[국내논문]시뮬레이션 격자구조 제작을 위한 Mesh 기반 지질솔리드모델의 Gmsh, COMSOL 변환 프로그램 개발 The Development of Converting Program from Sealed Geological Model to Gmsh, COMSOL for Building Simulation Grid원문보기
FEM수치해석을 위한 사면체격자 생성을 위해서는 물체의 볼륨정보를 표현할 수 있는 Boundary Representation (B-Rep) 모델이 필요하다. 공학분야에서는 파라메트릭 솔리드 모델링(Parametric Solid Modeling) 방법을 사용하여 B-Rep 모델을 정의한다. 반면 지질모델링은 메쉬 기반의 불연속(discrete) 모델링 방법을 사용하는데 이를 지질솔리드모델(Sealed Geological Model)이라 부르며 지층, 단층, 관입암, 모델 경계면과 같은 지질학적 인터페이스들을 이용해 지질도메인을 정의한다. 공학분야의 파라메트릭 모델링과 불연속 모델링 방식의 자료구조의 차이로 인해 불연속 B-Rep 모델은 공학분야에서 사용하는 다양한 오픈소스, 상용 메쉬제작 소프트웨어와 쉽게 호환되지 않는다. 이 논문에서는 공학용 메쉬 제작 소프트웨어와의 호환성을 가지도록 지질솔리드모델을 대표적인 오픈소스인 Gmsh와 상용 FEM 해석 소프트웨어인 COMSOL로 변환하는 프로그램을 제작하였다. 지질모델링 소프트웨어를 통해 제작한 복잡한 지질구조모델을 사용자 편의성을 갖춘 다수의 상용 소프트웨어서 쉽게 활용할 수 있어 지열, 암석역학 등 다양한 지구과학 시뮬레이션 연구에 도움이 될 것으로 생각된다.
FEM 수치해석을 위한 사면체격자 생성을 위해서는 물체의 볼륨정보를 표현할 수 있는 Boundary Representation (B-Rep) 모델이 필요하다. 공학분야에서는 파라메트릭 솔리드 모델링(Parametric Solid Modeling) 방법을 사용하여 B-Rep 모델을 정의한다. 반면 지질모델링은 메쉬 기반의 불연속(discrete) 모델링 방법을 사용하는데 이를 지질솔리드모델(Sealed Geological Model)이라 부르며 지층, 단층, 관입암, 모델 경계면과 같은 지질학적 인터페이스들을 이용해 지질도메인을 정의한다. 공학분야의 파라메트릭 모델링과 불연속 모델링 방식의 자료구조의 차이로 인해 불연속 B-Rep 모델은 공학분야에서 사용하는 다양한 오픈소스, 상용 메쉬제작 소프트웨어와 쉽게 호환되지 않는다. 이 논문에서는 공학용 메쉬 제작 소프트웨어와의 호환성을 가지도록 지질솔리드모델을 대표적인 오픈소스인 Gmsh와 상용 FEM 해석 소프트웨어인 COMSOL로 변환하는 프로그램을 제작하였다. 지질모델링 소프트웨어를 통해 제작한 복잡한 지질구조모델을 사용자 편의성을 갖춘 다수의 상용 소프트웨어서 쉽게 활용할 수 있어 지열, 암석역학 등 다양한 지구과학 시뮬레이션 연구에 도움이 될 것으로 생각된다.
To build tetrahedra mesh for FEM numerical analysis, Boundary Representation (B-Rep) model is required, which provides the efficient volume description of an object. In engineering, the parametric solid modeling method is used for building B-Rep model. However, a geological modeling generally adopts...
To build tetrahedra mesh for FEM numerical analysis, Boundary Representation (B-Rep) model is required, which provides the efficient volume description of an object. In engineering, the parametric solid modeling method is used for building B-Rep model. However, a geological modeling generally adopts discrete modeling based on the triangulated surface, called a Sealed Geological Model, which defines geological domain by using geological interfaces such as horizons, faults, intrusives and modeling boundaries. Discrete B-Rep model is incompatible with mesh generation softwares in engineering because of discrepancies between discrete and parametric technique. In this research we have developed a converting program from Sealed Geological Model to Gmsh and COMSOL software. The developed program can convert complex geological model built by geomodeling software to user-friendly FEM software and it can be applied to geoscience simulation such as geothermal, mechanical rock simulation etc.
