경계조건을 고려한 단순보의 유한요소모델개선

김세훈,박영수,김남규,이종재 한국구조물진단유지관리공학회 2018 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.22 No.2

In this present study, in order to update the finite element model considering the boundary conditions, a method has been proposed. The conventional finite element model updating method, updates the finite element model by using the dynamic characteristics (natural frequency, mode shape) which can be estimated from the ambient vibration test. Therefore, prediction of the static response of an actual structure is difficult. Furthermore, accurate estimation of the physical properties is relatively hard. A novel method has been proposed to overcome the limitations of conventional method. Initially, the proposed method estimates the rotational spring constant of a finite element model using the deflection of structure and the rotational displacement of support measurements. The final updated finite element model is constructed by estimating the material properties of the structure using the finite element model with updated rotational spring constant and the dynamic characteristics of the structure. The proposed finite element model updating method is validated through numerical simulation and compared with the conventional finite element model updating method. 본 논문에서는 지점부 경계조건을 고려하여 단순보의 유한요소모델을 개선하는 기법을 제안하였다. 기존의 유한요소모델개선 기법은 주로 가속도 응답으로부터 추정된 동특성(고유진동수, 모드형상)을 이용하여 유한요소모델을 개선하였다. 이렇게 개선된 유한요소모델은 실제 구조물의 정적응답을 예측하기 어렵고, 잘못된 구조물의 물성치를 추정하는 문제가 발생한다. 제안된 기법은 먼저, 구조물의 처짐과 지점부 회전변위를 계측하여 지점부 경계조건을 간략화한 유한요소모델의 회전 스프링 강성을 정량적으로 추정한다. 회전 스프링 강성이 개선된 유한요소모델과 구조물의 동특성을 사용하여 구조물의 물성치를 추정함으로써 최종 개선된 유한요소모델을 구축된다. 제안된 유한요소모델 개선 기법과 기존 유한요소모델개선 기법을 수치해석 시뮬레이션을 통하여 비교 및 검증하였다.

깊은 신경망을 이용한 구조물의 유한요소모델 업데이팅

공밍,박원석 대한토목학회 2019 대한토목학회논문집 Vol.39 No.1

The finite element model updating can be defined as the problem of finding the parameters of the finite element model which gives theclosest response to the actual response of the structure by measurement. In the previous researches, optimization based methods have been developed to minimize the error of the response of the actual structure and the analytical model. In this study, we propose an inverse eigenvalue problem that can directly obtain the parameters of the finite element model from the target mode information. Deep Neural Networks are constructed to solve the inverse eigenvalue problem quickly and accurately. As an application example of the developed method, the dynamic finite element model update of a suspension bridge is presented in which the deep neural network simulating the inverse eigenvalue function is utilized. The analysis results show that the proposed method can find the finite element model parameters corresponding to the target modes with very high accuracy. 유한요소모델 업데이팅은 계측에 의한 구조물의 실제 응답과 가장 가까운 응답을 내는 유한요소모델의 매개변수를 찾는 문제로 정의할 수 있다. 기존 연구에서는 실 구조물과 해석 모델의 응답의 오차를 최소화하는 최적화에 기반 한 방법이 개발되었다. 이 연구에서는 목표 모드 정보로부터 유한요소 모델의 매개변수를 직접 얻을 수 있는 역 고유치 문제를 구성하고 역 고유치 문제를 빠르고 정확하게 풀기 위한 깊은 신경망(Deep Neural Network)을 구성하는 방법을 제안한다. 개발한 방법의 적용 예로서 현수교의 역 고유치 함수를 모사하는 신경망을 이용한 동적 유한요소모델 업데이트를 보인다. 해석 결과 제시한 방법은 매우 높은 정확도로 목표 모드에 대응하는 매개변수를 찾아낼 수 있음을 보였다.

