P-version 유한요소법에 의한 피로균열해석

우광성,이채규 한국전산구조공학회 1992 전산구조공학 Vol.5 No.3

Since many design problems in the railroad, aerospace and machine structures involve considerations of the effect of cyclic loading, manufacturing and quality control processes much fully account for fatigue of critical components. Due to the sensitivity of the Paris law, it is very important to calculate .DELTA.K numerically to minimize the error of predicted fatigue life in cycles. However, it is shown that the p-version of FEM based on LEFM analysis is far better suited for computing the stress intensity factors than the conventional h-version. To demonstrate the proficiency of the proposed scheme, the welded T-joint with crack problems of box car body bolster assembly and a crack problem emanating from a circular hole in finite strip have been solved. 철도, 항공 및 기계구조물등의 많은 설계문제에서는 반복하중의 영향을 받기 때문에 제조와 품질제어 공정에서 특히, 반복하중의 영향이 심한 구조부품의 피로균열에 대한 연구가 충분히 선행되어야 한다. Paris법칙에서 응력확대계수범위 .DELTA.K에 10%오차를 수반하면 피로수명 N에는 50%정도의 오차를 초래할 만큼 민감도가 매우 크다. 그러나, 선형탄성파괴역학에 근거한 p-version 유한요소법은 응력확대계수를 산정하는데 있어서 종래의 h-version 유한요소법에 비해 훨씬 적합함이 증명되고 있다. 제안된 해석법의 효율성을 입증하기 위해 철도차량의 연결접합부에 있는 T-joint부위의 피로균열해석과 원공이 있는 유한판의 원공주위에서 발생되는 균열해석이 수행되었다.

P-version 유한요소법에 의한 피로균열해석

우광성,이채규 한국전산구조공학회 1992 한국전산구조공학회논문집 Vol.5 No.3

철도, 항공 및 기계구조물등의 많은 설계문제에서는 반복하중의 영향을 받기 때문에 제조와 품질제어 공정에서 특히, 반복하중의 영향이 심한 구조부품의 피로균열에 대한 연구가 충분히 선행되어야 한다. Paris법칙에서 응력확대계수범위 .DELTA.K에 10%오차를 수반하면 피로수명 N에는 50%정도의 오차를 초래할 만큼 민감도가 매우 크다. 그러나, 선형탄성파괴역학에 근거한 p-version 유한요소법은 응력확대계수를 산정하는데 있어서 종래의 h-version 유한요소법에 비해 훨씬 적합함이 증명되고 있다. 제안된 해석법의 효율성을 입증하기 위해 철도차량의 연결접합부에 있는 T-joint부위의 피로균열해석과 원공이 있는 유한판의 원공주위에서 발생되는 균열해석이 수행되었다. Since many design problems in the railroad, aerospace and machine structures involve considerations of the effect of cyclic loading, manufacturing and quality control processes much fully account for fatigue of critical components. Due to the sensitivity of the Paris law, it is very important to calculate .DELTA.K numerically to minimize the error of predicted fatigue life in cycles. However, it is shown that the p-version of FEM based on LEFM analysis is far better suited for computing the stress intensity factors than the conventional h-version. To demonstrate the proficiency of the proposed scheme, the welded T-joint with crack problems of box car body bolster assembly and a crack problem emanating from a circular hole in finite strip have been solved.

응력특이를 갖는 축방향 부재의 웨이블렛 급수해석

우광성,장영민,이동우,이상윤,Woo, Kwang-Sung,Jang, Young-Min,Lee, Dong-Woo,Lee, Sang-Yun 한국전산구조공학회 2010 한국전산구조공학회논문집 Vol.23 No.1

