페리다이나믹 해석을 통한 적층유리의 동적 파괴 특성 분석

하윤도(Youn Doh Ha) 대한기계학회 2019 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2019 No.11

페리다이나믹과 탄성체 모델의 연성기법 개발

하윤도,변태욱,조선호,Ha, Youn Doh,Byun, Taeuk,Cho, Seonho 한국전산구조공학회 2014 한국전산구조공학회논문집 Vol.27 No.2

페리다이나믹 이론은 재료파괴 및 균열진전 해석에 적합하다. 그러나 적분 방정식을 풀기위해 많은 비국부 상호작용을 해석해야만 하기 때문에 일반적으로 사용되는 국부 모델들에 비해 비효율적이다. 따라서 효율적이면서 정확한 해석 모델을 구성하기 위해 페리다이나믹 모델과 다른 국부 모델을 연성하는 연성 해석법의 개발이 필요하다. 연성 방법론 개발을 위해서는 불연속성 혹은 응력 집중이 발생될 것으로 예상되는 영역에는 페리다이나믹 모델을 구성하고 상대적으로 변형 거동이 복잡하지 않은 영역은 국부 모델을 구성하는 방법이 많이 사용된다. 본 연구에서는 최근에 개발된 힘-기반 연성 방법론을 소개한다. 이 방법론에서는 블랜딩 함수를 활용하여 연성 영역을 사이에 두고 페리다이나믹 모델과 탄성체 모델을 연성한다. 수치예제를 통해 연성 모델이 집중하중 해석 혹은 정적파괴 해석 문제를 효율적이고 엄밀하게 해석할 수 있음을 확인하였다. 이와 같은 문제들은 일반적인 탄성체 모델을 사용해서는 엄밀한 해석이 어렵다. 반면에 페리다이나믹 모델은 엄밀한 해석이 가능하지만 계산 시간과 비용이 매우 많이 요구된다는 문제점이 있다. In solid mechanics, the peridynamics theory has provided a suitable framework for material failure and damage propagation simulation. Peridynamics is computationally expensive since it is required to solve enormous nonlocal interactions based upon integro-differential equations. Thus, multiscale coupling methods with other local models are of interest for efficient and accurate implementations of peridynamics. In this study, peridynamic models are restricted to regions where discontinuities or stress concentrations are present. In the domains characterized by smooth displacements, classical local models can be employed. We introduce a recently developed blending scheme to concurrently couple bond-based peridynamic models and the Navier equation of classical elasticity. We demonstrate numerically that the proposed blended model is suitable for point loads and static fracture, suggesting an alternative framework for cases where peridynamic models are too expensive, while classical local models are not accurate enough.

다중 패치 쉘 아이소 지오메트릭 해석의 계면 연속성 검토

하윤도,노정민,Ha, Youn Doh,Noh, Jungmin 한국전산구조공학회 2018 한국전산구조공학회논문집 Vol.31 No.2

본 연구에서는 NURBS 기반 아이소 지오메트릭 쉘 해석을 위해 다중 패치 해석 모델을 정식화하였다. 기존 연구를 통해 개발된 단일 패치로 구성된 전단 변형을 고려한 쉘 요소에 대해 일반 좌표계에서 기하학적으로 엄밀한 쉘 구조물의 아이소 지오메트릭 해석 모델을 도입하고 매개변수 연속성을 고려하여 다중 패치 모델로 확장하였다. 인접 곡면의 노트 요소가 결합 경계를 통해 조화를 이루는 경우에 대해 0차와 1차 매개변수 연속성 조건을 고려하였으며, 두 패치 간 마스터-슬레이브 관계를 정립하여 종속된 한 곡면의 자유도를 상대 곡면의 자유도로 표시하여 모델 크기를 줄이면서 두 곡면을 결합하였다. 다중 패치 쉘 예제에 대해 0차와 1차 연속성 조건을 각각 적용하여 구조해석을 수행하여 1차 연속성 조건의 주요한 특성들을 확인하였다. 또한 각 연속성 조건에 대한 해의 수렴 특성을 검토하였으며 결합 경계에서의 두 패치의 연속성을 확인하였다. This paper presents the assembling of multiple patches based on the single patch isogeometric formulation for the shear deformable shell element given in the previous study. The geometrically exact shell formulation has been accomplished with the shell theory based formulation and the generalized curvilinear coordinate system directly derived from the given NURBS geometry. For the knot elements matching across adjacent surfaces, the zero-th and first parametric continuity conditions are considered and the corresponding coupling constraints are implemented by a master-slave formulation between adjacent patches. The constraints are then enforced by a substitution method for condensation of the slave variables, thereby reducing the model size. Through numerical investigations, the important features of the first parametric continuity condition are confirmed. The performance of the multi-patch shell models is also examined comparing the rate of convergence of response coefficients for the zero and first order continuity conditions and continuity in coupling boundary between two patches is confirmed.

