ANSYS HPC Parametric Pack의 개요 및 활용

이번 호에서는 앤시스(ANSYS) 14.5가 출시되면서 새롭게 선보이게 된 앤시스 HPC 파라메트릭 팩(ANSYS HPC Parametric Pack)의 개념에 대해 알아본다. 그리고 앤시스 HPC 파라메트릭 팩이 실제 워크벤치(Workbench)에서 어떻게 구동되는지 알아본다.

프로필 - 권순재
ANSYS 제품의 총판을 담당하고 있는 태성에스엔이 서울 사무소의 엔지니어로 FEM 분야의 기술지원과 교육을 담당하고 있다.
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출시 배경
하드웨어의 눈부신 발전과 더불어 시뮬레이션의 수행 시간이 혁신적으로 단축됨에 따라 시뮬레이션 기반의 설계가 정착되고 있다.
이런 흐름은 좀 더 많은 설계인자에 대한 해석을 요구하고 있고 나아가 시뮬레이션을 통한 최적 설계의 수요 역시 늘어가고 있다.
앤시스 워크벤치(ANSYS Workbench)는 R12.0에서 설계점(design point)에 대한 분석을 돕기 위해 형상변수, 재료물성 및 경계조건 등에 간단한 설정으로 파라미터 세트(Parameter Set)를 구성하여 해석을 순차적으로 자동 수행할 수 있게 함으로써 사용자 편의성을 구축하였다. 이후 R14.0부터 원격지 서버에서 해석을 수행할 수 있는 기술과 동시 수행할 수 있는 기능을 확보함으로써 그 효용성을 높여 왔다.
R14.5에서는 새로운 형태의 라이선스 체계를 도입함으로써 좀 더 사용자에게 시간적으로 비용적으로 현실성을 부여하게 되었다. 나아가 새로 출시된 앤시스 HPC 파라메트릭 팩(ANSYS HPC Parametric Pack)은 시간 등의 이유로 현업에 도입하기에 다소 부
담이 된 시뮬레이션을 통한 최적화를 좀 더 현실적으로 앞당기는데 기여할 것으로 기대된다.

라이선스
앤시스 HPC 파라메트릭 팩은 4개의 설계점을 동시에 계산할 수 있게 해 주는 라이선스이다. 예를 들어 <그림 1>에 나타난 Mixing Vessel은 2개의 입구(inlet)과 1개의 출구(outlet)를 가진 유동해석 예이다. 운전 조건의 범위 내에서 압력강화를 최소화하기 위하여 8가지의 입구조건에 대해 분석을 할 경우 기존에는 순차적으로 8번의 해석을 수행해야 했고, HPC 파라메트릭 팩 라이선스가 있으면 동시에 4가지의 조건씩 계산을 수행할 수 있다.
라이선스 비용적 측면에서 1개의 앤시스 플루언트(A NSYS Fluent) 라이선스를 가지고 4개의 설계점을 순차적으로 분석하던 사용자가 시간을 약 1/4로 줄이려면 4개의 라이선스를 보유해야 함으로써 라이선스 비용이 4배로 증가하게 된다. 만약 1개의 플루언트 라이선스에 앤시스 HPC 파라메트릭 팩을 보유하게 되면 동시에 4가지 조건에 대해 동시에 해석을 수행함으로써 적절한 비용 추가로 해석 시간을 이상적으로 약 1/4로 줄일 수 있게 된다.(그림 2)
비용 절약 및 시간 절약 효과는 HPC나 HPC 팩 등을 함께 보유했을 때 더욱 빛을 발한다. 예를 들어 4개의 설계점에 대한 유동해석을 각각 8코어 병렬 컴퓨팅으로 동시에 수행하고자 한다면, 4개의 앤시스 플루언트와 4개의 앤시스 HPC 팩 라이선스를 보유하여야 한다.
만일 1개의 앤시스 HPC 파라메트릭 팩 라이선스를 보유하게 되면, 1개의 앤시스 플루언트와 1개의 HPC 팩 라이선스만 보유해도 4개의 설계점에 대해 각각 8 코어(총 32 코어를 동시 사용) 병렬 컴퓨팅 해석이 동시에 가능해진다.
HPC 파라메트릭 팩이 동시에 계산을 수행할 수 있는 설계점의 수는 HPC 파라메트릭 팩 라이선스가 1개 추가될 때마다 <그림 2>와 같이 2배씩 늘어 난다. HPC 파라메트릭 팩이 적용될 수 있는 앤시스의 제품군은 Multiphysics, Mechancial/Emag, Mechanical/CFD-Flo, Mechanical, CFD, Fluent, CFX, Polyflow, HPC, HPC PACK 등이 있다

활용 예
<그림 4>에 나타난 내용은 반잠수식 구조물의 총 질량과 응력을 최소화하기 위하여 폰툰(Pontoon)과 칼럼(Base column)의 두께에 대한 16개의 설계점에 대해 정적 해석(Static Analysis)을 수행한 벤치마크 사례이다. 약 23만개의 절점을 사용하였으며 2.9GHz CPU, 256G RAM이 장착된 워크스테이션이 사용되었다. 활용된 라이선스는 1개의 앤시스 미캐니컬(ANSYS Mechanical) 라이선스에 2개의 HPC 파라메트릭 팩 라이선스가 적용되었다.
테스트 결과 HPC 파라메트릭 팩이 없이 순차적으로 계산된 경우에 비해 약 6배의 시간이 절약되었다.

또 다른 예로 32 코어를 사용해 수렴해를 구하는 데 필요한 시간이 30분 내외가 소요되는 플루언트 해석 케이스가 있다고 가정하자.
32 코어를 활용할 수 있는 HPC 팩 라이선스 2개와 HPC 파라메트릭 팩 라이선스 1개를 동시에 보유할 경우 하루 동안 약 24시간 × (2case/시간) × 4배 = 192case의 계산을 수행할 수 있다는 산술적인 계산이 나온다.
앤시스 워크벤치의 최적화 모듈인 디자인익스플로러(DesignXplorer)나 워크벤치에 연계되는 서드파티 소프트웨어인 OptisLang 등을 이용할 경우 유동해석 최적화 수행이 현실적인 시간 내에 수행할 수 있는 토대가 구축될 수 있다.

워크벤치 플랫폼 파라메트릭 스터디와 디자인 포인트 <그림 5>처럼 변수 값은 각 애플리케이션에서 정의되며, 워크벤치 프로젝트 레벨에서 관리된다. 독립적인 구성은 'Design Points'에서 관리된다. 변수는 형상 치수, 재질 속성, 격자 크기, 하중 및 경계 조건, 결과 등이 될 수 있다. 이런 변수들은 워크벤치 프로젝트 창(Design Point 테이블)에서 제어될 수 있다. 프로젝트의 모든 단계는 스크립트 없이 각각의 변수 세팅 만으로 자동으로 업데이트될 수 있다. 변수들은 수동으로 Design Point Table에 정의하거나 DOE를 위한 디자인익스플로러에 의해 자동으로 정의하고 최적화를 수행할 수 있다.

RSM을 통한 원격 실행
앤시스 R14.0까지 워크벤치에서 단지 Solution 셀만 원격으로 수행될 수 있었다. 이것은 일반적으로 해석이 가장 긴 시간을 차지하기 때문이며, 그것만 HPC를 사용할 수 있다.