초기수위해석을 이용한 2차원 유한요소모형의 개선

김상호,오현욱,최승용,한건연 한국방재학회 2012 한국방재학회논문집 Vol.12 No.6

Initial condition of water surface elevation with boundary condition is required to simulate two-dimensional finite element model. In general, in order to perform two-dimensional finite element model, unrealistic initial water surface elevation which is above all-terrain bed elevation and unmatched downstream boundary condition is used, which will make it difficult to perform stably. In this study, the water surface elevation caused by the actual river bed rather than a fixed value is applied automatically as the initial condition of a two-dimensional finite element model. The algorithm to automatically extract river cross section for simulation of one-dimensional hydraulic analysis from a two-dimensional element mesh is developed. And the accuracy of twodimensional model tried to upgrade by improving the two-dimensional finite element model, which used the results of one-dimensional non-uniform analysis as the initial condition of two-dimensional model. To examine the applicability of an improved model,the model was applied to the rectangular channel with a rapid slope, mild-steep slopes channel, steep-mild slopes channel and Han River. The results of the model, which the initial water surface elevation of one-dimensional flow analysis is used, were more stably converged than those of existing model and the stability of numerical computation was improved by using physical initial water surface elevation. 2차원 유한요소모형을 수행하기 위해서는 경계조건과 함께 대상구간에 대한 초기수위를 지정하여야 한다. 일반적으로 2차원모형을 수행하기 위해 하상의 모든 지형고보다 높으면서 하류단 경계수위와 일치하지 않는 비현실적인 초기수위를 사용하게 되며, 이는 모형의 안정적인 모의를 어렵게 한다. 본 논문에서는 2차원 모형의 초기수위가 고정값이 아니라 실제 하상경사로 인해 발생하는 하천의 수위를 사용하여 2차원 유한요소모형에 자동 적용되도록 하였다. 이를 위해 2차원 요소망으로부터 1차원동수역학 해석을 수행할 수 있는 하상자료를 자동으로 추출하는 알고리듬을 개발하였고, 2차원 모형 내에서 모의된 1차원 부정부등류 해석 결과가 2차원 모형의 전체구간에 대한 초기수위로 적용될 수 있도록 2차원 유한요소모형을 개선함으로써 모형의정확도를 향상시키고자 하였다. 개선된 모형의 적용성을 검토하기 위해서 급격한 경사를 가지는 직사각형 하도, 완경사-급경사하도 그리고 급경사-완경사 하도와 같은 가상하도 및 한강 본류구간에 대해 흐름해석을 실시하였다. 그 결과 기존의 2차원 유한요소모형의 결과보다 1차원 흐름해석 결과를 초기수위로 이용한 모형의 결과가 보다 안정적으로 해에 수렴하고 있는 것을 확인함으로써 물리적인 초기 수위값의 부여로 인한 수치계산의 안전성이 향상되었음을 확인할 수 있었다.

비내진상세를 가진 기둥용접형 거셋플레이트의 단순화된 유한요소해석모델

신이섭,고현,김형준 한국강구조학회 2023 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.35 No.6

힘지배요소로 구분되는 거셋플레이트의 압축거동은 철골가새골조의 내진성능에 미치는 영향이 크다. 옥외배관을 지지하는 철골가새골조에는 기둥용접형 거셋플레이트가 흔히 사용된다. 기존 거셋플레이트 압축강도 예측식은 거셋플레이트의 면내방향 강성이 면외방향에 비하여 매우 크다는 가정에서 유도되어 이를 기둥용접형 거셋플레이트에 적용하는 것은 적절하지 않다. 기둥용접형거셋플레이트의 압축강도를 파악하려면 인접 구조부재가 포함된 거셋플레이트의 유한요소해석모델을 수립해야 하나, 해석시간 등을고려한 보다 효율적인 방법이 요구된다. 본 연구는 거셋플레이트에 대한 기존 스프링요소모델을 기둥과 가새부재가 포함된 기둥용접형 거셋플레이트의 유한요소해석과 비교·검토하고, 경계조건을 단순화한 유한요소모델을 제안하였다. 기존 강도식과 스프링요소모델은 기둥용접형 거셋플레이트의 압축강도와 면외방향 회전강성 등을 적절하게 예측할 수 없음을 확인하였다. 또한, 본 연구에서 제안한유한요소해석모델은 기존 스프링요소모델에 비해 기둥용접형 거셋플레이트의 압축거동특성을 잘 반영하는 것으로 나타났다. The seismic performance of a steel braced frame can be affected by the compression behavior of gusset plates which are usually classified into force-governing structural members. Although commonly used in pipeline-supporting steel braced frames, gusset plates welded to a column web only are inappropriate to be subjected to existing formula that were developed under the assumption that gusset plates possess extremely high in-plane rotational stiffness. To evaluate the compression strength of gusset plates welded to a column web only, efficient and simplified finite element models need to be developed considering effects of adjacent structural members. This study investigates existing spring element modeling methodologies for gusset plates for direct comparison with the finite element model including column and bracing members, and proposes a model for gusset plates welded to a column web only using the simplification of boundary conditions. The proposed model adequately predicts the compression strength and out-of-plane rotational stiffness of the gusset plates, compared with the existing formula and spring element models.

