NLAD 격자 업데이트 기능을 사용한 파손 해석 소개

Ansys Mechanical™ 2026R1에서 업데이트된 Nonlinear Adaptivity(NLAD) 격자 업데이트 기능을 사용하여 파손 해석 수행 방법에 대해 소개하고자 한다.

Ansys Mechanical을 사용한 구조물의 파손 해석은 아래와 같이 다양한 방법으로 수행할 수 있다.

- SMART(Separating/Morphing/Adaptive/Remeshing/Technology) Method
- VCCT(Virtual Crack Closure Technique)
- Interface Delamination(CZM)
- XFEM(eXtended Finite Element Method)
- EKILL command (ANZINE vol55 참고)
파손을 평가하는 방법 및 이론이 많은 만큼 해석에서 사용할 수 있는 기법이 다양하고 사용자의 편의성 및 케이스에 따라서 접근 방법 또한 달라지게 된다.

[그림 1] 구조물 크랙 선단 정의 및 생성 격자

Ansys Mechanical에서는 보통 [그림 1]과 같이 크랙 선단 정의가 필수로 요구되며, 크랙 진전 방향도 미리 정의해야 하는 경우가 많다. 크랙 선단을 미리 정의하지 않는 EKILL 명령어 사용 방법의 경우에는 ANZINE 55호에서 정리한 것처럼 초기에 너무 많은 요소가 적용되어야 정확도가 올라간다는 점과 크랙의 방향성이 요소 생성 모양에 따라 영향을 받는 등의 단점이 존재한다.

<해석조건>

[그림 2] Ansys Mechanical에서 수행하는 파손 해석

이번 호에서는 Nonlinear Adaptivity(NLAD) 격자 업데이트 기능을 사용하여 파손해석을 수행하는 방법에 대해 소개하고자 한다.

Nonlinear Adaptivity(NLAD) 소개

Nonlinear Adaptivity(NLAD) 격자 업데이트 기능은 해석 도중에 발생하는 과도한 격자 변형을 확인하여 자동으로 격자를 Remeshing하는 기술로 비선형 해석 수렴 문제를 개선하고자 개발한 기능이다. 보통 대변형 또는 비선형성이 큰 재료 해석에서 사용하고 해석 격자의 품질(Mesh criterion), 에너지(Energy criterion), 위치기반(Box criterion)을 기준으로 Remeshing이 수행된다.

[그림 3] 요소의 품질 기반으로 수행한 Remeshing

이번 Ansys Mechanical 2026R1 업데이트의 많은 기능들 중에 NLAD 관련 새로운 기능들이 아래와 같이 추가되었는데 그 중 파손해석을 위해 소개할 기능이 Element Removal 옵션이다.

- TNM, Bergstrom Boyce, Arruda-Boyce 재료 지원
- Element Removal 옵션 추가
- Contact Criterion 추가

[그림 4] NLAD Ansys Mechanical 2026R1 업데이트

Element Removal 옵션 소개

Element Removal는 해석 중에 발생하는 변형률(Strain) 값을 기준으로 요소를 제거하는 역할을 한다. 이 옵션은 초탄성 재료에서 발생하는 미세 공극 현상을 구현하거나 극단적인 파단 현상을 해석할 수 있다.

[그림 5] 초탄성 재료의 미세 공극 발생 해석 결과

[그림 5]와 같이 초탄성 재료의 과도한 변형에 의해 발생하는 미세한 공극이 성장하고 병합되면서 균열에서 파단으로 이어질 수 있는데 이를 NLAD Element Removal 옵션을 사용하여 구현할 수 있다. [그림 6]은 시편 파단 현상과 같은 Implicit 솔버로 구현하기 어려운 해석들의 거동 평가까지 가능함을 보여준다.

[그림 6] 시편 파단 해석 결과

NLAD Element Removal 옵션은 최대 등가 변형률(Maximum Equivalent Strain) 또는 최대 주변형률(Maximum Principal Strain)을 기준으로 해석 수행이 가능하며 최대/최소값을 정의하여 적용할 수 있다.

[그림 7] Element Removal 옵션 창

EKILL 명령어를 쓰는 방법과 유사하지만 격자 업데이트 도중에 요소 제거가 가능한 기능이라 초기 격자의 영향성이 덜하고 추가 옵션을 사용하여 파손에 의한 부유 요소(Isolated elements) 삭제 기능을 통해 수렴성도 높일 수 있다.

NLAD의 Element Removal 옵션 설정 방법

Element Removal 옵션은 아직 Ansys Mechanical의 Beta 옵션을 통해서만 사용이 가능하고 2D PLANE182 요소만 지원한다.

[그림 8] 2D PLANE182 요소

NLAD 적용은 [그림 9]와 같이 “Nonlinear Adaptive Region”을 정의해야 한다. NLAD는 격자 업데이트를 사용하지 않고 순수하게 Element Removal 기능만을 적용하여 해석을 수행할 수도 있고 Region을 두개 이상 지정하여 격자 업데이트와 Removal 옵션을 동시에 중복하여 적용할 수도 있다.

[그림 9] Nonlinear Adaptive Region 설정

NLAD를 적용한 크랙 진전해석

크랙 진전 해석에 Nonlinear Adaptivity(NLAD)의 Element Removal 옵션을 사용하면 [그림 10]과 같은 결과를 얻을 수가 있다. 응력 기반의 요소 삭제 기능과는 경향이 다르게 나타나는 것을 확인할 수 있다.

[그림 10] Element Removal 옵션을 사용한 크랙 진전 해석 결과

실제로 Nonlinear Adaptivity(NLAD)의 Element Removal 옵션은 파단 해석 또는 재료의 공극 해석에서 유용하게 사용이 가능하지만 크랙 진전 해석에 적용하기에는 알맞지 않은 것을 볼 수 있다.

맺음말

Ansys Mechanical에서 수행 가능한 여러 파손 해석 방법들에 대해 설명하면서 이번 Ansys 2026R1에 업데이트된 Nonlinear Adaptivity(NLAD)의 Element Removal 옵션을 소개하였다. Element Removal 옵션을 사용하여 Implicit 솔버로 구현하기 어렵던 파손 해석을 2D에서 제한적으로 구현 가능함을 확인하였다. 다음 업데이트에서는 3D 해석으로도 제한없이 Element Removal 옵션 사용이 가능해지길 기대해본다.