용된다. 지금은 STAAD-III 다음 버전으로 STAAD/PRO가 개발되었다.
◆ 처음으로
--------------------------------------------------------------------------------
국내 구조해석 프로그램 발전사
우리 나라에서 전산기에 의한 구조공학이 시작된 것은 1970년대 초반이라고 할 수 있다. 이것은 일부의 학자들과 기술자들이 외국에서는 전자계산기를 이용하여 구조해석을 수행하는 수가 있다더라 하는 정도의 소문을 듣기도 하는 정도의 시기이다. 당시에 우리 나라에서는 주로 기계식 탁상용 계산기나 계산척을 사용하여 공학계산을 하고 있었으며 일본에서 만든 소형전자계산기(calculator)가 국내에 막 도입이 된 시점 정도이다. 그러므로 구조기술자들이 제대로 사용할 수 있는 정도의 성능을 가진 전자계산기(computer)는 KIST에 설치되어 있는 정도여서 일반인들이 사용하기에는 상당한 어려움이 있었다. 따라서 전산구조공학 분야의 프로그램은 사용하는 전자계산기의 성능과 특성에 따라서 크게 좌우됨을 알 수 있다. 이러한 배경을 생각하며 국내에서 구조해석과 설계를 위해서 개발되고 활용이 된 프로그램들에 대하여 도입기, 성장기 및 성숙기로 나누어 간략히 소개하기로 한다.
도입기인 1970년대에는 최창근 한국과학기술원 교수, 권택진 성균관대학교 교수, 조철호 건국대학교 교수, 이병해 한양대학교 교수, 이동근 성균관대학교 교수 등이 주로 대형전자계산기를 사용하여 전산구조공학 분야의 프로그램 개발에 많이 참여하였으며 성장기인 1980년대에는 서울산업대학교의 고일두 교수, 국민대학교의 이성우 교수, 전북대학교의 이재영 교수 등이 개인용 전자계산기를 대상으로 하여 많은 활약을 하였다. 성숙기인 1990년대에 들어서자 포스코개발주식회사 등의 대형 기업이 프로그램 개발에 참여하여 보다 경쟁력을 갖춘 소프트웨어들이 개발되고 있어서 점차 국제적인 수준에 진입할 수 있을 것으로 보인다.
도입기 (1970년대)
우리 나라에 전산구조공학이 처음으로 도입이 된 시기로써 1970년대 초반을 생각할 수 있다. 그 당시에 서울대학교 공과대학에 설치된 IBM 1130에서 사용될 수 있는 구조해석 프로그램으로 STRESS가 있다. 이것은 STRUDL의 전신인데 골조구조의 정적해석이 가능한 정도였다. 1971년 말 경에 STRESS의 사용법에 관한 기술강습회가 개최되어 국내 기술자들에게 소개되었다. 이 때 쯤에 울산에 건설될 현대조선소의 설계가 시작이 되었는데 당시의 서울대학교 석사과정의 이동근 학생(지금은 성균관대학교 교수)이 STRESS를 사용하여 골조해석을 수행함으로써 구조설계에 소요되는 시간을 3개월에서 2주 정도로 단축시킬 수 있었다. 그 다음해 봄에는 인천의 선인대학(지금의 인천대학교) 실내체육관 설계에도 STRESS가 사용이 되었으며 그 이후로 차츰 국내에서 활용이 되기 시작하였다.
그러나 서울대학교의 IBM 1130은 기억용량이 부족하고 연산속도가 늦어서 STRESS를 사용하기 위해서는 대형 Magnetic Disk를 교체하고 다른 모든 사용자의 사용을 중단시켜야 하는 등으로 많은 불편함이 있었다. 따라서 구조기술자들은 꼭 필요한 경우가 아니면 STRESS의 사용을 기피하는 현상이 있었다. 이러한 불편함을 해소하기 위하여 1974년 당시에 육군사관학교 도학과 교관으로 군복무 중이던 이동근 교수는 평면 골조의 해석을 위한 프로그램을 개발하고 이를 KIST에 기증하였다. 이 프로그램에 대하여 KIST는 KISTRAS라는 이름을 붙이고 일반에게 공개하였으며 IBM 1130 보다는 훨씬 성능이 우수한 CDC 3300 기종에서 짧은 시간 내에 대형 구조물의 해석이 가능하게 되었다. KISTRAS를 사용하여 구조해석을 한 예로는 서울 지하철 1호선 공사와 잠실의 올림픽 주경기장 등이 있다.
그 후에 KISTRAS는 3차원 골조해석용으로 수정이 되었다. HYJAS라고 명명된 이 프로그램은 1976년에 울산공과대학의 이동근교수가 개발하여 현대중공업(주)이 쥬바일 산업항 공사를 위한 pile jacket의 조립, 운송 및 설치를 수행하기 위한 목적으로 매우 유용하게 활용이 되었다. 또 현대중공업의 전산실에서는 pile jacket의 제작을 위한 전용프로그램을 개발하여 생산 자동화에 성공하기도 하였다. 이와 같이 특수한 목적으로 개발된 프로그램이 실무에 활용되기 시작하였으나 아직은 적은 수의 소규모 프로그램이 제한된 범위 내에서 활용이 되는 정도였다.
유한요소법에 의한 구조해석 프로그램으로는 1973년에 미국의 일리노이 주립대학에서 박사학위를 취득하고 귀국한 KAIST 토목공학과의 최창근 교수(당시는 육군사관학교 교수)가 SAP-IV를 도입하여 KIST에 설치한 것이 효시라고 할 수 있다. 그 이후로 ETABS, SAP90, SAFE, GT-STRUDL, STAAD-III 등 여러 가지의 구조해석 및 설계를 위한 프로그램들이 국내에 도입되어 폭넓게 활용되고 있다.
성장기 (1980년대)
1980년대에 들어서면서 좀 더 많은 전문가들이 전산프로그램의 개발에 참여하고 국내에서 개발된 프로그램들이 실무에 활용되기 시작하였다. 서울산업대학교의 고일두 교수는 1980년에 골조 구조물 해석을 위한 SA10을 완성하였는데 BASIC 언어로 작성이 되어서 주기억용량이 64KB로 제한되는 등 불편한 점이 많았다. 그 뒤를 이은 SA20은 좀 더 나은 환경에서 작동이 될 수 있었으며 1995년에 발표된 SA40은 computer graphics를 활용한 전처리 및 후처리 기능까지 갖추고 있어서 실무 기술자들이 상당히 편리하게 사용할 수가 있게 되었다. 유명한 63빌딩의 초기설계나 부산 Lotte World의 초기설계에도 활용이 되는 등 실무 기술자들에게 많은 도움을 주고 있다.
한국과학기술원의 이동근 교수는 1986년에 Stanford 대학 유학시절에 개발한 전단벽 요소를 활용하여 고층건물의 해석을 위하여 개발한 SWAN을 일반에 공개하였다. 이 프로그램은 그 당시에 주로 2차원 해석을 하던 구조기술자들이 간편하게 3차원 해석결과를 얻을 수 있도록 하는 점과 전단벽에 대한 효율적인 해석이 가능하다는 점등의 장점이 있다. 대전으로 이전한 국립과학관의 Planetarium 구조설계를 위해서 개발된 FULLER는 geodesic dome의 구조해석과 설계를 위한 절점의 생성, 부재의 배치, 하중 산정, 구조해석, 단면설계 등의 모든 과정을 한꺼번에 처리할 수 있는 기능을 가지도록 개발되었다.
특수구조물 전용 프로그램으로는 성균관대학교의 권택진 교수 연구진이 1991년에 완성한 MCS-1이 있다. 막구조, 케이블구조 등의 형상 해석과 응력-변형 해석에 유익하게 활용이 될 수 있는 이 프로그램은 동경대학의 연구진과 공동으로 개발이 되었으며 대전 Expo 당시에 재생조형관의 건설에 활용이 되었다. 이 연구진은 조립식 고층 아파트에 활용이 되는 대형 PC판구조의 탄소성해석을 위하여 강체요소를 사용하는 EPAREM을 개발하여 연구와 실무에 활용하고 있다.
이 시기에는 여러 연구기관에서 전산구조공학 분야의 응용 프로그램을 개발하여 실무에 활용하게 되었다. 특히 조선분야에서는 서울대학교, 한국기계연구원 등의 연구기관과 현대조선, 대우조선, 삼성조선, 대선조선, 조선공사 등의 조선소에서 SEAKEEP, SEAGREEN, WTCON, STAB, AKG86 등의 수많은 프로그램을 개발하여 선박의 설계와 건조에 실용화시켰다.
