계층적 축대칭요소에 의한 P-version모델

우광성,장용채,정우성,Woo, Kwang Sung,Chang, Yong Chai,Jung, Woo Sung 대한토목학회 1992 대한토목학회논문집 Vol.12 No.4

축대칭(軸對稱) 선형강성(線形彈性) 응력해석을 위해 p-version 유한요소법에 기초한 계층적(階層的) 정식화 과정이 제안되었다. 이 방식은 적분형 르장드르 다항식을 사용하여 절점좌표값을 갖지 않는 절점을 추가하여 형상함수의 조합형태로 변위함수(變位)를 근사시키는 방법이다. 형상함수(形狀函數)가 계층적 성질을 갖기 때문에 강성도(剛性度)행렬과 하중벡터도 계층적이 된다. 본 연구에서 제안된 요소(要所)의 장점(長點)은 다음과 같다. 첫째, 개선된 수치연산의 효율성이며 둘째, 요소간에 서로 다른 차수(次數)의 형상함수를 사용할 수 있고 셋째, p-세분화를 할 때 저차(低次)일 때 계산된 값을 그대로 사용할 수 있다. 수치예제를 통해 제안된 요소의 정확도(正確度), 효율성(效率性), 모델링의 간편성(簡便性), 적용성(適用性) 및 변위와 응력 그리고 에너지 Norm등을 사용하여 그 우월성을 입증하고 있다. 몇 가지 예제의 해석결과는 이미 발표된 논문과 아울러 해석적 방법에 의한 결과와 비교되었다. A hierarchical formulation based on p-version of the finite element method for linear elastic axisymmetric stress analysis is presented. This is accomplished by introducing additional nodal variables in the element displacement approximation on the basis of integrals of Legendre polynomials. Since the displacement approximation is hierarchical, the resulting element stiffness matrix and equivalent nodal load vectors are hierarchical also. The merits of the propoosed element are as follow: i) improved conditioning, ii) ease of joining finite elements of different polynomial order, and iii) utilizing previous solutions and computation when attempting a refinement. Numerical examples are presented to demonstrate the accuracy, efficiency, modeling convenience, robustness and overall superiority of the present formulation. The results obtained from the present formulation are also compared with those available in the literature as well as with the analytical solutions.

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.

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.

적분형 르장드르 함수에 의한 계층요소(階層要素)의 통용성(通用性)

우광성,Woo, Kwang Sung 대한토목학회 1992 대한토목학회논문집 Vol.12 No.1

본(本) 연구의 목적(目的)은 평면응력/변형과 축대칭 및 쉘문제를 포함하는 다양한 응용문제에서 계층적(階層的) 성질을 갖는 적분형 르장드르 형상함수에 의한 P-version 모델의 통용성(通用性)을 확인하는 것이다. 현대 유한요소 해석에서 정확도를 확보하지 못하는 가장 큰 이유는 비(非)압축성 재료와 망목(網目)설계시 요소의 형상비(形狀比), 사다리꼴 요소에서 변(邊)의 감소비(減少比)와 평행사변형 요소의 왜곡도(歪曲度) 등을 갖는 불규칙 형상에서 나타나는 가상메카니즘과 Locking 현상이다. 조건수(條件數)와 에너지 노름이 계산오차, 수렴성 및 알고리즘의 효율성을 검증하는데 사용되었으며 해석결과는 NASTRAN과 SAP90 및 Cheung이 제안한 Hybrid 요소와 비교되었다. NASTRAN을 제외한 SAP90 및 P-version 프로그램은 16 Bit 소형컴퓨터에 의해 실행되었다. The purpose of this study is to ascertain the robustness of p-version model with hierarchic intergrals of Legendre shape functions in various applications including plane stress/strain, axisymmetric and shell problems. The most important symptoms of accuracy failure in modern finite elements are spurious mechanisms and a phenomenon known as locking which are exhibited for incompressible materials and irregular shapes which contain aspect ratios(R/t, a/b), tapered ratio(d/b), and skewness. The condition numbers and energy norms are used to estimate numerical errors, convergence characteristics and algorithmic efficiencies for verifying the aforementioned symptoms of accuracy failure. Numerical results from p-version models are compared with those from NASTRAN, SAP90, and Cheung's hybrid elements.

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.

