LS-DYNA

구조해석 고체역학 소프트웨어 마지막 수정: 2026-07-18 04:41:12

1. 개요[편집]

LS-DYNA
종류	상용 다물리 유한요소 해석
개발	LSTC(구 존 할퀴스트) → Ansys
기원	DYNA3D (1976, 로런스 리버모어)
주 기법	명시적 동해석 (중심차분)
이산화	라그랑주 / ALE / SPH
주 사용처	자동차 충돌, 성형, 낙하, 폭발

하나의 입력 파일(keyword deck)로 충돌부터 폭발, 판재 성형, 조류 충돌까지 다 풀겠다는 야심의 결정체.

LS-DYNA(엘에스-다이나)는 명시적 동해석을 중심으로 짧고 격렬한 과도(transient) 현상을 푸는 상용 다물리(multi-physics) 유한요소 솔버다. 자동차 충돌 해석 분야에서는 사실상 업계 표준으로 통하며,¹ 그 밖에도 금속 성형, 낙하 충격, 폭발·관통, 조류 충돌(bird strike) 같은 극단적 비선형 구조해석 문제에서 광범위하게 쓰인다. 이름 그대로 “LS(Livermore Software) + DYNA(dynamics)“의 조합이다.

핵심 성격은 두 가지다. 첫째, 스텝마다 연립방정식을 풀지 않고 중심차분으로 냅다 전진하는 명시적 시간적분이라 접촉·파단이 난무하는 극악한 비선형에서도 좀처럼 죽지 않는다. 둘째, 라그랑주·ALE·SPH 같은 서로 다른 이산화 서술을 한 해석 안에 섞어 쓸 수 있어, 고체와 유체가 뒤엉키는 문제를 한 코드에서 처리한다.

2. 역사[편집]

LS-DYNA의 뿌리는 냉전이다. 1976년 로런스 리버모어 국립연구소(LLNL)의 존 할퀴스트(John Hallquist)가 핵무기 낙하 충격 해석을 위해 개발한 3차원 명시적 코드 DYNA3D가 시조다.²

1976년 — LLNL에서 DYNA3D 개발 시작. 원래 목적은 무기 형상의 저속 충격 해석.
1980년대 — DYNA3D가 공개 배포되며 자동차 업계가 충돌 해석에 눈뜨기 시작한다.
1987년 — 할퀴스트가 LSTC(Livermore Software Technology Corporation)를 설립, 상용 LS-DYNA로 독립.
1990년대 — 접촉 알고리즘과 재료 모델 라이브러리가 폭발적으로 늘며 크래시 해석의 표준으로 자리 잡는다.
2019년 — Ansys가 LSTC를 인수. 오늘날에는 “Ansys LS-DYNA”로 유통된다.

무기 해석용으로 태어난 코드가 오늘날 우리 자동차의 안전을 지키는 도구가 된 셈이라, 공학사에서 드물게 훈훈한 반전으로 꼽힌다.

3. 명시적 솔버의 심장[편집]

LS-DYNA의 기본 엔진은 명시적 동해석의 중심차분 시간적분이다. 반이산화된 운동방정식

\mathbf{M}\ddot{\mathbf{u}} + \mathbf{C}\dot{\mathbf{u}} + \mathbf{f}^{\text{int}}(\mathbf{u}) = \mathbf{f}^{\text{ext}}

에서, 질량행렬 $\mathbf{M}$ 을 대각(집중질량)으로 만들면 $\mathbf{M}^{-1}$ 이 그냥 성분별 역수라 역행렬 계산이 사라진다. 덕분에 한 스텝이 극도로 싸고 병렬화가 자연스럽다.

대가는 조건부 안정성이다. 시간증분은 CFL 조건에 지배되어

\Delta t \leq \frac{L_{\min}}{c}, \qquad c = \sqrt{\frac{E}{\rho}}

를 넘으면 즉시 발산한다. 그래서 격자 안의 가장 작고 못생긴 요소 하나가 전체 해석 시간을 지배하며, LS-DYNA 사용자는 질량 스케일링(mass scaling)으로 $\Delta t$ 를 억지로 키우되 운동에너지가 내부에너지를 침범하지 않는지 GLSTAT 곡선을 노려보는 국룰을 익히게 된다. 참고로 LS-DYNA에는 준정적·저속 문제를 위한 암시적(Implicit) 솔버도 들어 있지만, 세상이 이 코드를 기억하는 이유는 어디까지나 명시적 쪽이다.

