암시적 시간적분 - implicit time integration

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시간에 따라 변하는 물체의 거동을 풀기 위해서는 물체의 거동을 지배하는 수학적 표현, 즉 미분 방정식을 시간에 대해 적분해야 한다. 하지만 이러한 시간 적분은 수학의 적분공식을 이용한 이론적 방법에서는 가능하지만 수치해석(numerical analysis)에서는 불가능하다. 왜냐하면, 수치해석은 물체의 거동을 보간함수(interpolation function)를 이용하여 근사하고, 이 근사식을 수학적 표현식에 대입하여 행렬방정식으로 전환시켜 근사해(approximate solution)를 구하기 때문이다.

시간에 따라 변하는 물체의 거동을 수치해석을 통하여 구하기 위해서는 전체 시간 구간을 유한 개의 시점으로 나눈 다음, 초기값을 이용하여 각 시점에서의 물체의 거동을 순차적으로 계산해 나가야 한다. 다시 말해, n번째 시점에서의 거동값을 계산하여 알고 있다면, 이 값을 행렬 방정식에 대입하여 (n+1)번째 시점에서의 거동값을 계산한다.

이렇게 순차적으로 각 시점에서의 거동값을 계산해 나가는 수치기법을 시간적분(time integration)이라고 부르고, 수학적 표현식을 어떤 시점에 두고 계산하느냐에 따라 크게 두 가지 적분 방식, 즉 암시적 시간적분과 명시적 시간적분(explicit time integration)으로 구분된다. 암시적 시간적분은 거동의 수학적 표현식을 (n+1)번째 시점에 놓고 푼다. 그런데 (n+1) 시점에서의 값들은 미지수이기 때문에 복잡한 계산 방법을 거치고 되고, 그 결과 시간적분을 위해 소모되는 시간이 명시적 시간적분보다 길다는 단점이 있다.

하지만, 시간에 따른 물체 거동의 안정적인 응답을 구할 수 있어 해석결과의 정확도가 상대적으로 높고, 요소 크기(element size)시간 간격(time step)에 대한 제약조건이 없다는 장점을 지니고 있다. 따라서, 풀고자 하는 해석 문제의 크기가 그다지 크지 않은 경우라면, 암시적 시간적분을 사용하는 것이 유리하다.

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기술용어통 수치해석 category-cae 시간적분 근사해 시간간격 요소크기 보간함수

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