가속도 및 각속도 데이터 융합 기반 유한요소모델 개선

김현준,조수진,심성한 한국구조물진단유지관리공학회 2015 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.19 No.2

The finite element (FE) model updating is a commonly used approach in civil engineering, enabling damage detection, design verification, and load capacity identification. In the FE model updating, acceleration responses are generally employed to determine modal properties of a structure, which are subsequently used to update the initial FE model. While the acceleration-based model updating has been successful in finding better approximations of the physical systems including material and sectional properties, the boundary conditions have been considered yet to be difficult to accurately estimate as the acceleration responses only correspond to translational degree-of-freedoms (DOF). Recent advancement in the sensor technology has enabled low-cost, high-precision gyroscopes that can be adopted in the FE model updating to provide angular information of a structure. This study proposes a FE model updating strategy based on data fusion of acceleration and angular velocity. The usage of both acceleration and angular velocity gives richer information than the sole use of acceleration, allowing the enhanced performance particularly in determining the boundary conditions. A numerical simulation on a simply supported beam is presented to demonstrate the proposed FE model updating approach. 유한요소모델 개선은 구조물의 설계검증, 손상추적, 내하력 평가 등 다양하게 활용되고 있는 기법이다. 일반적인 유한요소모델 개선은구조물에서 계측된 가속도응답으로부터 구조물의 고유진동수와 모드형상을 구하고, 이를 바탕으로 모델을 개선하게 된다. 이와 같은 가속도응답기반 유한요소모델 개선은 구조물의 병진 자유도를 고려하기 때문에 물리적인 체계를 추정하는데 있어서 매우 적합하지만, 회전 자유도 상에서 변화하는 구조물의 경계조건을 판별하기에는 어려움이 있다. 최근 센서 기술의 개발로 인하여 저렴한 가격, 높은 정확성의 자이로센서들이 개발되고 있으며, 그에 따라 구조물의 회전 자유도에 관한 정보 획득이 용이해지고 있다. 본 연구에서는 이를 바탕으로 가속도와 각속도 응답을 함께 이용하는 데이터 융합 기반 유한요소모델 개선 기법을 제안하였다. 가속도와 각속도를 모두 활용한 데이터융합기법은, 가속도만 사용한 기존의 유한요소 모델 기법보다 구조물의 경계조건 판별에 정확한 정보를 제공한다. 본 논문에서는 단순보 모델을이용한 수치 시뮬레이션을 통해서, 제안한 가속도와 각속도 데이터 융합기반의 유한요소모델 개선 기법의 성능을 검증하였다.

운용중 모드해석 방법과 신경망을 이용한 온라인 유한요소모델 업데이트

박원석 한국전산구조공학회 2021 한국전산구조공학회논문집 Vol.34 No.1

이 논문에서는 공용중인 구조물의 상시 계측 자료를 사용한 온라인 유한요소 모델 업데이트 방법을 제안한다. 일반적인 최적화 방법에 기반한 기존의 방법은 최적해를 찾기까지 반복적으로 고유치 해석을 수행해야 하므로 상시 업데이트에 사용하기에는 효과적이지 못하다. 제안하는 방법은 별도의 오프라인 작업이나 사용자의 개입이 없이 자동화된 과정으로 계측과 동시에 온라인 유한요소모델 업데이트를 수행할 수 있는 새로운 방법이다. 자동화된 Cov-SSI 알고리즘을 통해 구조물의 진동 계측 신호로부터 고유진동수 및 모드 형상을 식별하고, 이를 다시 역 고유치 신경망에 입력하여 최종적으로 업데이트된 유한요소 모델의 파라미터를 추정한다. 풍하중을 받는 20층 전단 빌딩 구조 모형에 대한 수치예제를 통해 제시한 방법이 자동으로 연속적인 유한요소모델 업데이트를 할 수 있었음을 확인하였다. 또한, 계측 도중 구조물의 특성이 변화하는 시나리오에 대한 예제에서 구조물의 변화가 일어나는 시점과 변화 후 변동된 구조 모델 파라미터 값을 성공적으로 추정할 수 있음을 확인하였다. This paper presents an on-line finite element model updating method for in-service structures using measured data. Conventional updating methods, which are based on numerical optimization, are not efficient for on-line updating because they generally require repeated eigenvalue analyses until convergence criteria are met. The proposed method enables fully automated on-line finite element model updating, almost simultaneously with vibration measurement, without any user intervention or off-line procedures. The automated covariance-driven stochastic subspace identification (Cov-SSI) method is utilized to identify modal frequencies and vectors, and the identified modal data is fed to the neural network of the inverse eigenvalue function to produce the updated finite element model parameters. Numerical examples for a wind excited 20-story building structure shows that the proposed method can update the series of finite element model parameters automatically. It is also shown that sudden changes in the structural parameters can be detected and traced successfully.