이와 같이 전산구조공학 분야의 프로그램에 관한 개발 열기가 고조되기 시작한 성장기에는 많은 프로그램들이 개발, 보급되었으나 이러한 프로그램들의 대부분은 개인 연구실에서 개발, 관리를 하게 되어 전처리, 후처리 등의 기능이 약하고 사용자들에 대한 A/S가 소홀할 수밖에 없었다.
이러한 사회적 요구에 부응하여 1988년 4월에는 한국전산구조공학회가 창립되었고 전산구조공학 분야의 전문가들이 연구결과와 정보를 교환하며 기술 향상을 위하여 많은 활동을 해오고 있다.
성숙기 (1990년대)
국내에서 구조해석과 설계를 위한 본격적인 프로그램이 개발되기 시작한 것은 최근의 일이다. 그 대표적인 예로 BUILDS, FESA와 MIDAS 등을 들 수 있는데 이들은 토목·건축분야의 구조해석 및 설계를 위한 본격적인 프로그램이다. 한국과학기술원의 최창근 교수 연구팀은 지난 20여년간 고층건물 해석 및 설계를 위한 BUILDS와 일반구조물의 해석을 위한 FESA를 개발하는데 주력하여 왔다. 이들 프로그램에는 그 동안에 최창근 교수의 지도를 받은 수많은 젊은 박사들의 연구결과가 집대성되어 있어서 수많은 첨단 이론이 내장되어 있다. 이 프로그램들은 대학에서 개발하였기 때문에 아직까지 사용자를 위한 조치가 충분히 이루어지지 않고 있어서 실무에 널리 활용되지는 못하고 있으나 실용화를 위한 후속조치가 마무리되면 매우 폭넓게 실무와 연구에 활용이 될 수 있을 것으로 기대된다.
MIDAS는 포스코개발주식회사 설계감리본부 CAD/CAE팀 소속 19명 (팀장 이형우)의 전문가들이 1989년 말경에 개발하기 시작하여 1996년 10월에 처음으로 일반에 완전 공개하였는데 국내에서 개발된 전산구조공학 프로그램 중에서 제대로 상품화가 된 최초의 예라고 할 수 있다. 이 프로그램은 MIDAS/GEN, MIDAS/BDS 및 MIDAS/SDS의 3가지로 구성되어 있으며 각각은 잘 알려진 SAP90, ETABS 및 SAFE와 유사한 기능을 가지고 있는 것으로 알려져 있다. 국내에서 개발된 이 프로그램의 활용성과 정확성에 대한 확인을 한국전산구조공학회에 의뢰하는 등 상품화에 상당히 세심한 배려를 하였다.
국내에서는 98년 2월 현재 140여개의 회사가 MIDAS를 사용하고 있으며 동해화력발전소, 기아자동차 아산공장, 한국전기연구소 등의 공장건축분야와 군포산본지구 아파트, 중국 상해의 은관 대하타워, 베트남 호치민시의 IBC센터, 포스코센터 빌딩, 나산 보라매 스위트타운 등 다수의 일반건축분야에 활용이 되었으며 대전 Expo교 시공해석 등 토목분야와 김포 O.C Hangar Roof, 인천 신공항 여객청사 등 다수의 특수구조분야에 이르기까지 약 1,000여개의 실무 Project에 MIDAS가 활용되었다. 가까운 시일 내에 Windows 98 환경에서 사용할 수 있도록 개정작업이 진행중이며 앞으로는 Full Auto Mesh-Generation, Basic Drawing Generation 등의 기능을 추가하여 2005년에는 구조물의 해석과 설계를 위한 Total Integration System을 구축할 계획으로 지속적인 작업이 이루어지고 있다.
이와 같이 판매시장이 한정된 국내에서도 전산구조공학 프로그램의 상품화가 성공을 거둘 수 있었던 것은 그래픽 모델링, CAD 데이타 입력기능, 절점과 요소의 자동발생 및 복제기능, 기둥/보 접합부 Panel Zone 자동고려기능, 국내외 규준에 따른 풍하중 및 지진하중 자동입력기능 등의 뛰어난 전처리기능과 여러 가지의 다양한 요소를 사용하고 정적/동적 해석이 가능한 점과 여러 가지의 해석결과를 효과적으로 파악할 수 있도록 하는 뛰어난 후처리 기능 등이 종합적으로 인정받기 때문이라고 생각이 된다. 특히 국내외의 여러 가지 설계규준이 내장되어 있어서 강도검증 및 설계에 매우 편리하며 사용자재에 대한 목록표를 작성해 주는 기능도 있어서 구조기술자들이 구조설계시에 여러 가지 대안에 대한 비교연구 등 실무에 활용하기에 매우 편리한 점이 있어서 앞으로 이러한 프로그램의 활용범위는 크게 늘어날 전망이다. 앞으로도 우수한 기술인력이 이러한 분야에 집중하여 좋은 프로그램을 개발한다면 국내 판매시장의 규모가 제한되어 있다 하더라도 상당한 호응을 얻을 수 있을 것이며 국내의 구조기술자들에게 크게 도움이 될 수 있을 것이다.
◆ 처음으로
--------------------------------------------------------------------------------
전산 구조 공학의 전망
최근에 이르러 요소의 선정, 체눈의 세분화, 해석방법의 선정, 해석 결과의 분석등 유한 요소법에 의한 구조해석 분야에 인공지능의 응용에 관한 연구가 학자간에 관심을 끌고 있다. 팩캐지 프로그램에 의한 해석결과를 맹신하는 데서 오는 위험을 미리 방지하기 위하여 입력데이타 준비, 해석방법의 선정, 고도의 연산처리 능력을 갖는 컴퓨터의 발달에 따라 수치해석기법에 대한 관심이 높아져서 1970년 초부터 유한요소법, 유한차분법, 경계요소법 등 수치해석법들의 이론이 정립되고 꾸준하게 발전되어 오고 있다. 또한 입출력 장치를 포함한 컴퓨터 주변기기의 발달은 컴퓨터의 이용을 더욱 편리하고 다양하게 하여 설계 및 생산 업무에까지 활발하게 사용하고 있다.
구조해석프로그램의 발달은 조선분야만 보더라도 쉽게 알 수 있다. 초대형 구조물을 생산하는 노동집약적 산업에 속하는 조선 분야에 있어서도 컴퓨터의 발달은 설계는 물론 생산 분야에 획기적인 변화를 가져왔다.
1970년대 중반 이전의 선박 설계는 기본설계(basic design) 후 선급규칙(classification rule)에 의해 구조설계가 수행되어 간이근사해석을 통해 검증되었다.
컴퓨터의 발달과 이에 따른 수치해석기법의 개발을 통해 70년대 중반 이후 선박의 3차원 해석이 가능해짐에 따라 선박구조의 안전 설계를 위하여 선체의 항복강도(yield strength), 좌굴강도(buckling strength), 피로강도(fatigue strength)와 최종강도(ultimate strength)해석에 대한 개발 연구가 꾸준히 수행되어 왔다.
이와 같은 구조해석시스템은 구조물에 대한 실제 거동을 가능한 수치해석의 접근모델로 이상화하여 실제거동과 근사한 해를 도출하기 위한 것이다. 즉 이상화된 기하학적 모델을 만들고 제품의 재질, 작용하중과 경계조건을 정의하면 변형, 진동, 응력등을 예측할 수 있다. 이 과정은 일반적으로 전처리과정(pre-processing), 해석과정(solving), 후처리과정(post- processing)으로 구분 할 수 있다. 전처리과정을 모델링 과정이라 하며 실제 구조해석 작업 과정에서 가장 많은 시간과 노력이 소요되는 단계이며 정확한 결과를 얻기 위하여 최적의 모델링이 요구되어지기 때문에 근래에는 구조물의 특수성을 고려한 전용 모델링 프로그램의 개발 연구가 활발히 수행되어 왔다.
1980년대 후반 이후 국내의 조선업계는 생산성 향상을 통한 경쟁력 강화를 위하여 CAD/CAE/CAM시스템을 중심으로 한 선박설계 및 생산 시스템의 전산화/자동화를 꾸준히 추진해 왔으며 최근에는 CIM(computer integrated manufacturing) 구축을 위해 노력을 계속하고 있다. CIM을 CAE, CAD, CAM, 공장 자동화 (FA), 생산계획/관리 및 경영관리 등의 요소로 구성되는 컴퓨터 지원에 의한 정보의 통합적 관리라는 개념으로 정의하고 이를 각 구성 요소를 네트워크(network)를 통해 유기적으로 연결함으로서 설계 및 생산에 관계되는 정보를 서로 교환하고 공유할 수 있도록 추진하고 있다. 이처럼 CIM을 실현하기 위해서는 서로 다른 시스템들 간의 정보를 원활하게 교환하고 공유할 수 있는 환경이 구축되어야 한다. 따라서 조선 분야의 전산구조공학 역시 선체구조해석을 위한 모델링자동화에 초점을 맞추어 연구개발을 수행하고 있다. 즉 상용선박을 대상으로 선체 중앙부의 유한요소 구조해석에 필요한 모델링을 자동수행하는 것으로 구조설계시스템으로부터 전달되는 선체중앙부내 주요 강도 부재의 정보 및 각 선급에서 규정된 설계하중조건, 혹은 선체 파랑하중에 대한 직접 계산하여 얻은 설계 하중 등으로부터 일반 범용 유한 요소 구조해석프로그램에 직접 사용될 수 있는 3차원 유한 요소 구조 모델을 수치 입력자료를 자동생성함으로서 유한 요소 구조 해석 과정을 자동화하는 것이다.
