R/C 건축물에 대한 비선형 동적유한요소해석법 타당성 평가에 관한 연구

정호영 한양대학교 대학원 2024 국내석사

최근 세계적으로 2023년 2월 튀르키예에서 발생한 대규모 지진을 포함한 규모(M) 6.0 이상의 지진 발생 빈도가 계속 증가하는 추세이며, 매년 100건 이상 빈발하고 있다. 한국에서도 2016년 경주 및 2017년 포항지진으로 비내진 상세를 가지는 학교 시설과 필로티 건물 및 공동주택 등에 직접적인 지진 피해가 발생했다. 특히, 내진설계가 되지 않은 철근콘크리트 (이하 R/C) 부재의 전단파괴는 기존 R/C 건축물의 내진 안전성에 대한 경각심을 나타내었다. 내진성능평가를 비롯한 내진대책을 통한 구조물 안전성 확보의 중요성이 부각됨에 따라 국내에서도 R/C 건축물의 구조 특성을 고려한 실험 및 동적해석적 분석 기반 내진성능평가에 대한 연구가 다수 진행되고 있다. 그러나, 지진 등으로 인한 구조물의 피해 정도와 부재의 내력을 실험적으로 추정하는 것에는 많은 한계가 있다. 실험적 연구는 R/C 구조물의 비균질한 재료 특성으로 인해 제작과 실험결과에 대한 불확실성을 내포하고 있으며, 많은 시간과 비용이 소요된다는 단점이 있으며, 또한 재료, 하중, 구속 등 다양한 조건에 대한 검토가 어렵다. 한편 국내의 대부분의 동적해석 연구는 부재의 선재 치환을 통한 해석에 기반을 두고 있으며, 선재 치환 동적해석은 부재 모델의 단순화로 인해 구조물의 미세한 파괴 형상, 균열 등 부재의 상세 분석에는 한계가 있다. 따라서 보다 정밀한 동적해석적 연구의 중요성이 커지고 있으며, 부재 요소 단위의 안전성 검토 수단으로써 지진파를 고려한 유한요소 기반의 비선형 동적해석에 관한 연구가 필요한 실정이다. 이에 본 연구에서는 비선형 동적유한요소해석법에 기반하여 기둥 및 골조를 포함한 R/C 구조물의 실물 크기의 구조 실험을 통해 내진성능을 평가하였다. 유한요소해석에서는 범용 프로그램인 VecTor2를 활용하여, 하중-변위 곡선, 시간 이력 곡선, 철근 변형률 등의 정적 및 유사동적실험 결과와의 비교를 통해 구조물의 재료 및 구조적 특성을 고려한 유한요소해석 모델의 구축과 함께 지진 하중을 고려한 비선형 동적유한요소해석의 타당성을 검증하였다.