푸리에 급수는 사인 곡선처럼 일정한 진폭으로 진동하는 정규파(wave)를 사용한다. 그래서 푸리에 급수에서 사용하는 함수는 진동수의 크기가 시간에 따라 변하지 않기 때문에 국부적인 영역에서 급작스런 진동이나 불연속성을 갖는 신호를 표현하기에는 한계가 있다. 그러나 이러한 푸리에 해석의 단점을 여러개의 적절한 웨이블렛의 선형조합에 의해 보완할 수 있는 것이 웨이블렛 급수해석이다. 시간에 집중되어진 궤적의 작은 잔파(wavelet)를 사용함으로써 시간과 주기의 폭을 변화시킬 수 있기 때문에 유동적이고, 특이(singular)형상을 지닌 신호들을 보다 효율적으로 표현할 수 있다. 이 연구의 주요 목적은 웨이블렛 급수해석이라고 불리는 방법을 2계 편미분방정식으로 표현되는 1차원 축방향 부재에 웨이블렛 이론을 적용함과 동시에 유한요소법과 같은 수치해석법과의 비교를 통해 성능평가를 위해 제안되었다. 여러 형태의 웨이블렛 함수의 검토 후에 HAT 함수가 웨이블렛 및 스케일링 함수로 채택되었다. 등분포하중을 받는 경우의 축방향 부재해석에서 제안된 방법은 유한요소법과 같이 효율적임을 보이며, 특히 응력특이점에서는 더 정확한 값을 보였으며, 계산시간도 절약되는 장점을 얻을 수 있었다. The Fourier series uses a vibrating wave that possesses an amplitude that is like the one of the sine curve. Therefore, the functions used in the Fourier series do not change due to the value of the frequency and that set a limit to express irregular signals with rapid oscillations or with discontinuities in localized regions. However, the wavelet series analysis(WSA) method supplements these limits of the Fourier series by a linear combination of a suitable number of wavelets. By using the wavelet that is focused on time, it is able to give changes to the range in the cycle. Also, this enables to express a signal more efficiently that has singular configuration and that is flowing. The main objective of this study is to propose a scheme called wavelet series analysis for the application of wavelet theory to one-dimensional problems represented by the second-order elliptic equation and to evaluate theperformance of proposed scheme comparing with the finite element analysis. After a through evaluation of different types of wavelets, the HAT wavelet system is chosen as a wavelet function as well as a scaling function. It can be stated that the WSA method is as efficient as the FEA method in the case of axial bars with distributed loads, but the WSA method is more accurate than the FEA method at the singular points and its computation time is less.

LS/DYNA-3D 프로그램을 이용한 도로안전시설물 해석사례

우광성,이동우,U, Gwang-Seong,Lee, Dong-U 한국도로학회 2013 도로 : 도로학회지 Vol.15 No.1

Reissner-Mindlin 평판의 hp-Version 유한요소해석

우광성,이기덕,고만기,Woo, Kwang Sung,Lee, Gee Doug,Ko, Man Gi 대한토목학회 1993 대한토목학회논문집 Vol.13 No.2

본 논문에서는 Reissner-Mindlin 평판이론에 근거한 계층적 $C^{\circ}$-평판요소가 제안되었다. 적분형 르장드르 형상함수에 근거한 계층요소를 제안하는 이유는 종래의 h-version 유한요소법의 개념 을 사용하여 전단구속 효과등에 대한 해의 정확도 및 수치안정성을 확보할 수 있는 요소를 만드는데 여전히 어려움이 수반되기 때문이다. 적응적 체눈 p-세분화와 선택적 형상함수 차수 p의 분포를 사용하는 hp-version 유한요소법을 사용하여 내부주변은 자유단의 개구부를 갖고, 외부주변이 단순지지된 L-형 평판해석을 수행하였는데 종래의 h-version 유한요소법에 비해 우월한 수렴성과 전단구속을 피할 수 있는 등의 알고리즘 효율성을 보여 주고 있다. This paper is concerned with formulations of the hierarchical $C^{\circ}$-plate element on the basis of Reissner-Mindlin plate theory. On reason for the development of the aforementioned element based on Integrals of Legendre shape functions is that it is still difficult to construct elements based on h-version concepts which are accurate and stable against the shear locking effects. An adaptive mesh refinement and selective p-distribution of the polynomial degree using hp-version of the finite element method are proposed to verify the superior convergence and algorithmic efficiency with the help of the simply supported L-shaped plate problems.

p-수렴 완전층별모델에 의한 일면패치로 보강된 원공 적층판의 휨효과

우광성,양승호,안재석,신영식,Woo, Kwang-Sung,Yang, Seung-Ho,Ahn, Jae-Seok,Shin, Young-Sik 한국전산구조공학회 2009 한국전산구조공학회논문집 Vol.22 No.5