3D SCAN DATA를 이용한 직접유한요소모델 생성

이성범(Seong Beom Lee),이수용(Su Young Lee),김성진(Sung Jin Kim),정재영(Jae Young Jeong),박종식(Jong Sik Park) Korean Society for Precision Engineering 2006 한국정밀공학회지 Vol.23 No.5

It is still very difficult to generate a geometry model and finite element model, which has complex and many free surface, even though 3D CAD solutions are applied. Furthermore, in the medical field, which is a big growth area of recent years, there is no drawing. For these reasons, making a geometry model, which is used in finite element analysis, is very difficult. To resolve these problems and satisfy the requests of the need to create a 3D digital file for an object where none had existed before, new technologies are appeared recently. Among the recent technologies, there is a growing interest in the availability of fast, affordable optical range laser scanning. The development of 3D laser scan technology to obtain 3D point cloud data, made it possible to generate 3D model of complex object. To generate CAD and finite element model using point cloud data from 3D scanning, surface reconstruction applications have widely used. In the early stage, these applications have many difficulties, such as data handling, model creation time and so on. Recently developed point-based surface generation applications partly resolve these difficulties. However there are still many problems. In case of large and complex object scanning, generation of CAD and finite element model has a significant amount of working time and effort. Hence, we concerned developing a good direct finite element model generation method using point cloud's location coordinate value to save working time and obtain accurate finite element model.

유한요소법을 이용한 환자별 교정시스템 구축의 기초 알고리즘 개발과 적용 : Development and Application of the Basic Algorithm

신정욱,남동석,김태우,이성재 대한치과교정학회 1997 대한치과교정학회지 Vol.27 No.5

본 연구는 최근 많은 연구가 행해지고 있는 유한요소를 이용한 교정시스템구축에 있어서 정상교합자가 아닌 부정교합 환자별 유한요소 모델구출을 위한 기초 알고리즘 개발에 그 목표가 있다. 기존에는 유한요소 분석을 위해서 한 환자의 치열을 유한요소 모델로 재현하고자 할때, 전처리 과정에 대부분의 시간을 소요해야만 했다. 본 연구에서는 이 전처리과정을 자동화할 수 있는 기초 알고리즘을 마련하여, 향후 이 방면의 연구를 용이하도록 하였다. 이를 위하여 임의로 선택된 부정교합 환자의 상하악 모형을 이용하여 치아의 삼차원적인 위치를 계측할 수 있는 표준화된 방법을 제시하였으며, 또한 본 연구를 통하여 개발된 프로그램을 이용하여 유한요소의 전처리과정을 자동화할 수 있는 기초을 마련하였다. 본 연구는 아래와 같은 단계를 거쳐 수행하였다. 1. 상, 하악 중절치에서 제2대구치까지 14개의 치아 형상을 상, 하악 각각 구축하여 개별 화일로 저장한다. 2. 이 치아에 standard bracket을 치관의 FA point와 bracket slot의 중앙이 일치되도록 부착한다. 3. 대상 환자의 석고 모형을 제작한다. 4. 석고 모형에서 본 연구를 위해 제작된 기구들로 치아의 crown inclination, angulation, 그리고 교합면에서 치관첨까지의 수직거리를 계측한다. 5. 표준화하여 촬영한 석고모형의 사진을 이용하여 화상처리기법으로 치아의 치열궁 형태를 파악한다. 또한 사진상에서 치아의 수평적 위치 및 회전량을 측정한다. 6. 계측된 crown inclination, angulation, 수직거리, 그리고 치열궁의 형태 미 치아의 회전정도 등을 회전행열을 이용하여 만든 프로그램에 입력한다. 이 프로그램은 유한요소 전처리 과정에 필요한 치아의 배열상태를 담고 있는 데이터를 결과파일로 제공하는데, 이 결과 파일은 일반적인 상용 유한요소 프로그램에서도 사용 가능하다. 7. 개개의 치아파일은 이 결과 파일에 따라 삼차원적인 위치로 배열되어 선택한 특정환자의 유한요소 모델을 완성하게 된다. 상기와 같은 여러 단계를 거친 후 임의로 선택한 부정교합자의 상, 하악 유한요소 모델구축을 위한 기초 자료를 구출할 수가 있었으며, 개개인 환자의 모형에서 얻은 정보로 유한요소 모델로 재현하기 위한 전처리과정의 기초 알고리즘을 마련하였다. The purpose of this study is to develop the basic algorithm for the finite element method modeling of individual malocclusions. Usually, a great deal of time is spent in preprocessing. To reduce the time required, we developed a standardized procedure for measuring the position of each tooth and a program to automatically preprocess. The following procedures were carried to complete this study. 1. Twenty-eight teeth morphologies were constructed three-dimensionally for the finite element analysis and saved as separate files. 2. Standard brackets were attached so that the FA points coincide with the center of the brackets. 3. The study model of a patient was made. 4. Using the study model, the crown inclination, angulation, and the vertical from the tip of a tooth was measured by using specially designed tools. 5. The arch form was determined from a picture of the model with an image processing technique. 6. The measured data were input as a rotational matrix. 7. The program provides an output file containing the necessary information about the three-dimensional position of teeth, which is applicable to several finite element programs commonly used. The program for a basic algorithm was made with Turbo-C and the subsequent outfile was applied to ANSYS. This standardized model measuring procedure and the program reduce the time required, especially for preprocessing and can be applied to other malocclusions easily.

