본 연구에서는 실제 지질구조를 반영한 실규모 수치해석을 효율적으로 수행하고자 탐사 자료를 바탕으로 한 메쉬 생성, 해석수행, 결과분석을 위한 후처리의 일련의 과정을 포함한 해석 플랫폼을 구축하였다. 해석 플랫폼 구축을 위하여 연구자의 필요에 따른 코드 수정 및 다양한 수치해석 프로그램과 호환이 가능할 수 있도록 소스코드가 공개되어 있는오픈소스 프로그램을 활용하였다. 먼저 드론을 활용하여 촬영한 탐사 정보를 바탕으로 3차원 모델을 획득한 후, 오픈소스3차원 창작 소프트웨어인 Blender를 활용하여 도메인의 메쉬 밀도를 해석 가능한 수준으로 조정하였다. 다음 단계로는 유한요소 메쉬 생성 프로그램인 Gmsh를 활용하여 도메인 내부에 사면체 기반의 메쉬를 생성하여 3차원 모델을 생성하였다. Gmsh를 통해 획득된 메쉬 정보를 수치해석 프로그램에 활용하기 위해서 메쉬 생성 규약에 적합하도록 변환하는 과정이 필요하며, 이는 Python을 통해 코드를 작성하여 수행하였다. 안정성 해석이 완료된 뒤에는 자료의 후처리 작업을 위해 시각화 및 데이터 분석 프로그램인 ParaView를 활용하여 다양한 시각화 자료를 생성하였다. 구성된 플랫폼의 활용성을 확인하기 위해 드론 탐사자료를 바탕으로 생성한 실규모 독도 모델을 대상으로 예비 안정성 분석을 성공적으로 수행하였으며, 예비해석을 통해 구축된 해석플랫폼이 향후 다양한 해석 과정에 활용될 수 있음을 확인하였다.
본 연구에서는 실제 지질구조를 반영한 실규모 수치해석을 효율적으로 수행하고자 탐사 자료를 바탕으로 한 메쉬 생성, 해석수행, 결과분석을 위한 후처리의 일련의 과정을 포함한 해석 플랫폼을 구축하였다. 해석 플랫폼 구축을 위하여 연구자의 필요에 따른 코드 수정 및 다양한 수치해석 프로그램과 호환이 가능할 수 있도록 소스코드가 공개되어 있는오픈소스 프로그램을 활용하였다. 먼저 드론을 활용하여 촬영한 탐사 정보를 바탕으로 3차원 모델을 획득한 후, 오픈소스 3차원 창작 소프트웨어인 Blender를 활용하여 도메인의 메쉬 밀도를 해석 가능한 수준으로 조정하였다. 다음 단계로는 유한요소 메쉬 생성 프로그램인 Gmsh를 활용하여 도메인 내부에 사면체 기반의 메쉬를 생성하여 3차원 모델을 생성하였다. Gmsh를 통해 획득된 메쉬 정보를 수치해석 프로그램에 활용하기 위해서 메쉬 생성 규약에 적합하도록 변환하는 과정이 필요하며, 이는 Python을 통해 코드를 작성하여 수행하였다. 안정성 해석이 완료된 뒤에는 자료의 후처리 작업을 위해 시각화 및 데이터 분석 프로그램인 ParaView를 활용하여 다양한 시각화 자료를 생성하였다. 구성된 플랫폼의 활용성을 확인하기 위해 드론 탐사자료를 바탕으로 생성한 실규모 독도 모델을 대상으로 예비 안정성 분석을 성공적으로 수행하였으며, 예비해석을 통해 구축된 해석플랫폼이 향후 다양한 해석 과정에 활용될 수 있음을 확인하였다.
This study constructed a new simulation platform, including mesh generation process, numerical simulation, and post-processing for results analysis based on exploration data to perform real-scale numerical analysis considering the actual geological structure efficiently. To build the simulation plat...
