쉘 해석과 곡면 모델링의 연동

조맹효,최진복,노희열,Cho, Maeng-Hyo,Choi, Jin-Bok,Roh, Hee-Yuel 한국전산구조공학회 2007 한국전산구조공학회논문집 Vol.20 No.2

본 연구에서는 NURBS곡면식을 바탕으로 하는 곡면 모델링과 쉘 유한요소해석의 효율적인 연동체계를 개발하고자 한다. 기하학적으로 정확한 쉘 유한요소해석에서 정확한 기하량의 계산은 필수적이며, 따라서 곡면을 표현하는 일반적인 방법인 NURBS곡면식으로 부터 필요한 기하량을 직접 계산한다면 보간에 의해 발생할 수 있는 기하학적 오차를 줄임으로써 해의 수렴성을 높일 수 있다. 아울러 기하학적으로 정확한 쉘 유한요소를 일반적인 곡면에 적용하기 힘들었던 한계점을 극복하여 수학적으로 표현 가능한 단순한 곡면들뿐만 아니라, NURB곡면식으로 표현 가능한 일반적인 곡면의 해석이 가능하게 되어 적용범위를 확장할 수 있다. 본 연구에서는 곡면을 생성함에 있어 주어진 데이터 점들을 보간하여 NURBS곡면을 생성하는데, 이러한 데이터들은 일반적으로 곡면의 스캐닝을 통해 얻을 수 있다. 곡면을 보간하여 NURBS곡면을 생성하는 과정에서 사용되는 매개변수 정의방식에 때라 생성된 곡면의 정확성이 차이를 보이므로 곡면의 형상에 따라 적합한 방식을 사용하여 곡면을 보간 할 필요가 있다. 몇 가지 잘 알려진 수치예제를 통하여 개발된 연동체계의 성능과 정확성을 검증하고 그 결과를 비교 분석하였다. The linkage framework of surface geometric modeling based on the NURBS and shell finite element analysis is developed in this study. In the geometrically exact shell finite element analysis, the accuracy of the analysis strongly depends upon the accurate computation of the surface geometric quantities. Therefore if we obtain the necessary geometric quantities from the NVRBS surface equation, it's possible to construct the effective linkage framework of surface modeling in the CAD systems and shell finite element analysis using geometrically exact shell finite element. Besides, the linkage framework can be applied to the analysis of general and complex surfaces as well as simple surfaces. In this study, the shell surfaces are generated by interpolating given set of data points based on the NURBS surfaces. These data points usually can be obtained from surface scanning. But the representations of the generated NURBS surface are not same to one another. The accuracy depends on the chosen parameterization methods used in NURBS. Therefore, it is needed to select the suitable parameterization method according to the geometry of the surfaces. To verify the performance and accuracy of our developed linkage framework, we solve several well-known benchmark problems and assess the performance of the developed method.

표면효과를 고려한 박막구조의 멀티스케일 해석

조맹효,최진복,정광섭,Cho, Maeng-Hyo,Choi, Jin-Bok,Jung, Kwang-Sub 한국전산구조공학회 2007 한국전산구조공학회논문집 Vol.20 No.3

In general, the response of bulk material is independent of its size when it comes to considering classical elasticity theory. Because the surface to bulk ratio of the large solids is very small, the influence of surface can be negligible. But the surface effect plays important role as the surface to bulk ratio becomes larger, that is, the contribution of the surface effect must be considered in nano-size elements such as thin film or beam structure. Molecular dynamics computation has been a conventional way to analyze these ultra-thin structures but this method is limited to simulate on the order of $10^6{\sim}10^9$ atoms for a few nanoseconds, and besides, very time consuming. Analysis of structures in submicro to micro range(thin-film, wire etc.) is difficult with classical molecular dynamics due to the restriction of computing resources and time. Therefore, in this paper, the continuum-based method is considered to simulate the overall physical and mechanical properties of the structures in nano-scale, especially, for the thin-film. 일반적으로 고전적인 탄성이론에서 매크로 스케일의 구조물의 물성은 구조물의 사이즈에 영향을 받지 않는다. 그 이유는 구조물 전체 체적에 대한 표면의 비율이 매우 작기 때문에 표면의 효과를 무시할 수 있기 때문이다. 그러나, 구조물 전체의 부피에 대한 표면의 비율이 커지게 되면 표면의 효과가 매우 중요한 역할을 하게 되며 지배적으로 나타나게 된다. 특히 나노 박막이나 나노 빔 등 나노 스케일의 구조물에서는 표면효과의 영향을 반드시 고려하여야만 한다. 분자 동역학 시뮬레이션은 이러한 나노 스케일의 구조물 역학적 해석을 위해서 그간 사용되어 온 일반적인 방법이었으나, 과도하게 요구되는 계산시간과 전산자원의 한계로 인해 여전히 수 나노 초 동안에 $10^6{\sim}10^9$개의 원자들에 대한 시뮬레이션이 가능한 정도이다. 따라서 실제적으로 MEMS/NEMS 분야에서 사용되는 서브마이크 스케일에서 마이크로 스케일의 구조물의 분자동역학 시뮬레이션을 통한 해석은 가능하나 설계를 목적으로 했을 때는 현실적이지 못하다. 따라서 본 연구에서는 이러한 분자 동역학 시뮬레이션 기법의 단점을 보완하고자 나노 스케일의 매우 작은 구조물에서 지배적으로 나타나는 표면효과를 고려할 수 있는 연속체 기반의 모델을 제시하고자 한다. 특히 본 논문에서는 박막구조물의 해석을 위하여 고전적인 Kirchhoff 평판이론을 바탕으로 표면효과를 고려할 수 있도록 하는 연속체 모델을 제안하고 이를 바탕으로 유한요소해석을 수행하여 그 해석 결과를 분자 동역학 시뮬레이션 결과와 비교하였다.

