유한요소 특성이 배관계통 동적거동 해석결과에 미치는 영향

김은찬(Eun-Chan Kim),장윤영(Youn-Young Jang),허남수(Nam-Su Huh),김종성(Jong-Sung Kim) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.4

기존 배관의 손상 평가는 탄성 범위 내에서 응력 기반으로 수행되었다. 하지만 실제 배관계의 거동은 소성변형을 동반하며, 응력 기반 평가는 재료의 반복경화에 의한 누적손상을 고려하기 어렵다. 이러한 한계점을 극복하기 위하여 탄소성 유한요소해석을 이용한 변형률 기반 평가법⁽¹⁾이 제시되었다. 탄소성 유한요소해석은 큰 비선형성이 동반되기 때문에 사용하는 요소의 특성에 따라 결과에 차이가 발생할 수 있다. 특히 굽힘 변형이 크게 발생하는 경우 전단 잠김, hourglassing 등의 수치 해석적 문제가 유한요소해석 신뢰성에 영향을 줄 수 있다. 따라서 정확한 평가를 수행하기 위해서는 유한요소의 특성을 고려한 연구가 선행되어야 한다. 본 연구에서는 탄소성 유한요소해석을 수행하여 요소 특성에 따른 지진하중을 받는 배관계의 동적거동을 분석하였다. 해석 대상으로 인도 BARC(Bhabha Atomic Research Centre)에서 수행한 내압이 작용하는 배관계 지진동 실험⁽²⁾을 선정하였으며, 실험에서 측정된 가속도 및 변형률을 이용하여 유한요소해석 결과를 검증하였다. 재료 물성은 반복하중에 의한 소성변형을 모사하기 위하여 Chaboche 이동경화 모델을 적용하였다. 신뢰성이 높은 것으로 알려진 2 차 저감적분 요소를 이용한 유한요소해석 결과를 기준으로, 다양한 1 차 요소의 특성이 배관계의 가속도 및 변형률에 미치는 영향을 체계적으로 분석하였다. A conventional damage evaluation of pipes has been performed based on stress within the elastic range. However, the actual piping system behavior suffer the plastic deformation, and it is difficult to consider the cumulative damage caused by the hardening of the material in the stress-based evaluation. To overcome these limitations, a strain-based evaluation method⁽¹⁾ using elastic-plastic finite element analyses(FEA) has been proposed. Since the elastic-plastic FEA is accompanied by a large nonlinearity, the results may differ depending on the characteristics of the finite element used. In particular, numerical problems such as shear locking and hourglassing can affect the reliability of FEA during bending deformation. Therefore, to perform an accurate evaluation, a study considering the characteristics of finite elements is required. In this study, elastic-plastic FEA were performed to analyze the dynamic behaviors of piping systems subjected to seismic load according to various element types. For these, the seismic motion experiment of piping system with internal pressure conducted by BARC(Bhabha Atomic Research Center) in India was selected, and the FEA results were verified using the acceleration and strain measured in the experiment. Chaboche kinematic hardening model was applied to simulate plastic deformation due to cyclic loading. Based on the FEA results using the quadratic elements with reduced integral, which is set as a reference result, the effect of various types of linear elements on the acceleration and strain of the piping system was systematically analyzed.