CAD시스템이 제품의 형상정보를 생성하는 시스템인데 비해 CAE시스템은 설계의 초기단계에서 해석, 실험 등을 통해 대상이 되는 제품의 거동을 파악하여 제품의 제반 성능을 예측함과 동시에 제품을 종합적으로 판단하게 해주는 시스템으로 이해 할 수 있다.
선박을 비롯한 각종 구조물의 해석에 이용되는 유한 요소법으로 대표되는 전산구조해석은CAE시스템에 속하게 되며 앞에서 언급한 CIM구축을 위해서는 우선 제품 정보를 생성하는 CAD시스템과 CAE시스템 즉 설계 시스템과 해석 시스템을 통합할 필요가 있다. 또한 하나의 해석 시스템에 의해 생성된 정보를 다른 해석 시스템의 정보로 사용할 수 있도록 서로 다른 해석 시스템간의 통합화가 필요하다.
통합 CAE시스템에서는 CAD시스템과 CAE시스템 각 해석 시스템 상호간의 정보를 교환 이용할 수 있다. 예를 들면 제품모델로부터 선체운동해석이나 선체구조해석에 필요한 해석모델을 생성한다. 또한 선체운동 해석을 통해 얻어지는 하중정보는 제품모델내에 저장되어 선체구조해석에 이용할 수 있다.
CAD를 이용한 Hull Form과 구조설계, CFD에 의한 유체해석, FEM·BEM에 의한 구조 해석, 가격계산, 신뢰도분석 등이 직렬 또는 병렬로 연결되어 상호간의 정보를 교환하면서 수 차례의 시뮬레이션을 통하여 선박의 최적설계를 수행할 수 있다. 따라서 조선 분야에서의 전산구조공학 또한 전산해석기술의 지속적인 연구개발은 물론 통합 CAE시스템 확립을 위하여 CAD시스템으로부터 자동으로 해석모델을 생성하고 각 해석시스템간의 정보를 공유할 수 있는 연구가 수행되어져야 하며 이를 통하여 최적구조 설계에 대한 시뮬레이션이 이루어질 수 있으며 나아가서 생산계획/관리를 포함하는 CIM의 구축에 많은 기여를 할 수 있을 것이다.
전산구조공학은 전자계산기를 활용하여 발전하는 학문분야이므로 이들의 발전방향은 서로 분리시켜서 생각할 수는 없을 것이다. 전자계산기의 기억용량이나 속도가 눈부시게 향상이 되고 있음은 물론이고 병렬연산(parallel processing) 등의 기능이 개발되는 등 여러 가지의 변화가 일어나고 있다. 이러한 추세에 따라서 전산구조공학도 대용량의 연산이 매우 빠른 전자계산기를 사용하여야 가능한 분야의 발전이 급속하게 이루어 질 것이며 3차원 graphic display 등 다양한 표현방법을 활용하는 응용 프로그램의 개발이 활발하게 이루어 질 것이다.
-------------------------------------------------------
개 요
국외 유한요소프로그램 발전사
국외 구조해석프로그램 발전사
국외 프로그램 소개
국내 구조해석 프로그램 발전사
전산 구조 공학의 전망
--------------------------------------------------------------------------------
개 요
구조해석 프로그램은 1970년대 중반 이후 1980년대와 1990년대 초에 이르는 기간에는 지금까지 개발된 유한요소 이론을 바탕으로 그 활용에 주력하는 연구가 진행되었다. SAP시리즈를 위시하여 유한요소해석을 위한 팩캐지프로그램이 무수히 등장하게 되어 이를 이용한 연구결과가 많이 발표되었다. 그러므로 구조해석 프로그램 및 설계용 프로그램의 발전사를 알기 위해서는 필연적으로 유한요소법의 발전사에 대해서 알아 볼 필요가 있다. 본 절에서는 유한요소법의 발전사에 대하여 간략하게 소개한 후 구조해석 및 설계용 프로그램의 발전사에 대하여 소개하였다.
◆ 처음으로
--------------------------------------------------------------------------------
국외 유한요소 프로그램 발전사
1950년대 초, 세계의 항공기 산업은 프로펠러기에서 제트기로 크게 비약하고 있었다. 일대 전환기를 맞이하고 있었다. 이와 같은 항공기의 고속화에 따라 기체는 공기역학적 요청에 의해 후퇴익구조를 다루지 않을 수 없게 되어 구조기술자로서는 후퇴익 플래터 특성의 보다 정확한 파악이라는 크고 어려운 문제를 짊어지게 되었다. 이 문제에 대한 개발연구가 거의 비슷한 시기에 때를 같이 하여 미국과 유럽에서 시작하였으며, 미국에서는 특히 시애틀에 있는 보잉사의 Turner를 중심으로 한 개발팀이, 또 유럽에서는 런던대학 항공학과의 Argyris를 중심으로 하는 연구그룹이, 계속적인 노력 끝에 '유한요소법' 기술의 모체가 된 매트릭스구조 해석법이라는 새로운 해석법 개발에 성공한 것이다. 우연의 일치이기는 하지만 때를 같이 하여 IBM사가 세계에서 최초의 기술계산용의 전자계산기 IBM 650의 개발을 발표하였다. 유한요소법은 종래의 구조기술자가 현장에서의 기술계산이나 설계사무로써 해온 계산의 순서를 매트릭스 대수라는 수학언어를 사용하여 조직적이고 통일적으로 쓴 것이다. 전자계산기는 신기하게도 이 언어를 완전히 이해하고 그 명령에 따라 매우 복잡하고 대량의 구조계산을 단시간에 처리하는 것을 가능하게 한 것이다.
이 해석법은 1960년대 우주개발붐에 들끓은 미국의 항공기 업계에 전달되어 각 항공사의 손이 되는 기술개발의 결과, 1969년의 아폴로 11호의 월면착륙의 성공으로 크게 꽃을 피우게 되었다. 항공기 구조해석의 경이적인 진보를 초래한 이 신기술이 다른 공학분야에 파급되어 가는 것은 자연스런 현상이며, 그 보급은 우선 토목공학분야에서 나타나기 시작하였다. 토목공학의 분야로 도입하는데 있어서 선구자적인 역할을 한 것은 캘리포니아대학(U.C. Berkeley)의 Clough이며, 워싱턴대학 항공공학과의 Martin과 보잉사의 Turner의 그룹과 함께 매트릭스 구조해석법 개발의 역군이 되었다. Clough는 이 분야에서 오늘날 선구자였으며 영국의 웰즈대학의 Zienkiewicz에게도 영향을 주었다고 말할 수 있다.
Zienkiewicz는 매트릭스 구조해석기법을 토목공학의 세계에 도입한 선구자이며 토질역학, 콘크리트댐, 교량상판구조 등에 응용하여 여러 가지의 성과를 올렸고 이어 M.W.R의 생각을 도입함으로써 구조공학 이외 분야의 해석에, 유한요소법을 응용하는 길을 개척하였다. 우선 압밀이나 침수류라는 토양 속의 지하수 흐름의 해석을 시작하고 이어 유체역학으로의 응용을 시도하여 포텐샬흐름, 점성흐름, 항만진동, 수중에서 진동하는 물체의 겉보기의 질량문제, 탱크용기 내의 액체의 슬로싱(sloshing)문제, 조석류, 천파수, 등의 여러 문제의 해석으로, 종래의 차분법에서는 구하기 어려웠던 유체문제에서 주목을 끌 가치가 있는 수많은 성과를 올렸다. 유한요소법이 이와 같이 구조공학 이외의 분야에 본격적으로 응용되도록 된 것은 1970년에 들어서부터인데 Zienkiewicz는 1960년 중간쯤부터 선구적 연구를 진행하였다.