Double symmetric patch repair of existing structures always causes membrane action only, however, in many cases this technique is not practical. On the other hand, the bending stiffness of the patch and the skin increases as tensile loading is increased and affects the bending deformation significantly in the case of single-sided patch repair. In this study, the p-convergent full layerwise model has been proposed to determine the stress concentration factor in the vicinity of a circular hole as well as across the thickness of plates with single-sided patch repair. In assumed displacement field, the strain-displacement relations and 3-D constitutive equations of a layer are obtained by the combination of 2-D and 3-D hierarchical shape functions. The transfinite mapping technique has been used to represent a circular boundary and Gauss-Lobatto numerical integration is implemented in order to directly obtain stresses occurred at the nodal points of each layer without other extrapolation techniques. The accuracy and simplicity of the present model are verified with comparison of the previous results in literatures using experiment and conventional 3-D finite element. Also, the bending effect has been investigated with various patch types like square, circular and annular shape. 기존에 설치되어 있는 구조물의 양면대칭 패치보강은 항상 면내거동만을 유발하나 시공상 어려움이 있다. 반면에 일면 패치보강의 경우 인장력의 증가에 따라 중립축의 위치가 대칭이 아니므로 휨에 대한 강성도가 증가하게 되며, 결과적으로 적층판의 휨을 심화시키게 된다. 이 연구에서는 일면 패치보강된 적층판의 두께방향은 물론이고 원공주위의 응력집중계수를 산정하기 위해 p-수렴 완전층별모델을 제안하였다. 가정된 변위장의 정의를 위해, 임의의 층에서 변위-변형률 관계와 3차원 구성방정식은 2차원 및 3차원 계층적 형상함수의 조합이 사용된다. 원형경계의 기하형상을 나타내기 위해 초유한사상기법이 사용되며, 다른 외삽법을 사용하지 않고 각 층마다 절점에서의 응력값을 직접적으로 얻기위해 가우스-로바토 수치 적분이 수행되었다. 제안된 모델의 정확도와 단순성은 기존의 3차원 유한요소해석과 실험에 의해 구해진 결과들과의 비교를 통해 검증되었다. 또한 정사각형, 원형, 고리형 형상의 다양한 패치보강에 따른 휨효과를 조사하였다.

3차원 계층적 육면체 고체요소에 의한 p-적응적 해석

우광성,조준형,신영식,Woo, Kwang-Sung,Jo, Jun-Hyung,Shin, Young-Sik 한국공간구조학회 2008 한국공간구조학회지 Vol.8 No.4

This paper presents a finite element formulation for the three-dimensional hierarchical solid element using Integrals of Legendre polynomials. The proposed hexahedral solid element is composed of four different modes including vertex, edge, face, and internal mode, respectively. The eigenvalue and patch test have been carried out to confirm the zero-energy mode and constant strain condition. In addition to these, a posteriori error estimation has been studied for the p-adaptive finite element analysis that is based on a smoothing technique to compute a post-processed solution from the finite element solution. The uniform p-refinement and non-uniform p-refinement are compared in terms of convergence rate as the number of degree of freedom is increased. The simple cantilever beam is tested to show the performance of the proposed solid element. 이 논문에서는 적분형 르장드르 다항식을 사용한 3차원 계층적 고체요소의 유한요소 정식화를 보여준다. 제안하는 육면체 고체요소는 절점, 변, 면, 그리고 내부모우드를 포함한은 4개의 서로 다른 모우드로 구성되어 있다. 영에너지 모우드와 일정변형률 조건을 확인하기 위해 고유치 시험과 조각시험이 수행되었다. 여기에 추가되어, 적응적 p-유한요소해석을 위해 유한요소해석으로부터 구한 후처리 응력값의 평활화에 기초를 둔 사후오차평가 기법이 연구된다. 자유도가 증가함에 따라 수렴속도측면에서 균등 p-분배와 불균등 p-분배에 의한 유한요소해의 차이점이 비교된다. 제안된 요소의 성능을 보이기 위해 간단한 캔틸레버보가 테스트되었다.

균열된 쉘의 파괴역학해석을 위한 선진유한요소기법

우광성 한국전산구조공학회 1991 전산구조공학 Vol.4 No.2

선형탄성파괴역학에서 특히 균열 쉘의 응력집중계수 산정을 위해 p-version 유한요소법에 기초한 선진유한요소기법이 제안되었다. 세가지 균열된 쉘 예제를 통해 응력집중계수 산정은 종래의 h-version 유한요소모델에 비하여 p-version 유한요소 모델이 수렴성과 정확도 면에서 훨씬 더 적합함을 보여주고 있다. 이 기법의 주요 이점은 근사해의 정확도가 요소분할이나 균열선단요소 또는 혼합형 변분원리등의 특별고려가 없이 확보될 수 있다는데 있다. A new finite element technology based on the p-version of E.F.M. is discussed with reference to its potential for application to stress intensity factor computations in linear elastic fracture mechanics, especially cracked cylindrical shells. It is shown that the p-version model is far better suited for computing the stress intensity factors than the conventional h-version models with the help of three test problems. The main advantage of this technology is that the accuracy of approximation can be established without mesh refinement or the use of special procedures such as crack-tip element and mixed variational approach.