상태 기반 페리다이나믹 모델에 의한 동적취성파괴 해석: 평면응력 탄성체의 응력 전파와 균열패턴 분석

하윤도,Ha, Youn Doh 한국전산구조공학회 2015 한국전산구조공학회논문집 Vol.28 No.3

상태 기반 페리다이나믹 모델은 일반적인 재료 구성 모델을 구현할 수 있고 비국부 영역 내에서 연결된 모든 결합의 변형을 통해 각 절점의 재료 응답이 결정되기 때문에 체적 및 전단 변형을 모두 표현할 수 있다. 따라서 상태 기반 모델은 복잡한 동적 취성 파괴 현상(분기균열, 2차 균열, 계단균열, 균열 유착 등)을 해석하는데 유용하다. 본 논문에서는 평면응력 탄성체에 대해 2차원 상태 기반 페리다이나믹 모델을 적용하고 에너지해방율과 페리다이나믹 에너지 포텐셜로부터 손상 모델을 구성하였다. 페리다이나믹 파괴 해석 모델을 통해 취성 유리 재료에 대해 균열 면에 평행한 압축 응력파가 균열 분기 패턴에 미치는 영향에 대해 조사하였다. 실험을 통해 관찰된 동적 균열 진전 및 분기 패턴에 대한 주요 특성들이 페리다이나믹 해석을 통해 확인되었다. 또한 강한 인장 하중 하의 계단균열과 이차균열 등이 상태 기반 페리다이나믹 시뮬레이션을 통해 잘 모사가 되는 것을 확인할 수 있었다. A state-based peridynamic model is able to describe a general constitutive model from the standard continuum theory. The response of a material at a point is dependent on the deformation of all bonds connected to the point within the nonlocal horizon region. Therefore, the state-based peridynamic model permits both the volume and shear changes of the material which is promising to reproduce the complicated dynamic brittle fracture phenomena, such as crack branching, secondary cracks, cascade cracks, crack coalescence, etc. In this paper, the two-dimensional state-based peridynamic model for a linear elastic plane stress solid is employed. The damage model incorporates the energy release rate and the peridynamic energy potential. For brittle glass materials, the impact of the crack-parallel compressive stress waves on the crack branching pattern is investigated. The peridynamic solution for this problem captures the main features, observed experimentally, of dynamic crack propagation and branching. Cascade cracks under strong tensile loading and secondary cracks are also well reproduced with the state-based peridynamic simulations.

압전 수정진동자의 밀도법 기반 위상 최적설계

하윤도,변태욱,조선호,Ha, Youn Doh,Byun, Taeuk,Cho, Seonho 한국전산구조공학회 2014 한국전산구조공학회논문집 Vol.27 No.2