베리오그램 모델 변화에 따른 정규 크리깅 보간법의 민감도분석

우광성,박진환,이희정,Woo, Kwang-Sung,Park, Jin-Hwan,Lee, Hui-Jeong 한국전산구조공학회 2008 한국전산구조공학회논문집 Vol.21 No.3

본 연구는 두 가지 주요 목적을 갖고 있다. 첫째는, 실험적 베리오그램을 작성하는데 필수적인 분리거리 허용한계를 얼마로 하느냐에 따라 변화되는 베리오그램 모델링에 기초를 둔 정규크리깅 보간법을 유한요소법에 적용이 가능한 가를 시험하는 것이다. 둘째는, 다항식모델, 가우스모델 및 구형모델의 선택에 따른 정확성을 조사하는 것이다. 이 목적을 위해 가우스 적분점에서 취득된 응력값 데이터로터 새로운 응력장을 예측하기 위해 가중-최소제곱법이 적용되었다. 여기서 가중치는 동일한 값을 사용하는 기존의 방식과 달리 응력값들의 보간을 위해 사용되는 실험적 및 이론적 베리오그램에 의해 결정된다. 제안된 접근방식의 타당성을 보이기 위해 2개의 수치예제를 테스트하였다. 이 논문에서 사용된 수치예제의 경우 25% 분리거리 허용한계를 사용한 가우스모델이 참고문헌의 이론 해들과 가장 잘 일치하는 것을 알 수 있었다. This paper comprises two specific objectives. The first is to examine the applicability of Ordinary Kriging interpolation(OK) to finite element method that is based on variogram modeling in conjunction with different allowable limits of separation distance. The second is to investigate the accuracy according to theoretical variograms such as polynomial, Gauss, and spherical models. For this purpose, the weighted least square method is applied to obtain the estimated new stress field from the stress data at the Gauss points. The weight factor is determined by experimental and theoretical variograms for interpolation of stress data apart from the conventional interpolation methods that use an equal weight factor. The validity of the proposed approach has been tested by analyzing two numerical examples. It is noted that the numerical results by Gauss model using 25% allowable limit of separation distance show an excellent agreement with theoretical solutions in literature.

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.

2차원 균열판의 p-적응적 유한요소해석을 위한 정규크리깅 보간법의 적용

우광성,조준형,박미영,Woo, Kwang-Sung,Jo, Jun-Hyung,Park, Mi-Young 한국전산구조공학회 2006 한국전산구조공학회논문집 Vol.19 No.4

이 연구의 목적은 두 가지로 대별할 수 있다. 첫째는, 베리오그램 모델링에 기초를 둔 정규크리깅 보간법의 p-적응적 유한요소법으로의 적용성이다. 둘째는, 수정된 초수렴 팻취복구 기법을 사용한 사후오차평가기와 연계된 계층적 p-체눈 세분화의 적응적 유한요소 과정을 제시하는 것이다. 가중치를 부여한 보간기법중의 하나인 정규크리깅 방법은 가우스 적분점에서의 응력데이타로 부터 소위 준정해를 얻는데 적용된다. 가중치를 동일하게 가정하는 종래의 보간기법과는 달리 실험적 및 이론적 베리오그램을 작성한 후 보간을 위한 가중치를 결정하게 된다. 한편, 적응적 p-체눈 세분화는 해석영역의 각 체눈에서 p-차수를 만족할만한 정확도를 얻을 수 있도록 프로그램내에서 자동으로 사후오차평가를 통해 불균등 또는 선택적으로 증가시킨다. 수정된 초수렴 팻취복구기법을 검증하기 위해 극한치를 사용한 새로운 오차평가기가 제안된다. 제안된 알고리즘의 정당성은 선형탄성파괴역학의 대표적 문제들인 중앙균열판, 일변균열 및 양변균열 해석을 통해 테스트되었다. This paper comprises two specific objectives. The first is to examine the applicability of ordinary kriging interpolation(OK) to the p-adaptivity of the finite element method that is based on variogram modeling. The second objective Is to present the adaptive procedure by the hierarchical p-refinement in conjunction with a posteriori error estimator using the modified S.P.R. (superconvergent patch recovery) method. The ordinary kriging method that is one of weighted interpolation techniques is applied to obtain the estimated exact solution from the stress data at the Gauss points. The weight factor is determined by experimental and theoretical variograms for interpolation of stress data apart from the conventional interpolation methods that use an equal weight factor. In the p-refinement, the analytical domain has to be refined automatically to obtain an acceptable level of accuracy by increasing the p-level non-uniformly or selectively. To verify the performance of the modified S.P.R. method, the new error estimator based on limit value has been proposed. The validity of the proposed approach has been tested with the help of some benchmark problems of linear elastic fracture mechanics such as a centrally cracked panel, a single edged crack, and a double edged crack.