◆ 처음으로
--------------------------------------------------------------------------------
국외 구조해석 프로그램 발전사
범용 프로그램이란 일반적으로 모든 용도에 제공할 수 있는 프로그램에 대한 총칭이지만 여기에서는 그 프로그램을 이용해서 자기의 연구나 응용에 도움이 되게 한다기보다도 여러 사람들이 그 프로그램을 이용해서 각각의 문제를 해석함에 주안을 둔 프로그램을 총칭하기로 한다. 이와 같은 프로그램의 특징은 해석 기능이 풍부할 뿐만 아니라 입력 데이터 작성의 단순화를 꾀하기 위한 전처리 프로그램이나 이용자의 다양한 요구에 응하기 위한 후처리 프로그램이 준비된다. 프로그램의 보수, 확장을 위한 다양한 노력이 소개되고 있으며 사용자의 편의를 꾀하기 위하여 각종의 다큐멘트를 완비하고 있는 것이 보통이다. 일반적으로 이 종류의 프로그램은 앞에서 기술한 프로그램과 비교해서 그 도입 또는 사용에 있어서 필요로 하는 경비가 고가이며, 또 프로그램의 내용은 공개되어 있지 않다. 이러한 프로그램의 현상은 그 개발기관 또는 대리기관에 있어 발행되고 있는 팜플렛과 인터넷의 홈페이지에 의하여 파악될 수가 있다. 상품으로서의 경쟁이 심하므로 그 해석 능력 및 기능의 확장은 계속 발전하고 있다. 따라서 여기에서 그러한 것을 정당하게 비교하고 해설하기는 곤란하므로 여기에서는 어떠한 프로그램이 존재하고 그 프로그램의 발전사와 그 규모는 어느 정도인가를 소개한다.
구조해석에 이용할 수 있는 프로그램의 광범위한 조사는 1974년에 Pilkey 등에 의하여 1000페이지가 넘는 논문집으로 출판되어 있으며, 또 최근 이 분야에 있어 큰 관심을 모으고 있는 비선형 해석을 위한 프로그램의 조사도 국내외에서 발표되고 있다. 특히 Noor는 해석해야 할 비선형 문제를 같은 기술자에 있어 프로그램 선택의 기준으로서 이용할 수 있도록 36종류의 프로그램에 대해서 그 해석기능을 표 형식으로 요약함과 함께 개개의 프로그램에 대해서 특별하고 독특한 기능, 프로그램의 수정, 개량 등의 보수성, 이용자에 대한 지원체제, 프로그램의 규모, 타 기종으로의 이식성 등에 관해서 조사를 하고 있다. 여기에서는 최근 국내에서 판매되고 입수할 수 있는 비교적 간단한 프로그램으로부터 널리 해석수단으로 제공되고 있는 범용 프로그램까지에 관해서 요약한다.
미국 및 유럽 선진국의 대학 및 연구기관에서 수많은 구조해석프로그램이 개발되고 있으며 이러한 프로그램의 일부는 유한요소법의 초기부터 실제의 공학분야에 큰 영향을 주어 왔다. 이와 같은 프로그램 중에서 하나로서 우리 나라에서 가장 많이 알려져 있는 SAP시리즈 프로그램이 있다. 이 프로그램은 1970년에 캘리포니아대학의 Wilson등에 의하여 개발된 것이며 범용성을 갖는 정적 및 동적 해석을 위한 비교적 간단한 프로그램이나 지금까지 많은 연구원과 공학자에 의하여 연구나 응용 목적에 맞도록 개조되어 널리 이용되어 왔다. 이후 추가적인 연구와 개발로 SOLIDSAP, SAP III와 마지막으로 SAP IV가 발표되었다. SAP IV가 발표되는 동안 Wilson은 마이크로 컴퓨터에서 대형 컴퓨터까지 통일적으로 이용할 수 있는 새로운 범용 프로그램인 SAP80을 개발하였다. 그리고 최근에 SAP80은 SAP90을 거처 SAP2000으로 발전하게 되었다. 이 프로그램의 비선형 해석을 위한 버전인 NON-SAP이라고 일컬어지고 있는 프로그램은 Bathe가 중심이 되어 개발되었다. 그러나 Bathe가 M.I.T로 옮기고 나서 이 비선형 해석에 대한 작업은 ADINA프로그램으로 이어 받게 되었다. ADINA는 회원들에 대해서만 공개되어 있으며 것이며 비선형 문제의 범용성을 꾀하도록 적극적인 개량, 확장이 행해지고 있으며 개개의 특별한 응용도 많이 발표되고 있다.
한편 NASTRAN은 미국 NASA의 팀이 우주항공분야에 이용할 목적으로 1965년에 개발을 시작하여 1966년에 처음 배포되었으며, 이후 MacNeal-Schwendler Corporation에서 개발 및 발전시켜 1971년에 MSC/NASTRAN을 상용화 시켰다.
또한 ETABS는 1975년 미국 자연과학재단 프로젝트의 일환으로 버클리에 있는 캘리포니아대학에서 Wilson, Hollings 그리고 Dovey에 의해서 시작되었으며, 처음엔 매인프레임용으로 개발되었다. 미국 내 유수한 전문회사에서 사용되다가 개인용 컴퓨터의 보급과 CSI라는 회사가 생기면서 새롭게 태어나게 되었다. 그후 지금까지 전처리 프로그램이 보강되었고 ETABS 내의 많은 기능이 사용자의 편의를 위해서 변경되어 왔다. 이렇게 수십 년 동안 사용자들에 의해 검증을 거친 ETABS는 현재 미국뿐만이 아니라 우리 나라에서도 가장 많이 쓰이고 있는 건물해석용 프로그램이다.
GT/STRUDL은 1966년 미국 M.I.T에서 ICES-STRUDL이라는 이름으로 개발된 이래, 1975년부터 Georgia Tech.에서 수정, 보완 및 판매하고 있는 범용구조해석 및 설계용 소프트웨어로서 엔지니어에게 정확하고 완벽한 기술정보를 제공하는 효율적이고 신뢰성있는 통합구조처리 시스템이다. 1989년에 STRUDL의 양대산맥을 이루던 MDC-STRUDL(McDonell Douglas사)과 병합하여, MDC-STRUDL의 여러 기능을 흡수함으로써 명실상부한 STRUDL의 통합화를 이루었다. 위에서 언급하지 않은 범용프로그램은 프로그램을 설명하는 부분에 언급하였다.
다음으로 범용프로그램의 개발국가와 규모를 알아보았다. ABAQS, ANSYS, MARC는 모두 미국에서 개발된 것이며, 특히 비선형 해석에 주력하고 있다. ASKA는 서독의 스튜트가르트대학의 연구기관 ISD에서 개발된 것이며, 이러한 소오스프로그램의 규모는 ANSYS에서 100,000스텝 이상, MARC에서 약 75,000스텝, MSC/NASTRAN에서 약 380,000이며 ASKA에 이르러서는 약 660,000스텝으로 대단히 광대한 것이며 이러한 프로그램으로는 전처리 및 후처리 프로그램이 약 10%이상을 차지하고 있다. STARDYNE, STRUDL은 선형해석을 위하여 미국에서 널리 사용되고 있는 프로그램이며, STARDYNE은 미국에서의 사용실적에, STRUDL은 그 모체인 STRESS에서부터 채용하고 있는 데이터 기술을 위한 언어(POL : Problem Oriented Language)에 특징이 있다. 이와 같은 프로그램에서는 단지 유한요소법을 구체화하기 위한 해석 알고리즘을 프로그램화 할 뿐만 아니라 팽대한 데이타를 효율 좋게 취급하기 위한 데이터 전송 시스템을 독자적으로 개발하는 등 소프트웨어 과학의 분야에 있어서의 고도의 기술을 구사함에 따라서 그 효율화에 힘쓰고 있다.
노르웨이의 선급협회 Det Norske Veritas에서도 1969년에 초기 버전이 완성된 범용 프로그램인 SESAM-69의 개발을 계속하고 있으며 그 규모는 전처리 프로그램이 50,000스텝, 해석프로그램이 100,000스텝, 후처리 프로그램이 30,000스텝이라고 일컬어지고 있다
◆ 처음으로
--------------------------------------------------------------------------------
국외 프로그램 소개
ABAQUS(General-purpose finite-element system)
프로그램 개발자 : Hibbitt, Karlsson and Sorensen, Inc.
홈페이지 : http://www.hks.com/
ABAQUS는 다양한 분야에 적용할 수 있도록 디자인된 다용도 유한요소 프로그램이다. 이 프로그램의 주된 장점은 많은 요소 라이브러리와 광범위한 비선형 해석기능 등이다. 일반해석 분야, 유체해석, 비선형해석등 그 적용범위가 매우 광범위하다. 자세한 적용범위는 다음과 같다.