This study constructed a new simulation platform, including mesh generation process, numerical simulation, and post-processing for results analysis based on exploration data to perform real-scale numerical analysis considering the actual geological structure efficiently. To build the simulation platform, we applied for open-source programs. The source code is open to be available for code modification according to the researcher's needs and compatibility with various numerical simulation programs. First, a three-dimensional model(3D) is acquired based on the exploration data obtained using a drone. Then, the domain's mesh density was adjusted to an interpretable level using Blender, the free and open-source 3D creation suite. The next step is to create a 3D numerical model by creating a tetrahedral volume mesh inside the domain using Gmsh, a finite element mesh generation program. To use the mesh information obtained through Gmsh in a numerical simulation program, a converting process to conform to the program's mesh creation protocol is required. We applied a Python code for the procedure. After we completed the stability analysis, we have created various visualization of the study using ParaView, another open-source visualization and data analysis program. We successfully performed a preliminary stability analysis on the full-scale Dokdo model based on drone-acquired data to confirm the usefulness of the proposed platform. The proposed simulation platform in this study can be of various analysis processes in future research.
This study constructed a new simulation platform, including mesh generation process, numerical simulation, and post-processing for results analysis based on exploration data to perform real-scale numerical analysis considering the actual geological structure efficiently. To build the simulation platform, we applied for open-source programs. The source code is open to be available for code modification according to the researcher's needs and compatibility with various numerical simulation programs. First, a three-dimensional model(3D) is acquired based on the exploration data obtained using a drone. Then, the domain's mesh density was adjusted to an interpretable level using Blender, the free and open-source 3D creation suite. The next step is to create a 3D numerical model by creating a tetrahedral volume mesh inside the domain using Gmsh, a finite element mesh generation program. To use the mesh information obtained through Gmsh in a numerical simulation program, a converting process to conform to the program's mesh creation protocol is required. We applied a Python code for the procedure. After we completed the stability analysis, we have created various visualization of the study using ParaView, another open-source visualization and data analysis program. We successfully performed a preliminary stability analysis on the full-scale Dokdo model based on drone-acquired data to confirm the usefulness of the proposed platform. The proposed simulation platform in this study can be of various analysis processes in future research.
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문제 정의
다음으로 OGSFLAC을 통해 수치해석을 수행하게 되며, 3차원 해석의 경우 시각화의 복잡성을 고려하여 결과를 효율적으로 제시하고자 시각화 프로그램으로 널리 활용되고 있는 ParaView를 사용하여 후처리 과정을 수행하고자 하였다. Fig. 1은 해석 플랫폼을 위한 워크플로우 및 각 과정에서 수행되는 작업과 프로그램들을 나타내고 있으며, 본 연구에서는 향후 연구자가 원하는 방식으로 자유롭게 활용이 가능하도록 소스코드가 공개되어 있으며 무료로 활용이 가능한 오픈소스 프로그램을 바탕으로 해석 플랫폼 구축을 완료하고자 하였다. 다음으로는 해석 플랫폼 구축에 활용된 각 프로그램들에 대해 간략히 소개하고자 한다.
따라서 드론 등을 활용한 탐사, 디지털화 정보를 바탕으로 한 메쉬 생성, T-H-M 복합거동 해석, 3차원 자료의 결과 처리 및 시각화까지 일련의 과정을 연계할 수 있는 플랫폼이 갖춰져야만 성공적인 연구가 수행될 수 있으며, 본 연구에서는 이를 위한 새로운 해석 플랫폼을 구축하고자 한다. 또한 구축된 해석 플랫폼이 다양한 시뮬레이터에 적용될 수 있도록 사용자가 수정 가능한 오픈소스프로그램을 활용하기로 계획하였다.
이런 문제를 해결하기 위해서 컴퓨터 애니메이션 분야는 사물의 메쉬를 재생성하여 최적화된 메쉬를 구현하는 연구가 많이 진행되었고, 이를 위한 알고리즘들이 개발되어 빈번히 활용되고 있다. 따라서 본 연구에서는 3차원 애니메이션 분야에서 활발히 활용되고 있는 오픈소스 프로그램인 Blender를 활용하여 도메인의 그리드 밀도를 해석 가능한 수준으로 조정하고자 하였다.
