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경골 골절제의 정도가 절제면의 골 강도에 미치는 영향 : 유한 요소 해석을 이용한 연구
김광균(Kwang Kyoun Kim),원예연(Ye Yeon Won),백명현(Myong-Hyun Baek),최문권(WonQuan Cui),권순행(Soon Haeng Kwon),이주홍(Joo-Hong Lee),김용범(Yong-Beum Kim) 대한정형외과학회 2009 대한정형외과학회지 Vol.44 No.5
목적: 유한요소 해석을 이용하여 슬관절의 경골 관절면에서 절단 거리에 따른 절단면의 기계적 강도 차이를 분석하고자 한다. 대상 및 방법: 슬관절 치환술을 위해 내원한 퇴행성 관절염 환자에서 시행한 20예의 슬관절 전산화 단층 촬영 영상을 이용하였고 각 컴퓨터 단층 촬영 이미지를 자동 메쉬 형성(automatic mesh generation) 소프트웨어 BIONIX™ (CANTIBio. Co, Suwon, Korea) 프로그램을 이용하여 8절점 정육방형 요소(8-node hexahedron element)로 모델을 생성하였다. 유한요소 모델은 근위 경골 외과측 관절면에서 6 ㎜, 8 ㎜, 10 ㎜, 12 ㎜, 15 ㎜, 18 ㎜씩 절단하여 20개의 모델당 각 6개의 유한요소 모델을 만들었다. BIONIX™ 소프트웨어에서 생성된 8절점 정육방형 요소는 HyperMesh™ (Altair Engineering. Inc, Seattle, USA) 소프트웨어를 사용하여 1%의 변형률(strain rate)을 가하여 경계 조건을 적용했다. 유한요소 해석은 상용 소프트웨어인 ANSYS 9.0 (ANSYS. Inc, Orlando, USA)을 이용하여 최대 응력(σu, Ultimate stress)을 구하였다. 결과: 평균 최대 응력은 6 ㎜에서 906.84 ㎫, 8 ㎜에서 877.22 ㎫, 10 ㎜에서 895.93 ㎫, 12 ㎜에서 852.70 ㎫, 15 ㎜에서 742.90 ㎫, 18 ㎜에서 585.51 ㎫로 관절면으로부터 절제 거리가 증가할수록 절단면의 최대 응력이 감소하는 경향을 보였고 15 ㎜와 18 ㎜에서는 통계적으로 의미있는 감소를 보였다(15 ㎜: p=0.005, 18 ㎜: p=0.000) 결론: 경골 외과측 관절면에서 절제 거리에 따른 절단면의 강도는 전반적인 감소를 보이나 12 ㎜ 이내에서는 절제면의 골강도를 유의하게 감소시키지 않았다. Purpose: We wanted to evaluate the mechanical strength of proximal tibia as resection distance increased from the joint surface. Materials and Methods: We obtained the CT images of twenty knee osteoarthritis patients undergoing total knee arthroplasty. The finite element models were created based on the computed tomography images. The 8-node hexahedron element was made from BIONIX™ (CANTIBio. Co, Suwon, Korea), which is automatic mesh generation software program. The finite element model of the proximal tibia was resected at 6 ㎜, 8 ㎜, 10 ㎜, 12 ㎜, 15 ㎜ and 18 ㎜ from the lateral joint surface. A 1 % strain rate was applied to a model by using HyperMesh™ software (Altair Engineering. Inc, Seattle, USA). The ultimate stress was calculated from the finite element analysis with using ANSYS 9.0 (ANSYS. Inc, Orlando, USA). Results: The mean ultimate stress was 906.84 ㎫, 877.22 ㎫, 895.93 ㎫, 852.70 ㎫, 742.90 ㎫ and 585.51 ㎫ at the 6 ㎜, 8 ㎜, 10 ㎜, 12 ㎜, 15 ㎜ and 18 ㎜ resection levels. As co㎫re to the 6 ㎜ resection level, the bone strengths at 15 ㎜ and 18 ㎜ were decreased with statistical significance (15 ㎜: p=0.005, 18 ㎜: p=0.000). Conclusion: The ultimate stress was decreased as the resection distance increased from the joint surface. But within a 12 ㎜ resection distance from the lateral condyle articular surface of the tibia, the ultimate stress was not significantly decreased (p>0.05).
ABAQUS XFEM을 이용한 응력확대계수 계산 시 격자 밀도 영향 분석
김지수(Ji-Su Kim),이현재(Hyun-Jae Lee),김윤재(Yun-Jae Kim),제진호(Jin-Ho Je),김용범(Yong-Beum Kim) 대한기계학회 2018 大韓機械學會論文集A Vol.42 No.10
본 연구에서는 상용유한요소해석 프로그램 ABAQUS에서 제공하는 균열 평가 옵션인 XFEM을 이용하여 응력확대계수를 계산하고 이에 대해 격자 밀도가 결과에 미치는 영향을 분석하였다. 해석 대상은 반 타원 표면 균열을 포함한 평판 모델을 선정하였다. XFEM 방법을 이용한 계산에 앞서, 동일한 형상에 대해 RSE-M 코드의 계산 결과와 상세 균열 메쉬 방법을 이용한 계산 결과를 비교하여 잘 일치하는 것을 확인하였고 이를 XFEM 계산 결과의 비교 대상으로 선정하였다. 하중은 인장 하중과 굽힘 하중을 각각 고려하였으며 수행한 모든 경우에 대해 공통적으로 균열최소길이와 격자비가 20이상인 경우 두 방법이 거의 동일한 결과를 도출해 낼 수 있음을 확인하였다. In this study, stress intensity factors are calculated using the XFEM method provided by ABAQUS, and the effect of mesh density is analyzed to evaluate stress intensity factor. For the analysis configuration, a plate with a semielliptical surface crack is considered. Prior to the crack evaluation using the XFEM method, results using the crack tip mesh method are obtained for verification against the RES-M code results and are used as reference values for comparison. It was found that the two methods of crack evaluation can produce similar results for all cases, provided that the ratio of the minimum crack dimension and the mesh size is above twenty.
비대칭 다중관통균열이 존재하는 증기발생기 세관의 소성붕괴압력 평가
홍진원(Jin-Won Hong),박승현(Seung-Hyun Park),김문기(Moon-Ki Kim),최재붕(Jae-Boong Choi),허남수(Nam-Su Huh),이상민(Sang-Min Lee),김용범(Yong-Beum Kim) 대한기계학회 2015 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2015 No.11
As operating period of older vintage nuclear power plants increases, many multiple cracks have been found in steam generator tubes made of Alloy600MA, thus a robust predictive model for either burst pressure or coalescence pressure of these multiple cracks in steam generator tubes is highly required. Nothing that steam generator tubes are typically failed by plastic collapse, the crack alignment and combination rules considering this material characteristic of steam generator tubes should be suggested. The objective of this paper is to predict the plastic collapse pressures of non-aligned dual cracks and to propose coalescence criterion based on detailed 3-dimensional (3D) elastic-plastic finite element (FE) analyses. The geometric variables of non-aligned multiple crack in steam generator tubes affecting burst or coalescence pressure, i.e. circumferential and longitudinal distances between two cracks and crack length of each crack, are systematically varied. Using the present FE results, the crack interaction effect of non-aligned multiple cracks are assessed and new alignment and combination criteria of non-aligned multiple cracks of steam generator tubes are also proposed.