일반 해석 분야
- Static stress/displacement analysis
- Viscoelastic/viscoplastic response
- Transient dynamic stress/displacement analysis
- Transient or steady-state heat transfer analysis
- Transient or steady-state mass diffusion analysis
- Coupled problems
Thermo-mechanical (sequentially or fully coupled)
Thermo-electrical
Pore fluid flow-mechanical
Stress-mass diffusion (sequentially coupled)
Piezoelectric (linear only)
Acoustic-mechanical (linear only)
- Linear Perturbation Analyses
- Linear static stress/displacement analysis
- Eigenvalue buckling load prediction
- Dynamic stress/displacement analysis
- Determination of natural modes and frequencies
- Transient response via modal superposition
- Steady-state response resulting from harmonic loading
- Response spectrum analysis
- Dynamic response resulting from random loading
추가적인 해석 기능
- Continue simulations begun with ABAQUS/Explicit
- Fracture mechanics design evaluation
- Material removal and addition
- Restart analyses from intermediate states
- Steady-state rolling
- Superelements and substructures
- Submodeling
ADINA(Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis)
프로그램 개발자 : ADINA R&D
홈페이지 :http://www.adina.com/
ADINA는 구조물과 유채해석에 이용하도록 통합되어 있다. 기본적인 선형해석은 매우 효과적으로 수행할 수 있으며, 비선형 효과는 기하학적 비선형과 재료 비선형 및 접촉 상태 등을 고려할 수 있다. 비압축 또는 압축 유동체는 유체로 해석할 수 있으며, 구조물과 유체와의 전체적인 상호작용도 해석할 수 있다. 각 해석모듈은 똑 같은 전처리 및 후처리 프로그램인 ADINA 사용자 Interface(AUI)를 사용하는 ADINA-IN과 ADINA-PLOT를 사용한다. 사용할 수 있는 컴퓨터 기종은 일반 PC, workstation 및 supercomputers 등이다
ANSYS(General-purpose, finite-element program for structural, heat-transfer, and static-electromagnetic analyses)
프로그램 개발자 : Swanson Analysis Systems, Inc. (SASI)
홈페이지 : http://www.ansys.com/
ANSYS는 구조물, 열, 액체, 전기 및 정적 전자기 해석하는 컴퓨터 프로그램 중 스케일이 큰 것 중의 하나이다. ANSYS는 1970년부터 핵, 항공우주, 운송, 의료, 철, 철도, 건설 산업을 포함한 많은 산업체에서 사용되어왔다. ANSYS는 2, 3차원에서 유한요소의 정적, 동적, 온도, 선형 및 비선형해석을 수행하는데 사용된다. ANSYS는 구조물의 입력치와 온도에 의한 결과치를 직접 연결시켜 해석함으로써 온도 응력을 처리할 수 있다. ANSYS는 선형과 비선형 구조물의 상세 영역에 대한 부분모델링 작업이 포함되어 있다. ANSYS는 이러한 많은 기능과 전-후처리를 포함하며 넓은 범위의 그래픽 장치가 지원된다. ANSYS Family 프로그램은 여러 종류가 있다.
DYNA3D(DYNAmics in THREE Dimensions)
프로그램 개발자 : Lawrence Livermore National Laboratory
홈페이지 : http://www.llnl.gov
DYNA3D는 고속의 하중과 충격력이 작용하는 구조물의 복잡한 구조적인 응답을 해석할 수 있는 비선형 해석 프로그램이다. 기본적으로 이 프로그램은 구조물의 응력 효과를 해석할 수 있다. 다른 많은 공학용 프로그램과 같이 DYNA는 유한요소해석에 기반을 두고 있다. 이 프로그램이 다른 프로그램과 차별화 되는 것은 이미 18년 전에 무기체계의 영향을 연구하기 위하여 개발되었다는 것이며, DYNA는 놀랄 만큼 다목적으로 쓰였다. 비록 처음에는 supercomputer용으로 개발되었지만 지금은 공학용 workstations에서도 사용할 수 있다.
GT-STRUDL(Georgia Tech. STRUctural Design Language)
프로그램 개발자 : Georgia Tech
홈페이지 : http://ce6000.ce.gatech.com/gtstrudl.shtml/
GT/STRUDL은 자체 테이터베이스를 내장하고 있는 통합 시스템으로서 내부적인 기능적 분류에 의해 나뉘어져 있는 8가지의 해석기능을 유기적으로 결합하게 구성되어 있어 전체 시스템을 효과적으로 관리하기 용이하게 환경을 제공하고 있다.
- BASIC PROGRAM : 주프로그램 역할을 수행하고 있으며 모델 데이터의 생성에 관련된 모든 부분을 제어하고 있는 부분으로서 해석범위로는 정적해석까지를 가능케 하고 있다. 또한 해석결과치의 분석을 위해 그래픽 환경에서 후처리과정을 수행한다.
- GT-MODELER : 최근 사용자의 요구가 증대하고 있는 GT/STRUDL의 전처리 기능으로서 해석에 필요한 대상구조체를 메뉴와 마우스를 이용하여 모델링 할 수 있도록 제공된다.
- DYNAMIC ANALYSIS : 동적해석을 위해 마련되어 있는 부분으로서 고유진동수 해석, 시간이력해석, 응답스펙트럼 해석, Harmonic Analysis 및 State Analysis 등을 수행할 수 있으며 주로 지진해석이나 기계진동 등에 사용되고 있다.
- ADVANCED ANALYSIS : 지형적 또는 재료적 비선형을 고려하기 위해 적용되는 부분으로서 압축 또는 인장만을 받는 부재, 비선형 스프링지지 등을 입력할 수 있으며, Preload/Prestretch, Hook/Gap 의 거동을 해석할 수 있고 특별히 케이블요소가 마련되어 있어 사장교 및 현수교 등의 케이블 관련 구조물에 적용하여 사용 가능하다.
- STEEL DESIGN : 철골 구조 설계를 수행하는 해석기능로서 해석 결과를 이용, 철골 부재의 자동선택 및 특정 시방에 맞추어 코드 검색을 한다.
- REINFORCE CONCRETE DESIGN : 철근 콘크리트 구조체의 설계를 수행한다.
- GT-OFFSHORE : 해양구조물의 해석 및 설계를 위해 마련되어 있는 해석기능으로서 주로 Jacket구조물 해석을 위해 사용되고 있다. 파도, 바람, 해류에 의한 하중 등을 생성시켜 주며 슬라이딩 해석이나 구조물의 해상에서의 이동간 해석 등을 수행하고 피로해석 기능을 포함하고 있다.
- DATABASE EXCHANGE : GT/STRUDL이 모든 입력 데이터 및 출력 결과치는 자체 DATABASE에 의하여 관리되어지며, 이는 모두 사용자에 의해 일정 양식을 갖추어 파일로 생성되어 질 수 있다. 이 파일을 이용하여 타 프로그램과의 호환을 가능케 하며 이를 통해 전체적인 시스템 통합을 구현 할 수 있다.
MSC/NASTRAN(General-purpose, finite-element program for Structural Analysis, Thermal Analysis, and Optimization)
프로그램 개발자 : MacNeal-Schwendler Corporation (MSC)
홈페이지 : (미국) http://www.macsch.com
(한국) http://www.msc.co.kr/
MSC/NASTRAN은 미항공우주국(NASA)에서 우주선의 구조 해석을 위해 개발한 구조 해석 프로그램에서 출발하여 지난 30여년 간의 연구 개발을 통하여 대다수 산업 분야의 표준 해석 시스템으로 자리 매김한 범용 유한요소 해석 프로그램이다. MSC/NASTRAN은 약 100만줄의 소오스로 이루어져 있으며, 이를 사용자들이 쉽게 이용할 수 있도록 기능별로 모듈화 되어 있다. 또한 모든 Solution은 약 5,00개의 엄격한 Patcch test를 거쳐, 최상의 신뢰성을 보장하고 있다.
NISA II / DISPLAY III
프로그램 개발자 : Engineering Mechanics Research Corporation ( EMRC )
홈페이지 : http://www.emrc.com
NISA II / DISPLAY III 프로그램은 크게 NISA II와 DISPLAY III로 나눌 수 있으며NISA II는 NISA II/STATIC, NISA II/HEAT와 NISA II/DYNAMIC 등으로 이루어져 있다. 각각의 기능은 다음과 같다.
- NISAII/STATIC(Linear & Nonlinear) : 선형 및 비선형 정적해석
- NISAII/HEAT : 선형 및 비선형 열전달 해석
- NISAII/DYNAMIC : EIGEN Value 계산과 응답해석
DISPLAY III는 복잡한 유한요소 모델링을 할 때 강력하게 사용할 수 있는 전처리 및 후처리 프로그램이다. 이 프로그램은 1974년부터 지금까지 최신의 컴퓨터 그래픽 기술을 이용하여 계속적으로 개발되어 왔다. 현재는 다른 유한요소 프로그램과 자유롭게 연결할 수 있는 기능을 제공하고 있다.