To build tetrahedra mesh for FEM numerical analysis, Boundary Representation (B-Rep) model is required, which provides the efficient volume description of an object. In engineering, the parametric solid modeling method is used for building B-Rep model. However, a geological modeling generally adopts discrete modeling based on the triangulated surface, called a Sealed Geological Model, which defines geological domain by using geological interfaces such as horizons, faults, intrusives and modeling boundaries. Discrete B-Rep model is incompatible with mesh generation softwares in engineering because of discrepancies between discrete and parametric technique. In this research we have developed a converting program from Sealed Geological Model to Gmsh and COMSOL software. The developed program can convert complex geological model built by geomodeling software to user-friendly FEM software and it can be applied to geoscience simulation such as geothermal, mechanical rock simulation etc.
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문제 정의
본 연구에서는 지질모델링 소프트웨어를 통해 제작된 지질솔리드모델을 오픈소스 Gmsh와 상용 FEM 소프트웨어인 COMSOL로 변환하는 방법을 개발하였다. Gmsh는 오픈소스 3D FEM 메쉬 생성기로서 기하모델링(geometric modeling), 메쉬 제작, 해석, 후처리 모듈로 구성된다(Geuzaine and Remacle, 2009).
제안 방법
mphtxt) 포맷으로 변환하면 지질솔리드모델과 동일한 위상구조를 복원할 수 있다. 3차원 COMSOL 도메인을 정의하기 위해서는 사면체격자를 제작한 후 COMSOL 메쉬 포맷을 제작해야 하므로 본 연구에서는 삼각메쉬를 COMSOL 면(face)으로 변환하고 convert to solid기능을 이용해 도메인을 추정하는 방법을 사용하였다.
COMSOL 기하구조는 완전한 도메인(domain) 정보를 정의하지 않고 삼각메쉬로부터 B-spline 곡면을 생성한 후 도메인을 구성하는 방법을 사용하였다. 따라서 곡면을 연결하여 도메인을 구성하는 과정에서 곡면 경계선(border) 사이의 거리에 대한 임계치(tolerance) 설정을 통해 곡면들을 연결해야 한다.
지질솔리드모델을 이용해 사면체격자구조를 제작하기 위해 메쉬기반 지질솔리드모델을 대표적인 오픈소스 메쉬생성프로그램인 Gmsh와 상용 COMSOL 기하구조로 변환하는 프로그램을 개발하였다. 지질모델링 소프트웨어를 통해 제작된 복잡한 지질구조를 수치시뮬레이션 소프트웨어 포맷으로 변환할 수 있어 지질모델에 대한 다양한 정량적인 수치시뮬레이션 연구가 수행될 수 있을 것이다.
대상 데이터
지질모델링 및 알고리즘개발은 Paradigm사의 SKUA-GOCAD와 플러그인 개발 라이브러리인 development kit를 이용해 C++로 제작하였으며 데이터는 RING team에서 (http://www.ring-team.org) 지질모델링 연구 활성화를 위해 무료로 제공하는 가상 지질솔리드모델(synthetic model)을 사용하였다. 9개 가상 지질모델에 대한 복잡성에 대한 설명은 Pellerin et al.
이론/모형
물체의 볼륨의 정의에 있어서 지질모델링과 기타공학용 솔리드모델링 소프트웨어의 가장 큰 차이점은 공학분야에서는 인공적인 물체 설계에 적합한 파라메트릭(parametric) 모델링 방법을 사용하는 반면 지질모델링은 불규칙하고 불확실성이 높은 지질학적 사물을 표현하기 위해 메쉬기반의 불연속 모델링방법을 사용한다(Mallet, 1997). 또한 지질모델링은 유한한 단층의 존재로 인해 비다양체(non-manifold) 위상구조의 표현이 필요하지만 대다수 상용소프트웨어는 다양체(manifold) 구조만을 지원하고 있다.
후속연구
ml) 화일을 임포트하여 RINGMESH 포맷으로 변환하는 기능을 제공하며 격자제작이나 외부 소프트웨어와의 연계 기능을 제공한다. 향후 GOCAD에서 구동되는 본 프로그램을 RINGMESH 라이브러리 기반으로 포팅하여 GOCAD를 보유하지 않은 사용자들도 변환기능을 사용할 수 있도록 할 계획이다.
본 연구는 단층에 의한 비다양체(Non-manifold) 위상구조 처리를 위해 Gmsh와 COMSOL을 사용하였지만 지질모델에 자유경계선(free border)를 갖는 단층이 없다면 더 많은 공학용 소프트웨어들에서 지질 솔리드모델을 사용할 수 있을 것이다. 이를 위해서는 메쉬로부터 B-Spline, NURB 파라메트릭 곡면을 직접 추정하여 표준캐드모델을 제작하는 알고리즘 개발에 대한 연구가 필요하다.