본 논문에서는 압전 수정진동자의 설계민감도 해석 및 위상 최적설계 기법을 개발하였다. 압전 수정진동자는 가해지는 전하에 의해 두께방향 전단 변형하게 되거나, 혹은 그 반대방향으로 기계 변형에 의해 전기적 신호를 검출하게 된다. 엄밀한 두께방향 전단해석을 위해 두께방향으로 고차 보간을 하는 고차 민들린(Mindlin) 판 이론을 도입하였다. 압전 수정진동자에서 수정판은 부도체이기 때문에 전기적 신호를 검출하거나 전기적 신호에 의해 수정판을 기계적으로 진동시키기 위해 수정판의 상/하 표면에 얇은 전극경을 도포한다. 비록 전극경이 매우 얇기는 하지만 그 무게와 형상에 따라 진동자의 거동이 달라지기 때문에, 설계민감도 해석 및 위상 최적설계를 위한 설계변수는 전극경의 질량 밀도와 관계된다. 따라서 위상 최적설계 문제는 두께방향 전단 변형에너지를 최대화하는 최적의 전극경 분포를 구하도록 구성한다. 또한 보다 의미있는 설계안을 얻기 위해 전극경의 재료량과 면적에 제약조건을 부여한다. 두께방향 전단 주파수(고유치)와 상응하는 모드형상(고유벡터)에 대한 설계구배는 고유벡터 확장법을 이용한 해석적 설계민감도 해석법을 통해 매우 효율적이고 정확하게 계산될 수 있다. 수치예제를 통해 제안된 해석적 설계민감도가 유한차분 설계민감도와 비교하여 매우 효율적이고 정확하게 계산됨을 확인하였다. 또한 위상 최적설계를 통해 도출된 최적 전극경 설계가 모드형상과 두께방향 전단 변형에너지를 개선시킴을 확인하였다. Design sensitivity analysis and topology design optimization for a piezoelectric crystal resonator are developed. The piezoelectric crystal resonator is deformed mechanically when subjected to electric charge on the electrodes, or vice versa. The Mindlin plate theory with higher-order interpolations along thickness direction is employed for analyzing the thickness-shear vibrations of the crystal resonator. Thin electrode plates are masked on the top and bottom layers of the crystal plate in order to enforce to vibrate it or detect electric signals. Although the electrode is very thin, its weight and shape could change the performance of the resonators. Thus, the design variables are the bulk material densities corresponding to the mass of masking electrode plates. An optimization problem is formulated to find the optimal topology of electrodes, maximizing the thickness-shear contribution of strain energy at the desired motion and restricting the allowable volume and area of masking plates. The necessary design gradients for the thickness-shear frequency(eigenvalue) and the corresponding mode shape(eigenvector) are computed very efficiently and accurately using the analytical design sensitivity analysis method using the eigenvector expansion concept. Through some demonstrative numerical examples, the design sensitivity analysis method is verified to be very efficient and accurate by comparing with the finite difference method. It is also observed that the optimal electrode design yields an improved mode shape and thickness-shear energy.

다물체 페리다이나믹 동적 파괴 해석을 통한 압축 및 굽힘 상태 얼음-구조 상호작용에 대한 연구

하윤도(Youn Doh Ha) 대한기계학회 2023 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2023 No.6

섬유강화 복합재의 동적 취성 파괴현상 규명을 위한 비국부 페리다이나믹스 해석법 개발: 비대칭 하중 연구

하윤도,조선호,Ha, Youn Doh,Cho, Seonho 한국전산구조공학회 2012 한국전산구조공학회논문집 Vol.25 No.4

본 논문에서는 섬유강화 복합재에 대해 균질화법과 접목된 페리다이나믹 전산해석 방법론을 제시하였다. 복합재료에 대해 제시된 해석모델로 동적 취성 파괴 및 손상해석을 수행하였다. Coker 등(2001)에서 제시된 비대칭 하중 하의 섬유강화 복합재의 동적 파괴 실험결과와 비교하여 페리다이나믹 비국부 해석모델이 다양한 동적 파괴특성 및 극초음속으로 균열이 진전되는 것을 잘 모사할 수 있음을 검증하였다. 또한 대칭 하중조건에 대한 해석결과와 비교하여 비대칭 하중이 더 높은 균열전파 속도를 유발하는 것을 확인하였다. 수치해석 결과들이 실험 결과들에 부합함을 또한 확인하였다. In this paper a computational method for a homogenized peridynamics description of unidirectional fiber-reinforced composites is presented. For these materials, dynamic brittle fracture and damage are simulated with the proposed peridynamic model. Compared with observations from dynamic experiments by Coker et al.(2001), the peridynamic computational model can reproduce various characteristics of dynamic fracture and supersonic or intersonic crack growth in asymmetrically loaded unidirectional fiber-reinforced composite plates. Also we analyze the same model in the symmetric loading condition and figure out that the asymmetric loading leads to a much higher propagation speed. Consistent results have been reported in the experiments.

일반 곡면 좌표계에서 구현된 아이소-지오메트릭 형상 설계민감도 해석

하윤도,윤민호,조선호,Ha, Youn Doh,Yoon, Minho,Cho, Seonho 한국전산구조공학회 2012 한국전산구조공학회논문집 Vol.25 No.6