또한 실제 지중 구조물과 같은 대용량 해석을 위해서는 효율적으로 메쉬를 구성할 수 있도록 메쉬의 형상, 밀도 등을 사용자의 필요에 맞게 설정할 수 있어야 한다. 따라서 본 연구에서는 C언어에 기반을 둔 3차원 유한요소 메쉬 생성을 위한 오픈소스 프로그램인 Gmsh를 활용하여 도메인 내부에메쉬 생성을 완료함으로써 수치모델을 만들고자 하였다.
본 연구에서는 해석 수행을 위하여 FLAC3D를 대상으로 하여 VTK 형태의 메쉬 정보를 FLAC3D에서 호환 가능하도록 변환하고자 하였다. 또한 해석이 완료된 후에는 생산된 결과 자료 및 추가 분석 자료들을 시각화할 수 있는 오픈소스 프로그램인 ParaView를 활용하기 위하여 다시 VTK 형태로 파일을 변환하는 과정이 필요하게 되며, 이를 위하여 본 연구에서는 범용성이 넓은 Python을 이용하여 코드들을 개발하였다.
오픈소스 프로그램의 경우 소스코드가 공개되어 있으므로 필요시 연구자가 원하는 방향으로 프로그램을 수정하여 활용할 수 있으므로 높은 호환성을 지닐 수 있으며, 무료로 제공되기 때문에 접근성이 높다는 장점을 지니고 있다. 본 논문에서는 구축된 해석플랫폼 및 해석플랫폼의 각 단계에서 사용된 프로그램들에 대해 소개하고, 이를 바탕으로 수행된 예비해석 연구에 대해 소개하고자 한다.
본 연구에서는 개발된 모듈의 효율적 활용 및 활용성 확대를 위해 실제 지표 정보를 활용한 그리드 생성, OGSFLAC을 통한 수치해석, 해석 결과 후처리(post-processing) 등 일련의 과정을 포함한 하나의 플랫폼을 구성하고자 하였다. 해석 플랫폼은 크게 수치 모델 생성을 위한 전처리 과정(Pre-processor), 수치해석 과정(Computing engine), 마지막으로 결과 처리 과정을 위한 후처리 과정(Post-processor)으로 나누어 볼 수 있으며, 본 연구에서는 T-H-M 복합거동 해석을 위해 개발된 OGSFLAC(Park et al, 2019a) 시뮬레이터를 활용 대상으로 하여 전체 해석 플랫폼을 설계하였다.
해석 코드의 메쉬 규약 정보에 맞춰 활용 가능하도록 VTK 파일을 변환하는 과정이 필요하다. 본 연구에서는 해석 수행을 위하여 FLAC3D를 대상으로 하여 VTK 형태의 메쉬 정보를 FLAC3D에서 호환 가능하도록 변환하고자 하였다. 또한 해석이 완료된 후에는 생산된 결과 자료 및 추가 분석 자료들을 시각화할 수 있는 오픈소스 프로그램인 ParaView를 활용하기 위하여 다시 VTK 형태로 파일을 변환하는 과정이 필요하게 되며, 이를 위하여 본 연구에서는 범용성이 넓은 Python을 이용하여 코드들을 개발하였다.
가설 설정
통해 간단한 역학 안정성 분석만을 수행하였다. 파괴 기준으로는 모어-쿨롬 모델을 적용하였으며, 독도 전체를 하나의 물성으로 가정하여 해석을 수행하였다. 결과 분석은 ParaView를 활용하여 수행하였으며, Fig.
제안 방법
4 이하로 주어진 물성에서는 안전성에 큰 문제가 없는 것으로 나타났다. ParaView에서는 이와 더불어 결과 도시를 위한 다양한 기능을 제공하고 있는데 본 연구에서는 ParaView 기능 중 하나인 위치에 따른 단면도 분석을 통해 해발고도 20m, 40m, 60m, 80m에 서안 전율을 도시하였다(Figs. 6(c) ~ 6(f)).