초탄성 재료의 변형률에너지함수를 이용한 LRB받침의 유한요소해석

조성국,박웅기,윤성민 대한토목학회 2016 대한토목학회논문집 Vol.36 No.3

The material property of the rubber has been studied in order to improve the reliability of the finite element model of a lead rubber bearing (LRB) which is a typical base isolator. Rubber exhibits elastic behaviour even within the large strain range, unlike the general structural material, and has a hyper-elastic characteristics that shows non-linear relationship between load and deformation. This study represents the mechanical characteristics of the rubber by strain energy function in order to develop a finite element (FE) model of LRB. For the study, several strain energy functions were selected and mechanical properties of the rubber were estimated with the energy functions. A finite element model of LRB has been developed by using material properties of rubber and lead which were identified by stress tests. This study estimated the horizontal and vertical force-displacement relationship with the FE model. The adequacy of the FE model was validated by comparing the analytical results with the experimental data. 이 연구는 대표적인 면진장치인 납고무베어링(LRB)의 유한요소모델의 신뢰성을 향상시키기 위하여 주재료인 고무의 재료특성에 대하여 연구하였다. 고무는 일반적인 탄성재료와는 달리 대변형, 비선형특성을 가지는 초탄성 재료이다. 본 연구에서는 고무를 초탄성 재료로 가정하고 그의 재료특성을 변형률에너지함수로 표현하여 LRB의 유한요소모델을 개발하였다. 연구를 위하여 여러 변형률에너지함수 중 몇 가지를 선별하고 이를 이용하여 고무의 재료특성을 예측하였다. 변형률에너지함수를 이용하여 결정된 고무의 재료특성과 표준적인 납의 재료특성을 이용하여LRB의 유한요소모델을 개발하고, 수평방향과 수직방향의 힘-변위 관계를 해석하였다. LRB의 유한요소모델을 통하여 해석으로 예측한 수평과수직방향 강성을 실험결과와 비교함으로써 개발된 유한요소모델의 적합성을 검증하였다.

부착모델을 이용한 강-콘크리트 합성바닥판의 간략 해석

이규세,Yi. Gyu-Sei 한국방재학회 2011 한국방재학회논문집 Vol.11 No.4

In this study, a bond model, which is used to evaluate the behavior of the steel-concrete decks, is proposed. The load-end slip relation in the proposed model is formulated by Newmark theory. The steel-concrete decks are analyzed by finite element analysis with the aid of the proposed bond model. In the finite element analysis, the shear connectors between the steel plate and the concrete are modeled by a number of spring elements. The results of the finite element analysis with the proposed bond model are fairly correlated with the experimental results of the full-size model. This study furthermore indicates that, if the proposed bond model is properly used in the analysis of steel-concrete composite deck, the behavior of the composite deck can be easily analyzed without the aid of the full-size experiment. 본 논문은 강-콘크리트 합성바닥판의 구조적 거동을 간략하게 예측할 수 있도록 부착 모델을 제시하였다. 제안한 부착모델의 단부 슬립 관계는 Newmark 이론을 이용하여 유도되었다. 제안한 부착모델을 이용하여 강-콘크리트 합성바닥판의 유한요소 구조해석을 실시하였다. 유한요소해석에서 콘크리트와 강바닥판 사이의 전단연결재는 스프링요소를 사용하여 모델링하였다. 제안한 부착모델을 이용한 유한요소해석 결과와 실물모형 실험결과는 매우 일치하였다. 따라서, 본 연구 결과는 제안된 부착모델을 적절히 사용한다면 강-콘크리트 합성바닥판의 거동을 실물모형실험 없이도 예측할 수 있음을 보였다.