MSD/PARTRAN
프로그램 개발자 : MacNeal-Schwendler Corporation (MSC)
홈페이지 : (미국) http://www.macsch.com
(한국) http://www.msc.co.kr/
MSC/PATRAN은 전 세계적으로 가장 널리 알려져 있는 CAE전용 Pre/Post Prosessor로서, 주요 CAD/CAE 프로그램과 호환이 가능한, 가장 앞서가는, 유한요소 해석 전후 처리 프로그램으로 인정받고 있다. MSC/PATRAN은 사용자가 기본 구상 설계 단계에서부터 시작품을 만들고 시험하는 설계의 전과정을 Computer상에서 Simulation할 수 있도록 다양한 기능을 제공하고 있으며, 완전히 공개된 Architecture를 가지고 있어, 사용자가 현장의 특징에 맞도록 용이하게 구성을 변경할 수 있다. 주요 기능으로는 다음과 같다
- Direct access of CAD Geometry
- MSC/NASTRAN과의 완벽한 통합
- ABAQUS, MARC, LMS등의 3rd Party solver와의 원할한 호환성
- 사용자 위주의 편리한 사용 환경(Motif-base, Mouse driven GUI)
- On-line Help System
- 사용자가 정의한 In-Housr 프로그램과의 통합을 위한 MACRO기능(PCL)
- Mapped mesh(1D, 2D, 3D)
- Geometry에 지점 하중 및 경계조건, 재료 및 요소 물성치 부여
- 시간의 함수로 정의되는 하중, 온도의 함수로 정의되는 재료 물성치 등을 Graphic으로
생성 및 표현
- Fringe, Contour, Isosurface, Streamline, Animation, Vector, XY-plotting 등 결과를
이해하기 쉽도록 표현하는 후처리 기능
- 자체 Geometry 생성 및 수정 기능
- Networking Licensing
- 설계 및 해석의 자동화를 위해 모든 작업을 Session file에 자동 저장
- 재료정보 시스템인 MSC/MVISION과의 직접 접근 기능
SAP90(Structural Analysis Program)
프로그램 개발자 : Computer and Structures Inc.
홈페이지 : http://www.csiberkeley.com
SAP90은 SAP프로그램 시리즈 중의 하나이며, 계속해서 새로운 버전이 나오고 있다. SAP90은 3차원구조물의 기본적인 정적해석 및 동적해석을 수행할 수 있는 유한요소 프로그램이다. 주로 교량, 댐, 스타디움, 산업구조물과 건물해석에 주로 사용된다. 지금은 상위버전으로 SAP2000이 있으며, 그 용도는 다음과 같다.
- SAP2000 Standard : Static and Dynamic Response Spectrum Analysis for Frame
and Shell Elements and Design.
Capacity: 1500 Nodes
- SAP2000 PLUS : Dynamic Time History Analysis, Plane, Solid
and Asolid Elements, and Bridge Analysis.
Capacity: No practical limit
- SAP2000 Nonlinear : Expands the PLUS options with Dynamic Nonlinear Time
History Analysis, an external Damping Element, Base Isolators,
and Gap and Hook Elements.
Capacity: No practical limit
ETABS(Extention of Three dimension Analysis of Building System)
프로그램 개발자 : Computer and Structures Inc.
홈페이지 : http://www.csberkelyi.com
ETABS는 특별히 건축구조물, 아파트 및 병원 등과 같은 다층의 건축구조물을 위하여 개발되었다. 전 버전보다 전처리 프로그램이 보강되었고 ETABS 내의 많은 기능이 사용자의 편의를 위해서 변경되었다. 이렇게 수십 년 동안 사용자들에 의해 검증을 거친 ETABS는 현재 미국뿐만이 아니라 우리 나라에서도 가장 많이 쓰이고 있는 건물해석용 프로그램 중의 하나이다.
SAFE(Slab Analysis by the Finite Element Method)
프로그램 개발자 : Computer and Structures Inc.
홈페이지 : http://www.csiberkeley.com
콘크리트 슬래브와 기초해석 및 설계전용 프로그램이며, 매우 효과적이고 강력한 프로그램이다. 현재 실무에서 많이 쓰고 있다.
STAAD-III(general purpose STructural Analysis And Design)
프로그램 개발자 : Research Engineers, Inc.
홈페이지 : http://www.reiusa.com
STAAD-III는 오늘날 컴퓨터를 사용하는 공학분야에 가장 최신의 기술을 제공하고 있다 한다. 이 프로그램은 해석과 설계에 있어서 최신의 그래픽 기술과 시각화 기술을 통합 시켰다. 통합된 database는 해석과 구조설계의 개념 단계에서부터 상세 설계, 시뮬레이션 및 시각화까지 완전히 통합적으로 적용된다. 지금은 STAAD-III 다음 버전으로 STAAD/PRO가 개발되었다.
◆ 처음으로
--------------------------------------------------------------------------------
국내 구조해석 프로그램 발전사
우리 나라에서 전산기에 의한 구조공학이 시작된 것은 1970년대 초반이라고 할 수 있다. 이것은 일부의 학자들과 기술자들이 외국에서는 전자계산기를 이용하여 구조해석을 수행하는 수가 있다더라 하는 정도의 소문을 듣기도 하는 정도의 시기이다. 당시에 우리 나라에서는 주로 기계식 탁상용 계산기나 계산척을 사용하여 공학계산을 하고 있었으며 일본에서 만든 소형전자계산기(calculator)가 국내에 막 도입이 된 시점 정도이다. 그러므로 구조기술자들이 제대로 사용할 수 있는 정도의 성능을 가진 전자계산기(computer)는 KIST에 설치되어 있는 정도여서 일반인들이 사용하기에는 상당한 어려움이 있었다. 따라서 전산구조공학 분야의 프로그램은 사용하는 전자계산기의 성능과 특성에 따라서 크게 좌우됨을 알 수 있다. 이러한 배경을 생각하며 국내에서 구조해석과 설계를 위해서 개발되고 활용이 된 프로그램들에 대하여 도입기, 성장기 및 성숙기로 나누어 간략히 소개하기로 한다.
도입기인 1970년대에는 최창근 한국과학기술원 교수, 권택진 성균관대학교 교수, 조철호 건국대학교 교수, 이병해 한양대학교 교수, 이동근 성균관대학교 교수 등이 주로 대형전자계산기를 사용하여 전산구조공학 분야의 프로그램 개발에 많이 참여하였으며 성장기인 1980년대에는 서울산업대학교의 고일두 교수, 국민대학교의 이성우 교수, 전북대학교의 이재영 교수 등이 개인용 전자계산기를 대상으로 하여 많은 활약을 하였다. 성숙기인 1990년대에 들어서자 포스코개발주식회사 등의 대형 기업이 프로그램 개발에 참여하여 보다 경쟁력을 갖춘 소프트웨어들이 개발되고 있어서 점차 국제적인 수준에 진입할 수 있을 것으로 보인다.
도입기 (1970년대)
우리 나라에 전산구조공학이 처음으로 도입이 된 시기로써 1970년대 초반을 생각할 수 있다. 그 당시에 서울대학교 공과대학에 설치된 IBM 1130에서 사용될 수 있는 구조해석 프로그램으로 STRESS가 있다. 이것은 STRUDL의 전신인데 골조구조의 정적해석이 가능한 정도였다. 1971년 말 경에 STRESS의 사용법에 관한 기술강습회가 개최되어 국내 기술자들에게 소개되었다. 이 때 쯤에 울산에 건설될 현대조선소의 설계가 시작이 되었는데 당시의 서울대학교 석사과정의 이동근 학생(지금은 성균관대학교 교수)이 STRESS를 사용하여 골조해석을 수행함으로써 구조설계에 소요되는 시간을 3개월에서 2주 정도로 단축시킬 수 있었다. 그 다음해 봄에는 인천의 선인대학(지금의 인천대학교) 실내체육관 설계에도 STRESS가 사용이 되었으며 그 이후로 차츰 국내에서 활용이 되기 시작하였다.