드론 또는 LIDAR 촬영을 통해 지표 정보를 획득하게 되면 이를 CAD 소프트웨어에서 불러들일 수 있도록 stl 형식의 파일로 변환하게 된다. stl 형태로 변환된 파일의 경우 해석을 위해 적절한 수준으로 메쉬 밀도를 조정할 필요가 있기 때문에 이를 위해 애니메이션, 3차원 프린팅 기술 등에 활용되고 있는 3차원 컴퓨터 그래픽 소프트웨어 툴셋인 Blender를 활용하여 메쉬 밀도 조정을 수행하였다. 다음으로는 내부 부피(volume) 메쉬 생성을 위하여 메쉬 생성 프로그램인 Gmsh를 활용하였으며, 마지막으로 Gmsh에서 생성한메쉬 정보를 OGSFLAC에서 활용 가능하도록 Python을 통해 변환하여 수치모델 생성을 완료하였다.
구성된 플랫폼의 활용성을 확인하기 위해 드론을 통해 촬영된 독도의 지표 정보를 바탕으로 하여 플랫폼을 기반으로 한 일련의 안정성 분석을 수행하였다. 먼저 드론을 활용하여 획득된 좌표 정보를 3차원 모델을 획득하였다.
수치해석을 위한 메쉬 규약 변경을 위해 Python을 활용하였으며, 해석 수행 후 결과 처리를 위해 시각화에 장점을 지니고 있는 ParaView를 활용하여 분석을 수행하고자 하였다. 구축한 해석 플랫폼의 적용성을 확인하기 위하여 드론을 통해 촬영된 독도를 대상으로 예비 안정성 분석을 수행하였다.
다음으로는 내부 부피(volume) 메쉬 생성을 위하여 메쉬 생성 프로그램인 Gmsh를 활용하였으며, 마지막으로 Gmsh에서 생성한메쉬 정보를 OGSFLAC에서 활용 가능하도록 Python을 통해 변환하여 수치모델 생성을 완료하였다. 다음으로 OGSFLAC을 통해 수치해석을 수행하게 되며, 3차원 해석의 경우 시각화의 복잡성을 고려하여 결과를 효율적으로 제시하고자 시각화 프로그램으로 널리 활용되고 있는 ParaView를 사용하여 후처리 과정을 수행하고자 하였다. Fig.
다음으로 본 연구에서는 플랫폼의 활용 가능성을 확인하는 것을 목적으로 하였기 때문에 해석 관련 물성은 가정하여 FLAC3D 를 통해 간단한 역학 안정성 분석만을 수행하였다. 파괴 기준으로는 모어-쿨롬 모델을 적용하였으며, 독도 전체를 하나의 물성으로 가정하여 해석을 수행하였다.
stl 형태로 변환된 파일의 경우 해석을 위해 적절한 수준으로 메쉬 밀도를 조정할 필요가 있기 때문에 이를 위해 애니메이션, 3차원 프린팅 기술 등에 활용되고 있는 3차원 컴퓨터 그래픽 소프트웨어 툴셋인 Blender를 활용하여 메쉬 밀도 조정을 수행하였다. 다음으로는 내부 부피(volume) 메쉬 생성을 위하여 메쉬 생성 프로그램인 Gmsh를 활용하였으며, 마지막으로 Gmsh에서 생성한메쉬 정보를 OGSFLAC에서 활용 가능하도록 Python을 통해 변환하여 수치모델 생성을 완료하였다. 다음으로 OGSFLAC을 통해 수치해석을 수행하게 되며, 3차원 해석의 경우 시각화의 복잡성을 고려하여 결과를 효율적으로 제시하고자 시각화 프로그램으로 널리 활용되고 있는 ParaView를 사용하여 후처리 과정을 수행하고자 하였다.
도메인 내부의 그리드를 생성하기 위하여 Gmsh를 사용하여 도메인 내부에 사면체 기반의 메쉬를 생성하였으며(Fig. 4(c)), 마지막으로 Python으로 작성한 코드를 사용하여 OGSFLAC에서 활용가능하도록 메쉬 파일을 변환하여 수치모델을 완성하였다(Fig.