균열된 쉘의 파괴역학해석을 위한 선진유한요소기법

우광성 한국전산구조공학회 1991 한국전산구조공학회논문집 Vol.4 No.2

선형탄성파괴역학에서 특히 균열 쉘의 응력집중계수 산정을 위해 p-version 유한요소법에 기초한 선진유한요소기법이 제안되었다. 세가지 균열된 쉘 예제를 통해 응력집중계수 산정은 종래의 h-version 유한요소모델에 비하여 p-version 유한요소 모델이 수렴성과 정확도 면에서 훨씬 더 적합함을 보여주고 있다. 이 기법의 주요 이점은 근사해의 정확도가 요소분할이나 균열선단요소 또는 혼합형 변분원리등의 특별고려가 없이 확보될 수 있다는데 있다. A new finite element technology based on the p-version of E.F.M. is discussed with reference to its potential for application to stress intensity factor computations in linear elastic fracture mechanics, especially cracked cylindrical shells. It is shown that the p-version model is far better suited for computing the stress intensity factors than the conventional h-version models with the help of three test problems. The main advantage of this technology is that the accuracy of approximation can be established without mesh refinement or the use of special procedures such as crack-tip element and mixed variational approach.

p-Version 비선형 유한요소모델링과 실험적 검증에 의한 팻취 보강된 RC보와 슬래브의 극한강도 산정

우광성,안재석,박진환 한국전산구조공학회 2004 한국전산구조공학회논문집 Vol.17 No.4

A new finite element model will be presented to analyze the nonlinear behavior of RC beams and slabs strengthened by a patch repair. The numerical approach is based on the p-version degenerate shell element including theory of anisotropic laminated composites, theory of materially and geometrically nonlinear plates. In the nonlinear formulation of this model, the total Lagrangian formulation is adopted with large deflections and moderate rotations being accounted for in the sense of von Karman hypothesis. The material model is based on hardening rule, crushing condition, plate-end debonding strength model and so on. The Gauss-Lobatto numerical quadrature is applied to calculate the stresses at the nodal points instead of Gauss points. The validity of the proposed p-version nonlinear finite element model is demonstrated through the load-deflection curves, the ultimate loads, and the failure modes of RC beams or slabs bonded with steel plates or FRP plates compared with available result of experiment and other numerical methods. 팻취 보강된 철근콘크리트 구조물 해석을 위한 p-version 비선형 유한요소 모델이 제시되었다. 이방성 적층평판이론에 기초를 둔 제안된 모델은 Total Lagrangian기법에 기초한 von Karman의 대변형-소변형률 이론과 증분소성이론(incremental theory of plasticity)을 적용하였다. 콘크리트의 경화법칙(hardening rule)과 그에 따른 파괴기준을 고려하고, 단부 계면 층분리 모델(plate-end interfacial debonding model) 즉, 보강판 끝 부분에서의 콘크리트 탈락에 대한 기준으로서 Oehlers Model과 Raoof and Zhang Model을 사용하였다. 콘크리트는 두께 방향으로 층상화기법(layered model)이 이용되며, 철근과 보강판은 환산층(smeared reinforcing layer)으로 계산되도록 하였다. 적분형 르장드르 다항식이 형상함수로 사용되며, 절점에서의 응력값 산출을 위해 Gauss-Lobatto 수치적분법을 사용하였다. 본 연구의 목적은 p-version 유한요소법을 사용하여 RC구조물에 대한 수치해의 정확도 및 모델의 단순성을 높일 수 있도록 하였다. 따라서, 철근과 콘크리트모델에 대한 이론적 근거는 기존의 연구문헌에 근거를 두었으며, 수치해석의 적정성은 팻취 보강된 RC보와 슬래브에 대한 문헌의 실험치 및 해석치와 비교 분석되었다.