후처리기법을 사용한 복합재료 적층판에 대한 해석해

조맹효(Maeng-Hyo Cho) 한국항공우주학회 1995 韓國航空宇宙學會誌 Vol.23 No.6

복합재료 평판의 초음속 플러터 해석

조맹효(Maeng-Hyo Cho),이인(In Lee) 한국항공우주학회 1989 韓國航空宇宙學會誌 Vol.17 No.4

대변형 보이론을 사용한 힌지없는 로우터 블레이드의 유한요소 공탄성 해석

조맹효(Maeng-Hyo Cho),이인(In Lee) 한국항공우주학회 1993 韓國航空宇宙學會誌 Vol.21 No.5

3차원 와류격자법과 대변형 보이론을 사용한 정지 비행시의 무힌지 로우터 블레이드의 공탄성 해석

조맹효(Maeng Hyo Cho),이인(In Lee) 한국항공우주학회 1995 韓國航空宇宙學會誌 Vol.23 No.3

일 방향 탄소섬유 강화 알루미늄 적층 복합재료의 전단물성치 측정에 관한 연구

백운철,조맹효,황재석,Baek, Un-Cheol,Cho, Maeng-Hyo,Hawong, Jai-Sug 대한기계학회 2002 大韓機械學會論文集A Vol.26 No.10

In order to study the effects of oblique tabs on the in-plane shear properties of unidirectional carbon fiber reinforced aluminum laminate composites, the 10$^{\circ}$off-axis tensile test, the 45 $^{\circ}$off-axis tensile test and Iosipescu shear test were performed to determine the shear properties. Off-axis tension test was studied by using new oblique-shaped tabs proposed by Sun and $Chung^{(7)}$. Iosipescu shear test was studied by using modified Wyoming test fixture. The oblique tabs reduced remarkably end-constraint effects of off-axis specimens with a aspect ratio of about eight. The experimental results show that there is no significant difference between off-axis test results and those of Iosipescu shear test. The 45$^{\circ}$off-axis tensile tests are recommended for the determination of the shear properties of unidirectional carbon fiber reinforced aluminum laminated composites.

보 접착 모델을 이용한 게코 접착 시스템의 접착 메커니즘에 대한 연구

김원배,조맹효,Kim, Won-Bae,Cho, Maeng-Hyo 한국전산구조공학회 2010 전산구조공학 Vol.23 No.4

게코 접착 시스템은 보(beam)의 형상을 가지는 seta와 접착패드 역할을 하는 spatula로 구성된다. 본 논문에서는 보 접착 모델(ahhesive beam contact model)을 사용하여 게코(gecko) 접착 시스템의 접착 메커니즘의 해석을 수행한다. 보 접착 모델은 접촉면에서 불균일한 응력 분포를 가지는 특징이 있으며, 접촉면에서의 최대 인장 응력(tensile stress)에 의하여 접착/분리 메커니즘이 결정된다. 접착패드 역할을 하는 spatula는 최대 인장응력을 감소시키는 역할을 하며, 이로 인해 접착력이 증가한다. 역방향 하중에 대해서는 spatula에 의하여 최대 압축 응력(compressive stress)이 감소하며, 이러한 현상에 의하여 접착력과 분리력의 비대칭성이 발생한다. 본 연구에서는 보 접착 모델의 해석을 위해 유한요소법(Finite Element Method)을 사용되며, spatula effect를 위한 해석 결과가 제시된다. Gecko adhesion system consists of beam-shaped seta and spatula which has the role of adhesive pad. In this paper, adhesion mechanism of gecko adhesion system is performed by using adhesive beam contact model. this model has a feature of non-uniform stress profile on the contact surface and adhesion/detachment mechanism is determined by the tensile stress of the contact region. a spatula tip pad has the role of reduction of maximum tensile stress and adhesive force is increased due to this effect. As for a reverse loading case, maximum compressive stress drops by the spatula effect and this cause unsymmetric loading conditions between adhesion and detachment forces. In this study, finite element method is used for the analysis of adhesive beam contact model and the results for spatula effect are presented.