그러나 서울대학교의 IBM 1130은 기억용량이 부족하고 연산속도가 늦어서 STRESS를 사용하기 위해서는 대형 Magnetic Disk를 교체하고 다른 모든 사용자의 사용을 중단시켜야 하는 등으로 많은 불편함이 있었다. 따라서 구조기술자들은 꼭 필요한 경우가 아니면 STRESS의 사용을 기피하는 현상이 있었다. 이러한 불편함을 해소하기 위하여 1974년 당시에 육군사관학교 도학과 교관으로 군복무 중이던 이동근 교수는 평면 골조의 해석을 위한 프로그램을 개발하고 이를 KIST에 기증하였다. 이 프로그램에 대하여 KIST는 KISTRAS라는 이름을 붙이고 일반에게 공개하였으며 IBM 1130 보다는 훨씬 성능이 우수한 CDC 3300 기종에서 짧은 시간 내에 대형 구조물의 해석이 가능하게 되었다. KISTRAS를 사용하여 구조해석을 한 예로는 서울 지하철 1호선 공사와 잠실의 올림픽 주경기장 등이 있다.
그 후에 KISTRAS는 3차원 골조해석용으로 수정이 되었다. HYJAS라고 명명된 이 프로그램은 1976년에 울산공과대학의 이동근교수가 개발하여 현대중공업(주)이 쥬바일 산업항 공사를 위한 pile jacket의 조립, 운송 및 설치를 수행하기 위한 목적으로 매우 유용하게 활용이 되었다. 또 현대중공업의 전산실에서는 pile jacket의 제작을 위한 전용프로그램을 개발하여 생산 자동화에 성공하기도 하였다. 이와 같이 특수한 목적으로 개발된 프로그램이 실무에 활용되기 시작하였으나 아직은 적은 수의 소규모 프로그램이 제한된 범위 내에서 활용이 되는 정도였다.
유한요소법에 의한 구조해석 프로그램으로는 1973년에 미국의 일리노이 주립대학에서 박사학위를 취득하고 귀국한 KAIST 토목공학과의 최창근 교수(당시는 육군사관학교 교수)가 SAP-IV를 도입하여 KIST에 설치한 것이 효시라고 할 수 있다. 그 이후로 ETABS, SAP90, SAFE, GT-STRUDL, STAAD-III 등 여러 가지의 구조해석 및 설계를 위한 프로그램들이 국내에 도입되어 폭넓게 활용되고 있다.
성장기 (1980년대)
1980년대에 들어서면서 좀 더 많은 전문가들이 전산프로그램의 개발에 참여하고 국내에서 개발된 프로그램들이 실무에 활용되기 시작하였다. 서울산업대학교의 고일두 교수는 1980년에 골조 구조물 해석을 위한 SA10을 완성하였는데 BASIC 언어로 작성이 되어서 주기억용량이 64KB로 제한되는 등 불편한 점이 많았다. 그 뒤를 이은 SA20은 좀 더 나은 환경에서 작동이 될 수 있었으며 1995년에 발표된 SA40은 computer graphics를 활용한 전처리 및 후처리 기능까지 갖추고 있어서 실무 기술자들이 상당히 편리하게 사용할 수가 있게 되었다. 유명한 63빌딩의 초기설계나 부산 Lotte World의 초기설계에도 활용이 되는 등 실무 기술자들에게 많은 도움을 주고 있다.
한국과학기술원의 이동근 교수는 1986년에 Stanford 대학 유학시절에 개발한 전단벽 요소를 활용하여 고층건물의 해석을 위하여 개발한 SWAN을 일반에 공개하였다. 이 프로그램은 그 당시에 주로 2차원 해석을 하던 구조기술자들이 간편하게 3차원 해석결과를 얻을 수 있도록 하는 점과 전단벽에 대한 효율적인 해석이 가능하다는 점등의 장점이 있다. 대전으로 이전한 국립과학관의 Planetarium 구조설계를 위해서 개발된 FULLER는 geodesic dome의 구조해석과 설계를 위한 절점의 생성, 부재의 배치, 하중 산정, 구조해석, 단면설계 등의 모든 과정을 한꺼번에 처리할 수 있는 기능을 가지도록 개발되었다.
특수구조물 전용 프로그램으로는 성균관대학교의 권택진 교수 연구진이 1991년에 완성한 MCS-1이 있다. 막구조, 케이블구조 등의 형상 해석과 응력-변형 해석에 유익하게 활용이 될 수 있는 이 프로그램은 동경대학의 연구진과 공동으로 개발이 되었으며 대전 Expo 당시에 재생조형관의 건설에 활용이 되었다. 이 연구진은 조립식 고층 아파트에 활용이 되는 대형 PC판구조의 탄소성해석을 위하여 강체요소를 사용하는 EPAREM을 개발하여 연구와 실무에 활용하고 있다.
이 시기에는 여러 연구기관에서 전산구조공학 분야의 응용 프로그램을 개발하여 실무에 활용하게 되었다. 특히 조선분야에서는 서울대학교, 한국기계연구원 등의 연구기관과 현대조선, 대우조선, 삼성조선, 대선조선, 조선공사 등의 조선소에서 SEAKEEP, SEAGREEN, WTCON, STAB, AKG86 등의 수많은 프로그램을 개발하여 선박의 설계와 건조에 실용화시켰다.
이와 같이 전산구조공학 분야의 프로그램에 관한 개발 열기가 고조되기 시작한 성장기에는 많은 프로그램들이 개발, 보급되었으나 이러한 프로그램들의 대부분은 개인 연구실에서 개발, 관리를 하게 되어 전처리, 후처리 등의 기능이 약하고 사용자들에 대한 A/S가 소홀할 수밖에 없었다.
이러한 사회적 요구에 부응하여 1988년 4월에는 한국전산구조공학회가 창립되었고 전산구조공학 분야의 전문가들이 연구결과와 정보를 교환하며 기술 향상을 위하여 많은 활동을 해오고 있다.
성숙기 (1990년대)
국내에서 구조해석과 설계를 위한 본격적인 프로그램이 개발되기 시작한 것은 최근의 일이다. 그 대표적인 예로 BUILDS, FESA와 MIDAS 등을 들 수 있는데 이들은 토목·건축분야의 구조해석 및 설계를 위한 본격적인 프로그램이다. 한국과학기술원의 최창근 교수 연구팀은 지난 20여년간 고층건물 해석 및 설계를 위한 BUILDS와 일반구조물의 해석을 위한 FESA를 개발하는데 주력하여 왔다. 이들 프로그램에는 그 동안에 최창근 교수의 지도를 받은 수많은 젊은 박사들의 연구결과가 집대성되어 있어서 수많은 첨단 이론이 내장되어 있다. 이 프로그램들은 대학에서 개발하였기 때문에 아직까지 사용자를 위한 조치가 충분히 이루어지지 않고 있어서 실무에 널리 활용되지는 못하고 있으나 실용화를 위한 후속조치가 마무리되면 매우 폭넓게 실무와 연구에 활용이 될 수 있을 것으로 기대된다.
MIDAS는 포스코개발주식회사 설계감리본부 CAD/CAE팀 소속 19명 (팀장 이형우)의 전문가들이 1989년 말경에 개발하기 시작하여 1996년 10월에 처음으로 일반에 완전 공개하였는데 국내에서 개발된 전산구조공학 프로그램 중에서 제대로 상품화가 된 최초의 예라고 할 수 있다. 이 프로그램은 MIDAS/GEN, MIDAS/BDS 및 MIDAS/SDS의 3가지로 구성되어 있으며 각각은 잘 알려진 SAP90, ETABS 및 SAFE와 유사한 기능을 가지고 있는 것으로 알려져 있다. 국내에서 개발된 이 프로그램의 활용성과 정확성에 대한 확인을 한국전산구조공학회에 의뢰하는 등 상품화에 상당히 세심한 배려를 하였다.
국내에서는 98년 2월 현재 140여개의 회사가 MIDAS를 사용하고 있으며 동해화력발전소, 기아자동차 아산공장, 한국전기연구소 등의 공장건축분야와 군포산본지구 아파트, 중국 상해의 은관 대하타워, 베트남 호치민시의 IBC센터, 포스코센터 빌딩, 나산 보라매 스위트타운 등 다수의 일반건축분야에 활용이 되었으며 대전 Expo교 시공해석 등 토목분야와 김포 O.C Hangar Roof, 인천 신공항 여객청사 등 다수의 특수구조분야에 이르기까지 약 1,000여개의 실무 Project에 MIDAS가 활용되었다. 가까운 시일 내에 Windows 98 환경에서 사용할 수 있도록 개정작업이 진행중이며 앞으로는 Full Auto Mesh-Generation, Basic Drawing Generation 등의 기능을 추가하여 2005년에는 구조물의 해석과 설계를 위한 Total Integration System을 구축할 계획으로 지속적인 작업이 이루어지고 있다.