Finite element analysis is to approximate a geometry model developed in computer-aided design(CAD) to a finite element model, thus the conventional shape design sensitivity analysis and optimization using the finite element method have some difficulties in the parameterization of geometry. However, isogeometric analysis is to build a geometry model and directly use the functions describing the geometry in analysis. Therefore, the geometric properties can be embedded in the NURBS basis functions and control points so that it has potential capability to overcome the aforementioned difficulties. In this study, the isogeometric structural analysis and shape design sensitivity analysis in the generalized curvilinear coordinate(GCC) systems are discussed for the curved geometry. Representing the higher order geometric information, such as normal, tangent and curvature, yields the isogeometric approach to be the best way for generating exact GCC systems from a given CAD geometry. The developed GCC isogeometric structural analysis and shape design sensitivity analysis are verified to show better accuracy and faster convergency by comparing with the results obtained from the conventional isogeometric method. 유한요소 해석법에서는 CAD 모델을 유한요소 모델로 이산화하기 때문에 CAD와 해석 모델의 차이로 인해 형상 설계민감도 및 최적설계에서 설계영역 매개 변수화에 어려움이 있다. 반면에 아이소-지오메트릭 해석법은 CAD 모델과 동일한 NURBS 기저함수와 조정점을 해석에 이용함으로써 설계의 기하학적 변화를 해석모델에 직접적으로 표현할 수 있기 때문에 전술된 여러 어려움들을 개선할 수 있다. 본 연구에서는 일반 곡면 좌표계에서 아이소-지오메트릭 해석 모델을 정식화하여 곡면 부재에 대한 구조해석과 형상 설계민감도 해석을 수행하였다. 아이소-지오메트릭 해석에서는 법선, 접선, 곡률 등과 같은 고차의 기하학적 정보들이 엄밀하게 표현될 수 있기 때문에 주어진 CAD 모델에 적합한 일반 곡면 좌표계를 생성해 낼 수 있다. 기존의 아이소-지오메트릭 구조해석 및 설계민감도 해석 결과와 비교하여 제안된 해석방법론이 더 정확한 해와 더 빠른 수렴성을 보이는 것을 확인하였다.

평면응력 문제의 상태 기반 페리다이나믹 동적파괴 해석 모델링

하윤도,Ha, Youn Doh 한국전산구조공학회 2015 한국전산구조공학회논문집 Vol.28 No.3

결합 기반 페리다이나믹 모델을 통해 다양한 동적취성파괴 현상을 해석할 수 있었지만, 결합 기반 모델은 다양한 재료 구성 모델을 표현하는데 여러 한계를 보여왔다. 특히 결합 기반 모델은 각 결합들이 서로 독립적으로 작용하도록 가정하였기 때문에 3차원 모델에서 포아송비가 1/4로 고정되며 전단 변형이 표현되지 못하고 체적 변형만이 모사되는 문제점이 있다. 본 연구에서는 상태 기반 페리다이나믹 모델을 통한 동적취성파괴 해석을 제시한다. 상태 기반 모델은 일종의 일반화된 페리다이나믹 모델로서 일반적인 재료 구성모델로부터 직접 페리다이나믹 재료 모델을 구성한다. 또한 연결된 모든 결합의 변형을 통해 각 절점의 재료 응답이 결정되기 때문에 체적 및 전단 변형이 모두 표현된다. 본 논문에서는 선형 탄성체에 대해서 상태 기반 평면 응력 페리다이나믹 모델을 소개하고 상태 기반 모델에 적합한 손상 모델에 대해 논의한다. 페리다이나믹 비국부 영역을 축소시키는 $\delta$-수렴성 연구를 통해 동적파괴 모델을 검증하고 상태 기반 모델이 동적 균열 전파를 모델링하는데 적합함을 확인하였다. A bond-based peridynamic model has been shown to be capable of analyzing many of dynamic brittle fracture phenomena. However, there have been issued limitations on handling constitutive models of various materials. Especially, it assumes bonds act independently of each other, so that Poisson's ratio for 3D model is fixed as 1/4 as well as taking only account the bond stretching results in a volume change not a shear change. In this paper a state-based peridynamic model of dynamic brittle fracture is presented. The state-based peridynamic model is a generalized peridynamic model that is able to directly use a constitutive model from the standard theory. It permits the response of a material at a point to depend collectively on the deformation of all bonds connected to the point. Thus, the volume and shear changes of the material can be reproduced by the state-based peridynamic theory. For a linearly elastic solid, a plane stress model is introduced and the damage model suitable for the state-based peridynamic model is discussed. Through a convergence study under decreasing the peridynamic nonlocal region($\delta$-convergence), the dynamic fracture model is verified. It is also shown that the state-based peridynamic model is reliable for modeling dynamic crack propagatoin.

Recent progress in peridynamic mechanics

Youn Doh Ha(하윤도) 대한기계학회 2018 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2018 No.12