통합 구조 시스템의 유한요소해석 자동화

윤종열 한국전산구조공학회 2024 한국전산구조공학회논문집 Vol.37 No.1

구조물의 동적 해석 자동화는 구조 통합 시스템에서 중요한 역할을 한다. 해석 결과에 따른 신속한 대피 또는 경고 조치가 신속하게 이루어지도록 해석 모듈은 짧은 실시간에 해석 결과를 출력해야 한다. 구조 해석법으로 세계적으로 가장 많이 사용되는 방법은 유한요소법이다. 유한요소법이 널리 사용되는 이유 중 하나는 사용의 편리다. 그러나 사용자가 유한요소망을 입력해야 하는데 요소망의 요소 수는 계상량과 정비례하고 요소망의 적절성은 에러와 연관된다. 본 연구는 시간 영역 동적 해석에서 전 단계 해석 결과를 사용하여 계산된 대표 변형률 값으로 오차를 평가하고, 요소 세분화는 절점 이동인 r-법과 요소 분할인 h-법의 조합으로 효율적으로 계산하는 적응적 요소망 형성 전략을 제시한다. 적용한 캔틸레버보와 간단한 프레임 예제를 통하여 적절한 요소망 형성, 정확성, 그리고 연산 효율성을 검증하였다. 이 방법의 간단함이 지진 하중, 풍하중, 비선형 해석 등에 의한 복잡한 구조 동적 해석에도 효율적으로 사용될 수 있는 것을 보여 준다. An automated dynamic structural analysis module stands as a crucial element within a structural integrated mitigation system. This module must deliver prompt real-time responses to enable timely actions, such as evacuation or warnings, in response to the severity posed by the structural system. The finite element method, a widely adopted approximate structural analysis approach globally, owes its popularity in part to its user-friendly nature. However, the computational efficiency and accuracy of results depend on the user-provided finite element mesh, with the number of elements and their quality playing pivotal roles. This paper introduces a computationally efficient adaptive mesh generation scheme that optimally combines the h-method of node movement and the r-method of element division for mesh refinement. Adaptive mesh generation schemes automatically create finite element meshes, and in this case, representative strain values for a given mesh are employed for error estimates. When applied to dynamic problems analyzed in the time domain, meshes need to be modified at each time step, considering a few hundred or thousand steps. The algorithm's specifics are demonstrated through a standard cantilever beam example subjected to a concentrated load at the free end. Additionally, a portal frame example showcases the generation of various robust meshes. These examples illustrate the adaptive algorithm's capability to produce robust meshes, ensuring reasonable accuracy and efficient computing time. Moreover, the study highlights the potential for the scheme's effective application in complex structural dynamic problems, such as those subjected to seismic or erratic wind loads. It also emphasizes its suitability for general nonlinear analysis problems, establishing the versatility and reliability of the proposed adaptive mesh generation scheme.

해석 방법에 따른 비탈면 최소안전율 비교 연구

류항택(Hang Taek Ryu),장정욱(Jeong Wook Jang),정연인(Youn In Chung) 한국해안해양공학회 2018 한국해안해양공학회 논문집 Vol.30 No.5

본 연구에서는 한계평형해석에 근거하는 Talren97과 SoilWorks 그리고 유한요소해석에 근거하는 Midas GTS를 이용하여 비탈면의 최소안전율을 비교 · 분석하였다. 해석 변수로는 비탈면 높이, 소단조건, 지반정수, 지하수위, 비탈면 경사이며 지하수위를 제외한 모든 변수들에 대한 해석은 건기와 우기로 나누어 수행하였다. 그 결과 동일한 이론을 기반으로 하는 Talren97과 SoilWorks에 의한 비탈면 최소안전율은 동일한 값을 나타내어 프로그램간의 차이는 없는 것으로 확인되었다. 한계평형해석에 비하여 유한요소해석 결과가 다소 높은 안전율을 나타내었으며 평균적으로 약 2.4% 높게 나타나는 것으로 확인되었다. 그러나 한계평형해석과 유한요소해석의 결과 값 차이는 실무에서는 무시할 수 있는 범위이므로 프로그램 및 해석방법에 따른 비탈면 안전율의 차이는 없는 것으로 판단되었다. This research compared and analyzed safety ratio of slope with Talren97 and SoilWorks based on limit equilibrium analysis and Midas GTS based on finite element analysis. For the analysis variables, there are slope height, berm condition, soil parameter, groundwater level, slope inclination. All of slope stability analysis were performed by dividing into dry season and rainy season. As the result of the analysis of Talren97 and SoilWorks based on same theory, safety ratio of slope shows same value, so there was no difference between the programs. In comparison with limit equilibrium analysis, the result of finite element analysis showed somewhat high ratio of safety and it was higher by about 2.4% averagely. The difference between the result of limit equilibrium analysis and that of finite element analysis is in the range which can ignored in practical work.

