CMSS(전산역학 및 구조시스템) 연구실에서는 전산역학(Computational Mechanics) 및 구조시스템(Structural System) 분야의 연구에 집중하고 있습니다. 구조, 유체, 유체-구조 상호작용 문제에 대해 수학모델과 유한요소법(Finite Element Method) 기반의 효율적인 수치해석기법을 개발하고 있으며, 해양 원자력 발전소, 부유식 풍력 발전기, 플렉서블 디스플레이와 같은 다양한 구조시스템 개념을 연구개발하고 있습니다. 또한, 인공지능(AI)을 수치해석과 접목시키고 계측 데이터로부터 기계시스템의 상태와 고장을 감지하는 연구도 진행하고 있습니다. - 전산역학: 유한요소법, BEM, SPH, 유체-구조 상호작용, 모델축소, 유체동역학, 구조역학 - 구조시스템: 해양 원자력 발전, 부유식 풍력발전기, 잠수함, 플렉서블 디스플레이 - 수치해석 응용 : 실시간 응력 추정, 상태진단, 고장진단

□ 유한요소법 / Digital Twin

유한요소법(FEM, Finite Element Method)은 기계설계에 있어서 필수적이며 상업적으로 성공한 수치해석기법입니다. 기계, 항공, 조선/해양, 건설등 광범위한 공학 분야에서 고체/유체 및 구조물 해석을 위해 유한요소법에 기반한 상용 소프트웨어들이 사용되고 있습니다. CMSS 연구실은 유한요소법을 기반으로 수치해석 기법을 개발해왔습니다. CMSS 연구실에서는 세계 최고 성능의 빔, 쉘, 솔리드 유한요소를 개발했습니다. 특히, CMSS 연구실에서 개발한 쉘 유한요소는 상용 유한요소해석(FEA) 소프트웨어에 적용되었습니다. 유한요소 개발 분야에서는 세계적인 경쟁력을 보유하고 있습니다. AI 기술을 유한요소법에 접목하여 기존 유한요소의 정도를 비약적으로 높였습니다.

Digital Twin의 개념은 구조물의 건전성 평가 및 손상/수명 관리에도 중요하게 대두되었습니다. 비행기, 배, 교량, 해양구조물 등을 실시간으로 모니터링하기 위해서 실제 구조물의 역학적 거동을 모사할 수 있는 FEM 모델이 필요합니다. 구조물의 Digital Twin을 만들기 위해서는 FEM 소스 코드의 커스터마이즈가 필요합니다. CMSS 연구실은 FEM 코드를 커스터마이즈하여 제공할 수 있는 경험과 전문적인 역량을 보유하고 있습니다.

     

□ 유체-구조 상호작용 해석 / 모델축소기법

다양한 기계공학 및 해양공학 시스템들의 해석을 위해서는 유체-구조 상호작용(FSI, Fluid-Structure Interaction)의 고려를 해야 합니다. 유체와 구조의 상호작용을 고려한 해석은 구조만 또는 유체만 다루는 해석에 비교하여 난도가 매우 높습니다. CMSS 연구실에서는 다양한 종류의 유체-구조 상호작용 문제의 해석을 위한 수치해석기법을 개발하였습니다. 특히, 부유식 구조물의 유탄성해석(Hydro-elastic Analysis)기법 개발에 세계 최고의 성과를 내고 있으며 개발된 소프트웨어인 PADO는 현대중공업, 삼성중공업, 기계연구원 등에 공유되어 사용되고 있습니다. 고도의 비선형성을 가지는 유체의 거동을 효율적으로 해석하기 위해 신뢰성이 대폭 향상된 SPH(Smoothed-Particle Hydrodynamics)기법을 개발하였으며, 수중폭발현상을 해석할 수 있는 BEM(Boundary Element Method)기반 수치해석기법을 개발하였습니다. 또한, 수중터널의 내진해석과 부유식 풍력발전기의 동적해석 기법도 개발하였습니다.

    

지난 수십 년간 컴퓨터의 처리능력은 비약적으로 발전하였으며, 이에 따라 수치해석기법 또한 빠르게 발전하였습니다. 그러나 엔지니어들의 수치해석 정밀도에 대한 요구와 기대는 더욱 커서, 항상 컴퓨팅 리소스의 부족함을 절감하고 있습니다. 이런 상황을 해결하기 위해 모델축소기법이 개발되었습니다. CMSS 연구실에서는 세계 최고 성능의 모델축소기법들을 개발하였으며, 모델축소기법의 사용영역을 선형해석에서 비선형해석으로 넓히고 있다.

    

□ 구조시스템

우리는 다양한 구조시스템 안에서 살아가고 있습니다. CMSS 연구실에서는 인류에게 필요한 새로운 구조시스템을 개발하고 있습니다. 지난 10년간 해양 원자력 발전소의 개념을 개발하고 현실화시키기 위해 노력하고 있습니다. 해양 원자력 발전소는 육상 원자력 발전소에 비하여 더욱 안전하며, 조선해양 기술을 활용하여 공사 기간을 대폭 단축할 수 있는 등의 장점이 있습니다. 또한, 미래 잠수함 시스템, 가격경쟁력을 갖는 부유식 풍력 발전기, 단순한 구조의 롤러블 TV, 주름이 생기지 않는 폴더블 폰 등의 구조시스템을 개발을 위한 끊임없는 도전을 하고 있습니다.

    

                                                [그림 좌부터] Self-updated FEM, 균열진전해석, 유체-구조상호작용해석, 플렉서블 디스플레이