4(a)). 따라서 Blender를 활용하여 도메인의 그리드 밀도를 해석 가능한 수준으로 조정하였다(Fig. 4(b)).
플랫폼을 구축하고자 한다. 또한 구축된 해석 플랫폼이 다양한 시뮬레이터에 적용될 수 있도록 사용자가 수정 가능한 오픈소스프로그램을 활용하기로 계획하였다. 오픈소스 프로그램의 경우 소스코드가 공개되어 있으므로 필요시 연구자가 원하는 방향으로 프로그램을 수정하여 활용할 수 있으므로 높은 호환성을 지닐 수 있으며, 무료로 제공되기 때문에 접근성이 높다는 장점을 지니고 있다.
분석을 수행하였다. 먼저 드론을 활용하여 획득된 좌표 정보를 3차원 모델을 획득하였다. 그러나 이렇게 획득된 3차원 모델의 경우 수치해석에 직접 활용하기에는 도메인을 구성하는 그리드의 밀도가 지나치게 높은 것으로 나타났다(Fig.
본 연구에서는 실규모 수준에서의 효율적 수치해석 프로세스를 위해 메쉬 생성, 해석, 결과 후처리를 포함한 하나의 플랫폼을 구성하였다. 해석 플랫폼 구축에는 연구자의 필요에 따라 코드 수정이 용이하도록 코드가 공개되어 있는 오픈소스 프로그램들을 활용하였으며, 때문에 다양한 수치해석 프로그램에 맞춰 호환하여 활용할 수 있어 활용성이 높을 것으로 기대된다.
해석 플랫폼의 전처리 과정에서는 드론 또는 LIDAR를 통해 획득한 탐사자료를 해석 가능한 수준으로 재생성한 후 도메인 내부의 메쉬를 생성하기 위하여 Blender 및 Gmsh를 활용하였다. 수치해석을 위한 메쉬 규약 변경을 위해 Python을 활용하였으며, 해석 수행 후 결과 처리를 위해 시각화에 장점을 지니고 있는 ParaView를 활용하여 분석을 수행하고자 하였다. 구축한 해석 플랫폼의 적용성을 확인하기 위하여 드론을 통해 촬영된 독도를 대상으로 예비 안정성 분석을 수행하였다.
해석 결과 후처리(post-processing) 등 일련의 과정을 포함한 하나의 플랫폼을 구성하고자 하였다. 해석 플랫폼은 크게 수치 모델 생성을 위한 전처리 과정(Pre-processor), 수치해석 과정(Computing engine), 마지막으로 결과 처리 과정을 위한 후처리 과정(Post-processor)으로 나누어 볼 수 있으며, 본 연구에서는 T-H-M 복합거동 해석을 위해 개발된 OGSFLAC(Park et al, 2019a) 시뮬레이터를 활용 대상으로 하여 전체 해석 플랫폼을 설계하였다.
해석 플랫폼 구축에는 연구자의 필요에 따라 코드 수정이 용이하도록 코드가 공개되어 있는 오픈소스 프로그램들을 활용하였으며, 때문에 다양한 수치해석 프로그램에 맞춰 호환하여 활용할 수 있어 활용성이 높을 것으로 기대된다. 해석 플랫폼의 전처리 과정에서는 드론 또는 LIDAR를 통해 획득한 탐사자료를 해석 가능한 수준으로 재생성한 후 도메인 내부의 메쉬를 생성하기 위하여 Blender 및 Gmsh를 활용하였다. 수치해석을 위한 메쉬 규약 변경을 위해 Python을 활용하였으며, 해석 수행 후 결과 처리를 위해 시각화에 장점을 지니고 있는 ParaView를 활용하여 분석을 수행하고자 하였다.
해석이 완료된 뒤에는 자료의 후처리 작업이 필요한데 보다 효과적인 결과 제시를 위해 ParaView를 활용하여 플랫폼을 구성하고자 하였다. ParaView는 Kitware, Sandia National Laboratory 등이 주축이 되어 개발된 시각화 및 데이터 분석 프로그램으로 사용자가 원하는 방식의 다양한 시각화 자료 생성이 가능하며, 노드 및 요소 정보를 바탕으로 간단한 데이터 분석까지 가능한 오픈소스 프로그램이다.