본 연구는 단층에 의한 비다양체(Non-manifold) 위상구조 처리를 위해 Gmsh와 COMSOL을 사용하였지만 지질모델에 자유경계선(free border)를 갖는 단층이 없다면 더 많은 공학용 소프트웨어들에서 지질 솔리드모델을 사용할 수 있을 것이다. 이를 위해서는 메쉬로부터 B-Spline, NURB 파라메트릭 곡면을 직접 추정하여 표준캐드모델을 제작하는 알고리즘 개발에 대한 연구가 필요하다.
지질솔리드모델을 이용해 사면체격자구조를 제작하기 위해 메쉬기반 지질솔리드모델을 대표적인 오픈소스 메쉬생성프로그램인 Gmsh와 상용 COMSOL 기하구조로 변환하는 프로그램을 개발하였다. 지질모델링 소프트웨어를 통해 제작된 복잡한 지질구조를 수치시뮬레이션 소프트웨어 포맷으로 변환할 수 있어 지질모델에 대한 다양한 정량적인 수치시뮬레이션 연구가 수행될 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
B-Rep 모델은 무엇인가?
B-Rep 모델은 물체의 경계면(boundary)을 닫힌 곡면이나, 방향성을 가진 곡면들을 사용해 볼륨을 정의하는 자료구조이다(Mantyla, 1998). 지질사물의 특성에 맞게 수정한 지질솔리드모델(Sealed Geological Model)은 SKUA-GOCAD에서 Model3D란 객체로 개발되었으며 주요 특징은 다음과 같다.
메쉬기반의 지질모델과 기존 상용 소프트웨어의 연계시 가장 큰 장애물이 되는 지질모델과 상용 소프트웨어의 차이점에는 무엇이 있는가?
물체의 볼륨의 정의에 있어서 지질모델링과 기타공학용 솔리드모델링 소프트웨어의 가장 큰 차이점은 공학분야에서는 인공적인 물체 설계에 적합한 파라메트릭(parametric) 모델링 방법을 사용하는 반면 지질모델링은 불규칙하고 불확실성이 높은 지질학적 사물을 표현하기 위해 메쉬기반의 불연속 모델링방법을 사용한다(Mallet, 1997). 또한 지질모델링은 유한한 단층의 존재로 인해 비다양체(non-manifold) 위상구조의 표현이 필요하지만 대다수 상용소프트웨어는 다양체(manifold) 구조만을 지원하고 있다. 이러한 2가지 차이점이 메쉬기반의 지질모델과 기존 상용 소프트웨어를 연계할 때 가장 큰 장애물이다.
지질모델이란 무엇인가?
지질모델은 지하 지질구조 및 물성 분포를 표현하는 수치모델로서 광물자원분야에서는 3D 지질자료의 통합(Data Integration), 광상 매장량 평가, 및 잠재광상매핑(Mineral Potential Mapping) 등에 활용되며 석유탐사분야에서는 저류층 암상 및 물성 모델링 및 유체 유동 시뮬레이션 등에 사용된다(Park et al., 2014).
참고문헌 (10)
Caumon, G., Lepage, F., Sword, C.H., and Mallet, J.-L., 2004, Building and editing a sealed geological model. Mathematical Geology, 36, 405-424.
Geuzaine, C. and Remacle, J.-F., 2009, Gmsh: A three-dimensional finite element mesh generator with built-in pre- and post-processing facilities. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 79, 1309-1331.
Mantyla, M., 1988, An introduction to solid modeling. Computer Science Press, 401 p.
Paradigm, 2007, GOCAD Developer's Guide. 511 p.
Park, G., Cho, S.-J., Oh, H.-J., and Lee, C.W., 2014, Mineral potential mapping of Gagok mine using 3D geological modeling. Journal of Korean Earth Science Society, 35, 412-421. (in Korean)
Pellerin, J., Levy, B., Caumon, G., and Botella, A., 2014, Automatic surface remeshing of 3D structural models at specified resolution: A method based on voronoi diagrams. Computers & Geosciences, 62, 103-116.
Pellerin, J., Caumon, G., Julio, C., Mejia-Herrera, P., and Botella, A., 2015, Elements for measuring the complexity of 3D structural models: Connectivity and geometry. Computers & Geosciences, 76, 130-140.
Remacle, J.-F., Geuzaine, C., Compere, G., and Marchandise, E., 2010, High quality surface remeshing using harmonic maps. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 83, 403-425.
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