P-Version Model of Stress Concentration Around a Circular Hole in Finite Strips

우광성,이채규,윤영필,Woo, Kwang Sung,Lee, Chae Gyu,Yun, Young Pil Korean Society of Civil Engeneers 1992 대한토목학회논문집 Vol.12 No.4

면내거동과 휨거동을 받는 원형구멍을 갖는 유한평판에서 원형구멍 주위의 응력을 모델링하기 위해 p-version 유한요소법이 제시되었으며, 또한 동일한 문제로써 원형구멍으로부터 발생된 균열해석을 위해 균열확장법이 사용되었다. 적분형 르장드르함수에 기초한 p-version 유한요소법이 원형구멍 주위의 응력경사가 심한 기하형상을 모델링하는데 적합함을 보여준다. 한편, 원형 경계조건을 표현하는데 이산화오차를 피하기 위해 초유한사상기법이 사용되었다. 앞에서 제시된 방법을 통한 수치해석 결과는 Nisida, Howland, Newman 등의 실험 및 이론결과와 종래의 유한요소법에 의한 수치해석결과와 비교하여 우수한 값을 보여 주고 있다. This paper presents a p-version finite element approach for modeling the stress distribution around a circular hole in a finite strip subjected to membrane and flexural behaviors. Also, same problem with a crack emanating from a perforated tension strip was solved by virtual crack extension method. The p-version of the finite element method based on integrals of Legendre polynomials is shown to perform very well for modeling geometries with very steep stress gradients in the vicinity of a circular cutout. Here, the transfinite mapping technique for circular boundaries was used to avoid the discretization errors. The numerical results from the proposed scheme have a good comparison with those by Nisida, Howland, Newman etc. and the conventional finite element approach.

휨을 받는 L-형 평판의 적응적 세분화를 위한 선택적 p-분배

우광성,조준형,이승준,Woo, Kwang-Sung,Jo, Jun-Hyung,Lee, Seung-Joon 한국전산구조공학회 2007 한국전산구조공학회논문집 Vol.20 No.5

The Zienkiewicz-Zhu(Z/Z) error estimate is slightly modified for the hierarchical p-refinement, and is then applied to L-shaped plates subjected to bending to demonstrate its effectiveness. An adaptive procedure in finite element analysis is presented by p-refinement of meshes in conjunction with a posteriori error estimator that is based on the superconvergent patch recovery(SPR) technique. The modified Z/Z error estimate p-refinement is different from the conventional approach because the high order shape functions based on integrals of Legendre polynomials are used to interpolate displacements within an element, on the other hand, the same order of basis function based on Pascal's triangle tree is also used to interpolate recovered stresses. The least-square method is used to fit a polynomial to the stresses computed at the sampling points. The strategy of finding a nearly optimal distribution of polynomial degrees on a fixed finite element mesh is discussed such that a particular element has to be refined automatically to obtain an acceptable level of accuracy by increasing p-levels non-uniformly or selectively. It is noted that the error decreases rapidly with an increase in the number of degrees of freedom and the sequences of p-distributions obtained by the proposed error indicator closely follow the optimal trajectory. 계층적 p-세분화를 위해 Zienkiewicz-Zhu 오차평가법이 약간 수정되었으며, 이 방법의 유효성을 보이기 위해 휨을 받는 개구부를 갖는 Reinssner-Mindlin $C^{\circ}$-평판에 적용하였다. 유한요소해석상의 적응적 체눈을 결정하는 단계는 초수렴 팻취 복구기법에 기초를 둔 사후오차평가자와 연계된 p-세분화에 의해 제안되었다. 요소내의 변위장을 정의하기 위해 적분형 르장드르 고차 형상함수가 사용되는 반면 복구응력을 보간하기 위해 파스칼의 삼각수에 기초를 둔 같은 차수의 고차다항식이 사용되는 이유로 수정 Z/Z 오차평가는 종래의 방법과 다소 차이를 보여준다. 가우스 적분점에서의 응력을 최적화하기 위해 필요한 다항식으로 표현되는 응력함수를 얻기 위해 최소제곱법이 사용되었다. 고정된 요소망에 거의 최적의 형상함수 차수의 분배를 찾기 위한 전략이 논의되었는데, 허용되는 정확도를 얻을 수 있을 때까지 각 요소마다 형상함수의 차수를 불균등하게 증가시키는 방법으로, 소위 최적의 선택적 p-분배를 자동으로 결정하도록 되어있다. 위의 사항들을 L-형 평판 해석에 적용한 결과, 적응적 p-체눈설계 단계가 진행됨에 따라 자유도의 증가에 따라 오차량은 급격히 감소되는 것을 알 수 있었고, 제안된 오차 지시자에 의한 적응적 p-체눈 세분화는 최적 p-분배 진행방향에 근접하는 것을 볼 수 있었다.