데이터처리
파괴 기준으로는 모어-쿨롬 모델을 적용하였으며, 독도 전체를 하나의 물성으로 가정하여 해석을 수행하였다. 결과 분석은 ParaView를 활용하여 수행하였으며, Fig. 6은 전체 해석 결과들을 나타내고 있다. 안정성 분석을 위해서 전단응력/강도비의 안전율 개념을 적용하여 나타냈으며 값이 1에 가까워질수록 파괴 가능성이 높음을 의미한다.
성능/효과
6(c) ~ 6(f)). 도시 결과 안전율은 0.4를 넘지 않는 것으로 나타났으며 경사도가 높은 서도의 사면 하단부에서 최대 안전율을 보임을 확인하였다. 이를 통해 해석 플랫폼이 전처리, 해석, 후처리까지 효율적으로 활용될 수 있음을 확인하였으며, 향후 보다 자세한 해석 조건 및 정보가 주어질 경우 정밀한 T-H-M 복합 거동 해석을 통해 안정성 분석을 완료할 수 있을 것으로 기대된다.
6은 전체 해석 결과들을 나타내고 있다. 안정성 분석을 위해서 전단응력/강도비의 안전율 개념을 적용하여 나타냈으며 값이 1에 가까워질수록 파괴 가능성이 높음을 의미한다. Fig.
해석 프로그램으로는 FLAC3D를 활용하였으며, 안정성 분석 결과 사면 경사도가 높은 지점에서 위험도가 높은 것으로 나타났으나 파괴는 발생하지 않는 것으로 나타났다. 향후 정확한 지질조사 결과를 바탕으로 상세한 입력물성을 적용한다면 신뢰성 높은 결과를 얻을 수 있을 것으로 판단되며, 이번 예비해석을 토대로 구축된 해석 플랫폼이 보다 다양한 방식으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
후속연구
4를 넘지 않는 것으로 나타났으며 경사도가 높은 서도의 사면 하단부에서 최대 안전율을 보임을 확인하였다. 이를 통해 해석 플랫폼이 전처리, 해석, 후처리까지 효율적으로 활용될 수 있음을 확인하였으며, 향후 보다 자세한 해석 조건 및 정보가 주어질 경우 정밀한 T-H-M 복합 거동 해석을 통해 안정성 분석을 완료할 수 있을 것으로 기대된다.
특히 3차원 애니메이션 제작 분야의 경우 복잡한 인물 형상, 자연 경관, 유체 흐름 등의 모델링이 필수적으로 요구되고 있기 때문에 실규모 지중 구조물 해석 시 연계하여 활용할 경우 모델링 분야에 높은 활용성을 가질 수 있을 것으로 판단하였다.
해석 플랫폼 구축에는 연구자의 필요에 따라 코드 수정이 용이하도록 코드가 공개되어 있는 오픈소스 프로그램들을 활용하였으며, 때문에 다양한 수치해석 프로그램에 맞춰 호환하여 활용할 수 있어 활용성이 높을 것으로 기대된다. 해석 플랫폼의 전처리 과정에서는 드론 또는 LIDAR를 통해 획득한 탐사자료를 해석 가능한 수준으로 재생성한 후 도메인 내부의 메쉬를 생성하기 위하여 Blender 및 Gmsh를 활용하였다.
발생하지 않는 것으로 나타났다. 향후 정확한 지질조사 결과를 바탕으로 상세한 입력물성을 적용한다면 신뢰성 높은 결과를 얻을 수 있을 것으로 판단되며, 이번 예비해석을 토대로 구축된 해석 플랫폼이 보다 다양한 방식으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
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Park, J.W., Park, E.S., Kim, T., Lee, C. and J. Lee, 2018b, Hydro-mechanical modelling of fault slip induced by water injection: Decovalex-2019 taskb (step 1), Tunnel and Underground Space, Vol. 28, pp. 400-425.
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