이와 같이 판매시장이 한정된 국내에서도 전산구조공학 프로그램의 상품화가 성공을 거둘 수 있었던 것은 그래픽 모델링, CAD 데이타 입력기능, 절점과 요소의 자동발생 및 복제기능, 기둥/보 접합부 Panel Zone 자동고려기능, 국내외 규준에 따른 풍하중 및 지진하중 자동입력기능 등의 뛰어난 전처리기능과 여러 가지의 다양한 요소를 사용하고 정적/동적 해석이 가능한 점과 여러 가지의 해석결과를 효과적으로 파악할 수 있도록 하는 뛰어난 후처리 기능 등이 종합적으로 인정받기 때문이라고 생각이 된다. 특히 국내외의 여러 가지 설계규준이 내장되어 있어서 강도검증 및 설계에 매우 편리하며 사용자재에 대한 목록표를 작성해 주는 기능도 있어서 구조기술자들이 구조설계시에 여러 가지 대안에 대한 비교연구 등 실무에 활용하기에 매우 편리한 점이 있어서 앞으로 이러한 프로그램의 활용범위는 크게 늘어날 전망이다. 앞으로도 우수한 기술인력이 이러한 분야에 집중하여 좋은 프로그램을 개발한다면 국내 판매시장의 규모가 제한되어 있다 하더라도 상당한 호응을 얻을 수 있을 것이며 국내의 구조기술자들에게 크게 도움이 될 수 있을 것이다.
◆ 처음으로
--------------------------------------------------------------------------------
전산 구조 공학의 전망
최근에 이르러 요소의 선정, 체눈의 세분화, 해석방법의 선정, 해석 결과의 분석등 유한 요소법에 의한 구조해석 분야에 인공지능의 응용에 관한 연구가 학자간에 관심을 끌고 있다. 팩캐지 프로그램에 의한 해석결과를 맹신하는 데서 오는 위험을 미리 방지하기 위하여 입력데이타 준비, 해석방법의 선정, 고도의 연산처리 능력을 갖는 컴퓨터의 발달에 따라 수치해석기법에 대한 관심이 높아져서 1970년 초부터 유한요소법, 유한차분법, 경계요소법 등 수치해석법들의 이론이 정립되고 꾸준하게 발전되어 오고 있다. 또한 입출력 장치를 포함한 컴퓨터 주변기기의 발달은 컴퓨터의 이용을 더욱 편리하고 다양하게 하여 설계 및 생산 업무에까지 활발하게 사용하고 있다.
구조해석프로그램의 발달은 조선분야만 보더라도 쉽게 알 수 있다. 초대형 구조물을 생산하는 노동집약적 산업에 속하는 조선 분야에 있어서도 컴퓨터의 발달은 설계는 물론 생산 분야에 획기적인 변화를 가져왔다.
1970년대 중반 이전의 선박 설계는 기본설계(basic design) 후 선급규칙(classification rule)에 의해 구조설계가 수행되어 간이근사해석을 통해 검증되었다.
컴퓨터의 발달과 이에 따른 수치해석기법의 개발을 통해 70년대 중반 이후 선박의 3차원 해석이 가능해짐에 따라 선박구조의 안전 설계를 위하여 선체의 항복강도(yield strength), 좌굴강도(buckling strength), 피로강도(fatigue strength)와 최종강도(ultimate strength)해석에 대한 개발 연구가 꾸준히 수행되어 왔다.
이와 같은 구조해석시스템은 구조물에 대한 실제 거동을 가능한 수치해석의 접근모델로 이상화하여 실제거동과 근사한 해를 도출하기 위한 것이다. 즉 이상화된 기하학적 모델을 만들고 제품의 재질, 작용하중과 경계조건을 정의하면 변형, 진동, 응력등을 예측할 수 있다. 이 과정은 일반적으로 전처리과정(pre-processing), 해석과정(solving), 후처리과정(post- processing)으로 구분 할 수 있다. 전처리과정을 모델링 과정이라 하며 실제 구조해석 작업 과정에서 가장 많은 시간과 노력이 소요되는 단계이며 정확한 결과를 얻기 위하여 최적의 모델링이 요구되어지기 때문에 근래에는 구조물의 특수성을 고려한 전용 모델링 프로그램의 개발 연구가 활발히 수행되어 왔다.
1980년대 후반 이후 국내의 조선업계는 생산성 향상을 통한 경쟁력 강화를 위하여 CAD/CAE/CAM시스템을 중심으로 한 선박설계 및 생산 시스템의 전산화/자동화를 꾸준히 추진해 왔으며 최근에는 CIM(computer integrated manufacturing) 구축을 위해 노력을 계속하고 있다. CIM을 CAE, CAD, CAM, 공장 자동화 (FA), 생산계획/관리 및 경영관리 등의 요소로 구성되는 컴퓨터 지원에 의한 정보의 통합적 관리라는 개념으로 정의하고 이를 각 구성 요소를 네트워크(network)를 통해 유기적으로 연결함으로서 설계 및 생산에 관계되는 정보를 서로 교환하고 공유할 수 있도록 추진하고 있다. 이처럼 CIM을 실현하기 위해서는 서로 다른 시스템들 간의 정보를 원활하게 교환하고 공유할 수 있는 환경이 구축되어야 한다. 따라서 조선 분야의 전산구조공학 역시 선체구조해석을 위한 모델링자동화에 초점을 맞추어 연구개발을 수행하고 있다. 즉 상용선박을 대상으로 선체 중앙부의 유한요소 구조해석에 필요한 모델링을 자동수행하는 것으로 구조설계시스템으로부터 전달되는 선체중앙부내 주요 강도 부재의 정보 및 각 선급에서 규정된 설계하중조건, 혹은 선체 파랑하중에 대한 직접 계산하여 얻은 설계 하중 등으로부터 일반 범용 유한 요소 구조해석프로그램에 직접 사용될 수 있는 3차원 유한 요소 구조 모델을 수치 입력자료를 자동생성함으로서 유한 요소 구조 해석 과정을 자동화하는 것이다.
CAD시스템이 제품의 형상정보를 생성하는 시스템인데 비해 CAE시스템은 설계의 초기단계에서 해석, 실험 등을 통해 대상이 되는 제품의 거동을 파악하여 제품의 제반 성능을 예측함과 동시에 제품을 종합적으로 판단하게 해주는 시스템으로 이해 할 수 있다.
선박을 비롯한 각종 구조물의 해석에 이용되는 유한 요소법으로 대표되는 전산구조해석은CAE시스템에 속하게 되며 앞에서 언급한 CIM구축을 위해서는 우선 제품 정보를 생성하는 CAD시스템과 CAE시스템 즉 설계 시스템과 해석 시스템을 통합할 필요가 있다. 또한 하나의 해석 시스템에 의해 생성된 정보를 다른 해석 시스템의 정보로 사용할 수 있도록 서로 다른 해석 시스템간의 통합화가 필요하다.
통합 CAE시스템에서는 CAD시스템과 CAE시스템 각 해석 시스템 상호간의 정보를 교환 이용할 수 있다. 예를 들면 제품모델로부터 선체운동해석이나 선체구조해석에 필요한 해석모델을 생성한다. 또한 선체운동 해석을 통해 얻어지는 하중정보는 제품모델내에 저장되어 선체구조해석에 이용할 수 있다.
CAD를 이용한 Hull Form과 구조설계, CFD에 의한 유체해석, FEM·BEM에 의한 구조 해석, 가격계산, 신뢰도분석 등이 직렬 또는 병렬로 연결되어 상호간의 정보를 교환하면서 수 차례의 시뮬레이션을 통하여 선박의 최적설계를 수행할 수 있다. 따라서 조선 분야에서의 전산구조공학 또한 전산해석기술의 지속적인 연구개발은 물론 통합 CAE시스템 확립을 위하여 CAD시스템으로부터 자동으로 해석모델을 생성하고 각 해석시스템간의 정보를 공유할 수 있는 연구가 수행되어져야 하며 이를 통하여 최적구조 설계에 대한 시뮬레이션이 이루어질 수 있으며 나아가서 생산계획/관리를 포함하는 CIM의 구축에 많은 기여를 할 수 있을 것이다.
전산구조공학은 전자계산기를 활용하여 발전하는 학문분야이므로 이들의 발전방향은 서로 분리시켜서 생각할 수는 없을 것이다. 전자계산기의 기억용량이나 속도가 눈부시게 향상이 되고 있음은 물론이고 병렬연산(parallel processing) 등의 기능이 개발되는 등 여러 가지의 변화가 일어나고 있다. 이러한 추세에 따라서 전산구조공학도 대용량의 연산이 매우 빠른 전자계산기를 사용하여야 가능한 분야의 발전이 급속하게 이루어 질 것이며 3차원 graphic display 등 다양한 표현방법을 활용하는 응용 프로그램의 개발이 활발하게 이루어 질 것이다.
다음검색