보 접착 모델을 이용한 게코 접착 시스템의 접착 메커니즘에 대한 연구

김원배,조맹효,Kim, Won-Bae,Cho, Maeng-Hyo 한국전산구조공학회 2010 한국전산구조공학회논문집 Vol.23 No.4

Gecko adhesion system consists of beam-shaped seta and spatula which has the role of adhesive pad. In this paper, adhesion mechanism of gecko adhesion system is performed by using adhesive beam contact model. this model has a feature of non-uniform stress profile on the contact surface and adhesion/detachment mechanism is determined by the tensile stress of the contact region. a spatula tip pad has the role of reduction of maximum tensile stress and adhesive force is increased due to this effect. As for a reverse loading case, maximum compressive stress drops by the spatula effect and this cause unsymmetric loading conditions between adhesion and detachment forces. In this study, finite element method is used for the analysis of adhesive beam contact model and the results for spatula effect are presented. 게코 접착 시스템은 보(beam)의 형상을 가지는 seta와 접착패드 역할을 하는 spatula로 구성된다. 본 논문에서는 보 접착 모델(ahhesive beam contact model)을 사용하여 게코(gecko) 접착 시스템의 접착 메커니즘의 해석을 수행한다. 보 접착 모델은 접촉면에서 불균일한 응력 분포를 가지는 특징이 있으며, 접촉면에서의 최대 인장 응력(tensile stress)에 의하여 접착/분리 메커니즘이 결정된다. 접착패드 역할을 하는 spatula는 최대 인장응력을 감소시키는 역할을 하며, 이로 인해 접착력이 증가한다. 역방향 하중에 대해서는 spatula에 의하여 최대 압축 응력(compressive stress)이 감소하며, 이러한 현상에 의하여 접착력과 분리력의 비대칭성이 발생한다. 본 연구에서는 보 접착 모델의 해석을 위해 유한요소법(Finite Element Method)을 사용되며, spatula effect를 위한 해석 결과가 제시된다.

생브낭의 원리를 이용한 응력해석 개선

김준식,조맹효,Kim, Jun-Sik,Cho, Maeng-Hyo 한국전산구조공학회 2011 한국전산구조공학회논문집 Vol.24 No.2

본 논문에서는 생브낭의 원리를 이용하여 보/판/쉘 등의 구조물에서 응력분포를 후처리함으로써 개선할 수 있는 방법을 개발하였다. 생브낭의 원리에 따르면, 주어진 탄성문제에 대해서 실제의 응력분포에 상관없이 합응력들로 문제를 기술할 수 있다. 현재까지 알려진 바에 따르면 유일하게 점근적으로 타당한 이론들은 Euler-Bernoulli(E-B) 보이론과 Kirchhoff-Love(K-L) 판이론 등이 있다. 많은 공학적 문제들이 이 두 이론들에 기초하여 해석되어 왔음은 주지의 사실이다. 하지만, 현대의 공학 문제들은 보다 정확한 해석기법을 요구한다. 본 연구에서는 자유도가 상대적으로 많은 고차이론 등을 사용하지 않고, 고전적인 E-B 또는 K-L 해석결과를 합응력 등가의 원리를 이용하여 후처리함으로써 변위 및 응력분포를 정확하게 예측할 수 있는 방법을 개발하였고, 이방성 보 수치예제를 통해 제안된 방법론을 탄성해석법과 비교 검증하였다. In this paper, a methodology is proposed to improve the stress prediction of plates via Saint Venant's principle. According to Saint Venant's principle, the stress resultants can be used to describe linear elastic problems. Many engineering problems have been analyzed by Euler-Bernoulli beam(E-B) and/or Kirchhoff-Love(K-L) plate models. These models are asymptotically correct, and therefore, their accuracy is mathematically guaranteed for thin plates or slender beams. By post-processing their solutions, one can improve the stresses and displacements via Saint Venant's principle. The improved in-plane and out-of-plane displacements are obtained by adding the perturbed deflection and integrating the transverse shear strains. The perturbed deflection is calculated by applying the equivalence of stress resultants before and after post-processing(or Saint Venant's principle). Accuracy and efficiency of the proposed methodology is verified by comparing the solutions obtained with the elasticity solutions for orthotropic beams.