낮은 심도의 연약지반에 대한 비선형 지진응답해석

박홍근,김동관,이경구,김동수 한국지진공학회 2010 한국지진공학회논문집 Vol.14 No.5

본 연구에서는 얕은 연약지반에서 구조물-지반 상호작용의 영향을 받는 구조물의 비탄성거동을 정확히 나타낼 수 있는 유한요소해석 방법을 연구하였다. 이를 위하여, 국내의 지반특성을 반영한 얕은 연약지반과 단자유도 구조물로 2차원 유한요소모델을 구성하고, 다양한 지진파와 지반에 대해 OpenSees 해석프로그램을 이용한 비선형 시간이력해석을 수행하였다. 연약지반의 비선형거동을 반영하기 위하여 일반적으로 흔히 사용되는 등가선형 주파수영역 해석 결과와 비선형 시간이력 유한요소해석 결과의 차이를 검토하였다. 그 비교결과는 등가선형강성을 사용하고 지반-구조물 상호작용을 고려하지 않는 주파수영역해석은 단주기영역의 구조물의 응답스펙트럼을 과대평가할 수 있음을 보여주었다. 응답스펙트럼에 대한 지반-구조물 상호작용의 영향은 기초크기와 구조물의 질량의 변화와 큰 관계 없이 일정하게 나타났다. This study presents a finite element analysis method that can accurately evaluate the nonlinear behaviour of structures affected by shallow soft subsoils and the soil-structure interaction. A two-dimensional finite element model that consists of a structure and shallow soft subsoil was used. The finite element model was used for a nonlinear time domain analysis of the OpenSees program. A parametric study was performed to investigate the effects of soil shear velocities, earthquake input motions, soft soil depth, and soil-structure interaction. The result of the proposed nonlinear finite element analysis method was compared with the result of an existing frequency domain analysis method, which is frequently used for addressing nonlinear soil behavior. The result showed that the frequency domain analysis, which uses equivalent secant soil stiffness and does not address the soil-structure interaction, significantly overestimated the response of the structures with short dynamic periods. The effect of the soil-structure interaction on the response spectrum did not significantly vary with the foundation dimensions and structure mass.

유한요소해석을 활용한 장신구디자인 사례연구 - 예술장신구 사례를 중심으로 -

민복기 ( Min Bog Ki ) 한국기초조형학회 2020 기초조형학연구 Vol.21 No.1

본 연구의 목적은 응용수학분야에서 연구되어 토목, 건축 등의 분야에서 활용되고 있는 유한요소해석에 대해 살펴보고, 이를 장신구 분야에 적용할 가능성을 탐색하는 데 있다. 유한요소법(Finite Element Method; FEM)은 미분방정식 문제를 다른 형태로 바꾸고 이 해(解)를 어떤 함수의 일차결합으로 나타내는 수치적인 근사해법(approximation method)의 하나이다. 이러한 수학적 원리를 바탕으로 재료역학 등의 공학분야에서 물성과 하중 등 외부적 요인을 설정하고 대상물의 물리적 변위의 근사값을 도출하여 구조를 해석하는 것이 유한요소해석(Finite Element Analysis; FEA)이다. FEA는 컴퓨터의 계산을 통한 시뮬레이션 기술로 빠르게 정립되었고, 이후 CAD의 모델링데이터를 활용할 수 있도록 통합되어 강도, 열, 유동, 진동 등 다양한 물리적 환경의 시뮬레이션을 통해 효율적 설계를 도출하는데 활용되고 있다. 장신구는 매우 작은 사물이지만 신체 위에 착용되는 필연적 조건을 가지므로 안정적 구조로 제작되어야 하지만 이를 위해 FEA를 활용한 사례는 없었다. 연구자는 이러한 장신구의 요구조건을 충족하는 새로운 난발(Prong)의 구조연구를 위해 FEA를 활용한 난발구조를 연구하였고 4개 혹은 6개로 이루어진 일반적인 난발구조에서 난발의 개수를 최소화하여 2개의 난발구조를 가지도록 하였다, 그리고 빛의 유입을 위해 오브제를 기저부에서 2mm 위로 띄워 고정할 수 있는 난발구조를 개발하였다. 이러한 사례에서와 같이 FEA는 주얼리의 구조안정성 검증 뿐 아니라 새로운 컨셉의 디자인탐색에 도움을 줄 수 있고 주얼리산업의 생산과정에서도 열과 유동의 해석을 통해 주조생산성과 품질을 개선시킬 수 있다. 또한 금속공예의 대공분야에서도 하중이나 낙하, 바람 등 다양한 물리적 외력을 시뮬레이션 하여 좀 더 안정적인 구조를 도출하는데 활용될 수 있을 것이다. The purpose of this study is to examine the Finite Element Analysis, studied in Applied Mathematics and used in the fields of Civil Engineering and Architecture, and to explore the possibilities of applying it to the field of jewelry. Finite Element Method changes differential equations into different forms and appears as one of the numerical approximation methods. With this mathematical principle background, the linear combination of the certain function’s value sets the external factors such as property and weight in the engineering field, material mechanics and Finite Element Analysis is the evaluation of the structure by approximating the physical displacement of the object. FEA quickly became a computerized simulation technology, and later integrated to utilize CAD modeling data to simulate various physical environments such as strength, heat, flow, and vibration, etc. for effective design. A jewelry is a very small object it has an inevitable condition to be worn on top of the body; therefore, needs to be made with a secure structure but, there has been no case for it with FEA. This research studies the required conditions of this kind of jewelry with new prong structure research that uses FEA and minimizes the number of prongs in the prongs’ structure to two from four or six, and developed new prong structures for the object to float 2mm above the basis for light to pass. In such a case, FEA not only verifies the structural stability but make new concept design exploration possible and can improve productivity and quality through the interpretation of heat and flow in the casting process of the jewelry industry’s production process. Moreover, various physical external forces such as weight, fall or wind can be simulated to construct safer structures for vessel making in the field of Metal Craft as well.