4. 접촉과 다중 서술[편집]

크래시 해석의 절반은 접촉 알고리즘이다. 찌그러지는 차체는 수백 개 부품이 서로 부딪히고 자기 자신과도 접히는데(self-contact), LS-DYNA의 페널티 기반 접촉은 이 난장판을 자동으로 탐지·처리하는 능력으로 명성을 쌓았다. *CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE 하나면 전체 모델의 자기 접촉을 통째로 잡아주는 식이라, 실무자들이 “일단 이거 걸고 본다”고 말하는 카드다.

또 하나의 강점은 여러 이산화 서술의 공존이다.

라그랑주(Lagrangian) — 격자가 물질을 따라 움직이는 표준 방식. 구조물 대부분이 여기에 해당한다.
ALE — 격자와 물질을 분리해 격자 뒤틀림 없이 큰 유동을 다룬다. 유체-구조 상호작용, 폭발 하중이 주 무대다.
SPH — 격자 없는 입자법. 파편 비산, 물 튀김, 극단적 파쇄처럼 격자가 감당 못 하는 현상에 투입한다.

이들을 한 모델에서 결합하면, 물탱크가 찌그러지며 물이 출렁이는 유체-구조 연성 문제나 폭발 충격파가 구조를 때리는 문제를 한 번에 풀 수 있다. 이 지점에서 LS-DYNA는 하이드로코드의 영역과 겹친다 — 실제로 폭발·고속 충격 해석에서는 상태방정식(EOS)과 인공점성을 갖춘 하이드로코드로서 동작한다.

5. 키워드 입력과 재료 모델[편집]

LS-DYNA의 입력은 *로 시작하는 키워드 카드들을 나열한 텍스트 덱(deck)이다. *MAT_...으로 재료를, *CONTACT_...으로 접촉을, *ELEMENT_...로 요소를 정의한다. GUI 없이 텍스트만으로 모델 전체를 기술하는 이 방식은 처음엔 벽처럼 느껴지지만, 익숙해지면 정밀 제어와 자동화에서 강력하다.³

특히 자랑거리는 방대한 재료 모델 라이브러리다. *MAT 카드만 300종이 넘어, 금속의 소성·손상부터 초탄성 재료 모델(고무), 폼, 콘크리트, 복합재, 상태방정식 기반 유체까지 웬만한 재료는 다 들어 있다. 성형 해석에서는 판재의 이방성 항복(Barlat 모델 등)과 스프링백 예측이, 크래시에서는 변형률 속도 의존 소성과 파단 기준이 핵심으로 쓰인다.

6. 활용과 생태계[편집]

자동차 충돌 — 정면·측면·후방 충돌, 에어백 전개, 보행자 보호. NCAP 별점이 이 코드 위에서 정해진다.
판재 성형 — 프레스, 롤 성형, 하이드로포밍. 대변형·접촉 해석·마찰이 뒤엉킨 문제라 명시적이 제격이다.
국방·항공 — 폭발, 관통, 조류 충돌, 착륙 충격. 하이드로코드적 기능이 총동원되는 영역.
낙하·소비재 — 스마트폰·가전 낙하, 포장재 충격.

경쟁 상대로는 Abaqus/Explicit, PAM-CRASH, RADIOSS 등이 있으나, 크래시 시장의 점유율과 재료 모델의 폭에서 LS-DYNA의 아성은 여전히 견고하다. 대규모 문제는 MPP(분산 메모리 병렬) 버전으로 수천 코어에 뿌려 밤새 돌리는 것이 일상이다.

7. 관련 문서[편집]

다만 “표준”의 의미는 회사마다 다르다. 유럽 완성차는 PAM-CRASH나 RADIOSS를, 미국·아시아 쪽은 LS-DYNA를 선호하는 경향이 오래 이어졌다. 어느 코드를 쓰든, 결국 마감 전날 밤 잔차 대신 에너지 밸런스 곡선을 노려보는 엔지니어의 운명은 똑같다. ↩
DYNA3D의 “3D”는 당시로선 대단한 자랑이었다. 2차원 축대칭 해석이 흔하던 시절, 3차원 명시적 코드는 그 자체로 하드웨어의 사치였다. 1976년의 컴퓨터로 3D 충격 해석을 돌렸다는 건 지금 기준으론 픽셀 몇 개를 며칠에 걸쳐 계산한 것과 비슷하다. ↩
그래서 LS-DYNA 실무자에게는 LS-PrePost 같은 전용 전·후처리기와, 커다란 키워드 덱을 스크립트로 찍어내는 손기술이 필수 소양이다. “덱을 손으로 짤 줄 알아야 진짜 다이나 유저”라는 농담이 괜히 있는 게 아니다. ↩