1. 개요[편집]
| Abaqus | |
|---|---|
| 종류 | 상용 유한요소 해석(FEA) |
| 개발 | Dassault Systèmes SIMULIA (구 HKS) |
| 해석 기법 | 유한요소법 (FEM) |
| 주요 솔버 | Abaqus/Standard(음해), Abaqus/Explicit(양해) |
| 분야 | 구조해석, 비선형, 접촉, 충돌 |
| 라이선스 | 상용(토큰 기반), 학생용 에디션 존재 |
| 스크립팅 | Python, 사용자 서브루틴(Fortran) |
선형 문제는 다들 잘 푼다. 사람 갈리는 건 언제나 비선형이고, 그 지옥에서 Abaqus는 든든하다.
Abaqus(아바쿠스)는 유한요소법을 기반으로 한 상용 구조해석 소프트웨어로, 특히 비선형 해석에 강한 것으로 정평이 나 있다. 재료 비선형(소성·초탄성·크리프), 기하 비선형(대변형·좌굴), 경계 비선형(접촉 해석)이라는 비선형 구조해석의 삼대 난제를 모두 안정적으로 다루는 능력 덕분에, 자동차 충돌·타이어·고무 씰·복합재·생체역학 같은 까다로운 문제에서 사실상의 표준으로 쓰인다.
개발사는 프랑스 Dassault Systèmes 산하의 SIMULIA 브랜드다. 원래는 미국 HKS(Hibbitt, Karlsson & Sorensen)가 1978년부터 개발해온 코드로, 이름 Abaqus는 고대 계산 도구 아바쿠스(주판)에서 따왔다.1 두 개의 솔버 — 정적·준정적에 강한 Abaqus/Standard와 동적·고속 현상에 강한 Abaqus/Explicit — 를 상황에 맞게 골라 쓰는 이원 구조가 핵심이다.
2. 역사[편집]
- 1978년 — HKS(Hibbitt, Karlsson & Sorensen) 설립. 비선형 FEA에 특화된 코드를 목표로 개발 시작.
- 1980년대~90년대 — 원자력·항공우주 등 고신뢰성이 요구되는 분야에서 비선형 해석 능력으로 명성을 쌓는다.
- 2005년 — Dassault Systèmes가 ABAQUS Inc.를 인수.
- 2007년 — Dassault가 SIMULIA 브랜드를 런칭하며 Abaqus를 그 간판 제품으로 삼는다. 이후 3DEXPERIENCE 플랫폼에도 통합.
Dassault 인수 이후 CATIA·SOLIDWORKS 등 자사 CAD/PLM 생태계와의 연계가 강조되지만, Abaqus 자체는 여전히 독립적인 해석 코드로서의 정체성을 유지하고 있다. 학계와 R&D에서의 인지도는 NASTRAN 계열과 함께 상용 FEA의 양대 축으로 꼽힌다.
3. 유한요소법 기반[편집]
Abaqus가 푸는 방정식은 결국 유한요소법의 대수 방정식이다. 구조물을 요소(element)로 나누고, 각 요소의 강성행렬을 조립해 전체 시스템을 세운 뒤 다음을 푼다.
선형 정적 문제라면 이 한 방으로 끝난다. 하지만 Abaqus의 존재 이유는 강성행렬 가 변위 에 의존하는 비선형 문제다. 이 경우 하중을 여러 증분(increment)으로 쪼개고, 각 증분마다 뉴턴-랩슨법으로 반복하며 평형을 찾아간다. 재료가 항복하거나, 형상이 크게 휘거나, 두 면이 새로 맞닿을 때마다 가 바뀌고, Abaqus는 그 변화를 매 반복마다 다시 계산한다.
풍부한 요소 라이브러리(솔리드, 쉘, 빔, 트러스, 연속체 쉘 등)와 방대한 재료 모델(금속 소성, 초탄성 고무, 점탄성, 손상·파괴, 복합재)이 Abaqus의 실질적 상품성이다.
4. 두 솔버 — Standard와 Explicit[편집]
Abaqus의 정체성을 규정하는 것은 두 솔버의 분업이다.
4.1. Abaqus/Standard (음해법, Implicit)[편집]
각 증분에서 전체 시스템 방정식을 뉴턴-랩슨법으로 풀어 평형에 이르는 음해법(implicit) 솔버다. 큰 시간 증분을 쓸 수 있어 정적·준정적·저속 동적 문제, 모드 해석, 열-구조 연성, 좌굴 등에 적합하다. 대신 매 증분마다 큰 연립방정식을 풀고 수렴시켜야 해서, 접촉이 심하거나 형상이 복잡하면 수렴이 안 돼 사람을 괴롭힌다.
4.2. Abaqus/Explicit (양해법, Explicit)[편집]
시간 증분마다 방정식을 풀지 않고, 현재 상태로부터 다음 상태를 직접 전진시키는 양해법(명시적 동해석) 솔버다. 수렴 문제가 없다는 것이 최대 강점 — 자동차 충돌, 낙하, 관통, 성형(forming) 같은 고속·대변형·복잡접촉 문제에서 진가를 발휘한다. 대신 안정성을 위해 시간 증분이 CFL 조건에 묶여 극히 작아지므로, 준정적 문제에 양해법을 잘못 쓰면 스텝 수가 천문학적으로 늘어난다.
여기서 은 최소 요소 크기, 는 응력파(dilatational wave) 속도다. 요소 하나 잘못 찌그러지면 전체 해석의 시간 증분이 그 요소에 인질로 잡힌다.2
5. 워크플로우와 현업 현실[편집]
전형적인 Abaqus 사용은 Abaqus/CAE(전·후처리 GUI)에서 모델을 만들고, INP(input) 파일을 생성해 솔버로 던진 뒤, ODB(output database)를 후처리하는 흐름이다. INP 파일은 텍스트라 손으로 편집하거나 파이썬 스크립트로 자동 생성할 수 있는데, 반복 해석을 돌리는 R&D에서는 이 파이썬 자동화가 생산성을 좌우한다.
실무의 진실:
- 접촉이 수렴을 지배한다. 접촉 해석이 들어가는 순간 난이도가 급상승한다. 접촉 정의, 마찰, 초기 침투 처리 하나로 수렴이 되고 안 되고가 갈린다.
- 양해/음해 선택이 승부처. 준정적인데 접촉이 지독하면 오히려 Explicit로 푸는 게 빠를 때가 있다. 이 판단이 엔지니어의 내공.
- 사용자 서브루틴은 최종 병기. UMAT(재료), VUMAT, UEL 등 Fortran 서브루틴으로 표준에 없는 물성·요소를 직접 구현한다. 밤샘 디버깅의 단골 원인이기도 하다.
- 검증 및 확인은 필수. 특히 복합재 해석이나 파괴처럼 물성 불확실성이 큰 문제는 실험 대조 없이는 신뢰하기 어렵다.
라이선스는 토큰(token) 기반이라, 여러 해석을 동시에 돌리거나 코어를 늘릴수록 토큰이 더 필요하다. 대규모 병렬 해석을 돌리려다 토큰이 모자라 대기하는 풍경은 ANSYS Fluent 사용자의 라이선스 눈치게임과 판박이다.3 그래도 “이 비선형 문제, Abaqus로 안 되면 답이 없다”는 말이 나오는 순간, 토큰 값은 조용히 정당화된다.