절점이동과 단항증가법에 의한 이차원 평면문제의 적응 유한요소 해석

한국전산구조공학회 한국전산구조공학회 2004 한국전산구조공학회논문집 Vol.17 No.1

최근, 유한요소해석견과의 신뢰도를 향상시키기 위하여 활발하게 연구되고 있는 적응유한요소해석은 반복계산을 통해서 해석결과의 오차가 사용자에 의해 지정된 허용오차와 같아지도록 하는 해석방법이다. 이와 간은 적응유한요소해석은 해석결과의 오차평가와 이에 따른 유한요소의 재구성과정으로 나누어진다. rp방법에서는 절점의 위치를 이동시켜 요소의 크기를 조절하는 r방법과 형상함수찻수를 증가시키는 p방법을 동시에 적용함으로써 적응해석의 유효성을 향상시키고자 하였다. 제안한 rp방법의 특성을 규명하고 적응해석의 유효성을 보이기 위하여 전형적인 이차원 평면문제들을 해석하고 그 결과를 검토하였다. Adaptive finite element analysis, in which its solution error meets with the user defined allowable error, is recently used to improve the reliability of finite element analysis results. This adaptive analysis is composed of two procedures; one is the error estimation of an analysis result and the other is the reconstruction of finite elements. In the (p-method, an element size is controlled by relocating of nodal positions (r-method) and the order of an element shape function is determined by the hierarchical polynomial (p-method) corresponding to the clement solution error by the enhanced SPR. In order to show the effectiveness and the accuracy of the suggested rp-method, various numerical examples were analyzed and these analysis results were examined by comparing with those obtained by the existed methods.

고성능 수치해석 라이브러리를 적용한 진동해석 프로그램 개발

고도현,부승환 해양환경안전학회 2021 해양환경안전학회지 Vol.27 No.1

선박 및 해양구조물과 같은 대형 유한요소모델의 진동 특성을 평가하기 위해 고유치 해석 및 가진 주파수에 따른 응답 계산을 필수적으로 수행해야 한다. 하지만 이러한 해석들은 과도한 전산 장비와 계산 시간이 요구되어 고성능 해석 프로그램의 개발이 필요하다. 특히 선형연립방정식에서 발생하는 역행렬 계산 및 고유치 해석 시에는 상당한 전산 해석 시간이 발생하기 때문에 최신 고성능 라이브러리를 적용함으로써 이를 개선할 수 있다. 본 연구에서는 병렬식 선형연립방정식 계산 라이브러리인 PARDISO와 고성능 고유치 해석 라이 브러리인 ARPACK을 적용하여 빠르고 정확한 해석이 가능한 진동해석 프로그램을 개발하였다. 끝으로 개발된 해석 프로그램의 정확도와 효율성을 검증하기 위해 여러 선박해양공학 수치 예제를 사용하였고, 상용 유한요소 프로그램인 ABAQUS와의 결과 비교 검토를 통해 개발된 진동해석 프로그램의 신뢰성을 검증, 제시하였다. In order to evaluate the vibrational characteristics of huge finite element models such as ships and offshore structures, it is essential to perform eigenvalue analysis and frequency response analysis. However, these analyzes necessitate excessive equipment and computation time, which require the development of a high-performance analysis program. In particular, a considerable computational analysis time is required when calculating the inverse matrix in a linear system of equations and analyzing the eigenvalue analysis. Therefore, it can be improved by applying the latest high-performance library. In this paper, the vibration analysis program that enables fast and accurate analysis was developed by applying ‘PARDISO’, a parallel linear system of equation calculation library, and ‘ARPACK’, a high-performance eigenvalue analysis library. To verify the accuracy and efficiency of proposed method, we compare ABAQUS with proposed program using numerical examples of marine engineering.

고체 로켓 추력 벡터 제어 유연구동부의 정적 구동 특성 유한요소 해석

이지훈,강연철,음성호,김정호,조진연 한국항공우주학회 2015 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2015 No.4

본 연구에서는 고체로켓(Solid rocket) 유연 구동 시스템(Flexible seal system)의 TVC 정적 구동 특성을 해석적으로 고찰하였다. 이를 위해 유연 구동 시스템(Flexible seal system)의 3차원 기하모델과 유한 요소 격자모델을 구성하고 이를 상용 유한 요소 해석 소프트웨어인 ABAQUS를 이용하여 재료/기하/압력으로 인하여 발생하는 비선형성을 고려한 3차원 유한요소 해석을 수행하였다. 챔버 내 압력 변화에 따른 추력 벡터 제어(TVC, Thrust Vector Control) 구동 특성을 알아보기 위하여 압력이 가해지는 상태에서 구동력(Vectoring load)을 부가하여 그 기본적 특성을 고찰하였다. 본 연구를 통하여, 유한요소 해석을 이용하여 다양한 형상과 재질에 대한 유연 구동부의 거동 특성을 파악할 수 있음을 확인하였다. In this paper, actuation behaviors of flexible seal system in solid rocket is numerically investigated. For analysis of flexible seal system, 3D CAD model and finite element model are constructed, and 3D nonlinear finite element analysis is carried out by commercial finite element software ABAQUS, considering geometric/material/pressure non-linearity. To investigate the TVC actuation characteristics according to chamber pressure, pressure and vectoring load are enforced to the finite element model, and the results are obtained. From the results, it is confirmed that TVC actuation characteristics according to various design parameters, such as geometry and material properties, can be analyzed through nonlinear finite element analysis.

유한요소-전달강성계수법을 이용한 다양한 형상을 갖는 축대칭 셸의 정적해석

최명수,양경욱 한국동력기계공학회 2023 동력시스템공학회지 Vol.27 No.2

Static analysis of axisymmetric shells is one of the important topics in engineering. The authors suggest a computational algorithm for carrying out the static analysis of axisymmetric shells with various shapes by using the finite element-transfer stiffness coefficient method (FE-TSCM) which combines both the modeling technique of the finite element method (FEM) and the transfer technique of the transfer stiffness coefficient method. In this study, the authors developed the computational program after computational algorithm was formulated by the FE-TSCM for the static analysis of the axisymmetric shell with various shapes. The authors carried out the static analysis about three computational models, which were a spherical shell cap, a water tank, and a pressure vessel by using the FE-TSCM and the FEM. From comparing the computational results of both methods, it was confirmed that the FE-TSCM is a reliable analysis method for static analysis of axisymmetric shells with various shapes. 축대칭 셸의 정적해석은 공학 분야에서 중요한 주제 중의 하나이다. 저자들은 유한요소법의모델링 기법과 전달강성계수법의 전달 기법을 조합한 유한요소-전달강성계수법을 이용하여 다양한형상을 갖는 축대칭 셸의 정적해석을 수행하기 위한 전산 알고리즘을 제안한다. 저자들은 유한요소- 전달강성계수법으로 다양한 형상을 갖는 축대칭 셸의 정적해석을 수행하기위한 전산알고리즘을 정식화한 후, 전산 프로그램을 개발하였다. 저자들은 유한요소-전달강성계수법과 유한요소법으로 3가지계산모델(원형 돔, 물탱크, 압력용기)에 대하여 정적해석을 수행하였다. 양 방법의 계산 결과의 비교를 통해, 유한요소-전달강성계수법은 다양한 형상을 갖는 축대칭 셸의 정적해석에 이용될 수 있는 신뢰성 있는 해석 기법임을 확인하였다.

준정적해석을 이용한 Y형 전단연결부의 Push-out 실험 유한요소해석

김건수 ( Kim Kun-soo ),박기태 ( Park Ki-tae ),한원일 ( Han Oneil ),김상효 ( Kim Sang-hyo ) 한국구조물진단유지관리공학회 2019 한국구조물진단유지관리공학회 학술발표대회 논문집 Vol.23 No.2

강-콘크리트 합성구조의 성능을 확보하기 위해서는 전단연결재가 설치된 전단연결부에 대한 전단강도 분석이 필수적이다. 전단연결부의 전단거동을 효율적으로 예측하기 위하여, 전단연결부의 push-out test에 대한 유한요소해석을 수행하였다. 유한요소해석에는 범용 프로그램인 ABAQUS가 사용되었으며, 대상 실험체는 Y형 전단연결재가 적용된 강-콘크리트 전단연결부이다. 유한요소해석에서는 대상 실험체를 구성하는 재료들의 비선형성을 고려하였고, 비선형해석의 수렴문제를 해결하기 위하여 준정적해석을 사용하였다. 본 연구에서 수행된 유한요소해석 결과를 바탕으로 하중-변위곡선과 전단강도를 기존 실험결과와 비교한 결과, 준정적해석을 이용한 유한요소모델은 기존 실험결과를 잘 반영하는 것을 확인하였다.