유한요소해석 기반 유도 전동기의 실시간 시뮬레이션 모델 개발

이준희 서울대학교 대학원 2021 국내박사

Induction machine has been widely used in industrial drive, due to its simple structure, high reliability, and rigidity. In recent years, its application expands to electric vehicles and servos with the development of inverters and control technologies. In this regard, the induction machine's output characteristic is closely related to the control algorithm because the inverter and the vector control mostly drive the machine used for this purpose. Therefore, in the motor's design process based on finite element analysis (FEA), it is necessary to consider the control algorithm and its performance. However, it is not easy to test the controller directly with FEA because of the long computational time. In this thesis, a new simulation model of an induction machine based on the FEA is proposed considering magnetic saturation, saliency, and spatial harmonics. Firstly, magnetostatic FEA was conducted in various current operating points, and flux linkage and torque were obtained. A flux map-based model was then introduced, which is fast and numerically stable without differential operation. Also, it has less burden on memory. To implement the proposed flux-based model, an inverse relation of current-flux is required. Finding the inverse relation of current-flux is equivalent to solve the inverse of a 4-dimensional vector function. Therefore, the existence of the inverse relation was proved, and it is implemented through the whitening transform and the artificial neural network. At learning the neural network, the accuracy was considered with the highest priority, and various learning methods were compared and chosen to reduce the learning time. Through the proposed model, various control algorithms can be tested fastly without conducting the FEA repetitively. Meanwhile, the rotor bar's skin effect should be considered, which affects the bar's current density distribution. Thus, the magneto-transient FEA was conducted to analyze the variation of resistance and the rotor bar's inductance. The analysis confirms that the rotor bar's skin effect has a different aspect than the general round conductor because of its unique shape for the deep bar effect. Also, the increase of resistance was affected by the frequency and the saturation of the magnetic core. Therefore, an analysis method was proposed, which can consider the induction motor's saturation level in the vector control situation, and the flux-based simulation model was modified with the analysis. The validity of the proposed simulation model was verified with two different induction machines. The simulation models of the two machines were implemented and compared with FEA and the experimental results. First of all, the no-load test was conducted in the model, FEA, and the experiment. The input voltage varies in the wide range, and it is confirmed that the model shows the magnetic saturation well by comparing the results. Then, the vector control was applied to the model and the experiment, and the results were compared. In the current control, the effect of spatial harmonics appears in heavy load conditions even if the rotor is skewed, and it is shown both in the model and the experiment. Also, the current trajectory in flux weakening control and the model's output torque characteristics are very similar to those of the experiment. At last, it is confirmed that the modified model considering the skin effect represents the saturation induced saliency in dynamic inductances well. 간단한 구조, 높은 신뢰성과 견고함을 가지는 유도 전동기는 산업계 전반에 걸쳐 널리 사용되어 왔으며, 인버터와 제어 기술의 발달과 함께 최근에는 전기 자동차와 서보(servo) 등으로 그 적용 범위를 넓혀가고 있다. 이러한 목적으로 사용되는 유도 전동기는 기존의 산업용 전동기와 달리 인버터 및 벡터 제어를 통해 구동되므로, 제어 특성이 전동기의 출력 특성과 밀접한 관련이 있다. 따라서 유한요소해석을 이용한 설계 단계에서부터 제어를 고려하고 시뮬레이션 해봄으로써 그 결과를 설계 과정에 반영할 필요가 있다. 하지만, 유한요소해석과 제어를 직접 연계하여 시뮬레이션하는 것은 계산 및 소요시간의 부담으로 인하여 쉽지 않다. 본 논문에서는 유한요소해석을 토대로 유도 전동기의 자기 포화, 돌극성, 공간 고조파를 고려하여 제어기를 빠르게 시뮬레이션할 수 있는 모델을 제안하고 이를 구현하였다. 이를 위해 우선적으로 다양한 전류 운전점에 대하여 정적 자계 유한요소해석을 수행하고 그 결과로 자속 및 토크를 얻었다. 이로부터 시뮬레이션 모델을 구현할 수 있는 방법들 중 미분 계산을 피하며 메모리에 부담을 덜 수 있고 속도가 빠른 자속맵 기반의 모델을 소개하고 이를 구현하는 방법을 제시하였다. 구현에 있어서는 먼저 자속맵 기반의 모델에 필수적인 전류–자속의 역관계의 존재성을 살펴보고 구현을 위해 필요한 데이터 처리 기법인 화이트닝 선형변환을 적용하였다. 또한 전류-자속의 관계인 4차원 벡터함수의 역함수를 구하기 위해 인공신경망을 도입하였다. 인공신경망 학습 시에는 정확성을 최우선 순위로 고려하였고, 학습 속도를 높이기 위한 다양한 학습 방법들을 비교하고 선택하였다. 이를 통해 제안된 자속맵 기반 시뮬레이션 모델은 유한요소해석에 비해 계산 시간이 훨씬 적으면서, 빠르게 다양한 제어기들을 유도 전동기와 연결하여 시험해볼 수 있다. 한편, 유도 전동기의 고정자 권선과 달리 회전자 권선은 바(bar)의 형태를 띄므로 주파수에 따라 전류 밀도의 분포가 변하는 표피효과가 고려되어야 한다. 따라서 이를 위해 과도 자계 해석을 수행하고 표피효과로 인한 회전자 바의 저항 및 인덕턴스 변화에 대해 분석하였다. 이러한 분석에서는 심구효과(deep bar)를 위해 독특한 형상을 지니는 회전자 바에서 나타나는 표피효과가 일반적인 모양의 도선에서 나타나는 것과는 다른 양상을 보이며, 표피효과에 의한 저항의 증가가 주파수 뿐만 아니라 도체 주변 코어의 포화도에 따라 달라지는 것을 확인하였다. 이를 토대로 유도 전동기의 벡터 제어 상황 하에서 회전자 바에 나타나는 표피효과를 분석하는 방법을 제안하고 이 결과를 시뮬레이션 모델에 반영하였다. 이를 통해 제안된 시뮬레이션 모델은 주파수에 따라 달라지는 회전자 저항과 인덕턴스 특성을 근사적으로 표현할 수 있다. 제안된 시뮬레이션 모델의 타당성은 다양한 조건에서 서로 다른 두 전동기의 유한요소해석 및 실험을 통해 검증되었다. 우선적으로 무부하 테스트를 통해 자기 포화 특성을 과도 자계 유한요소해석 및 실험 결과와 비교하였다. 다음으로 제안 모델과 실험에서 벡터 제어를 적용하고 그 특성을 비교하였다. 전류 제어 시에는 특히 고부하시에 자기 포화와 함께 나타나는 공간 고조파의 영향이 실험 결과와 거의 동일하게 나타나는 것을 확인하였다. 더불어 약자속 운전 특성 및 출력 토크 특성 또한 상당한 유사성을 보였다. 마지막으로 표피 효과를 고려한 모델을 통해서 회전자 동특성 및 고주파 인덕턴스에서 나타나는 돌극성이 표현되는 것을 확인하였다.

F.E.M 해석을 통한 대형 선박블록 LIFTING작업 시 DECK, LONGI SIZE에 따른 응력분석 및 설계기준

김우현 경상대학교 대학원 2013 국내석사

During assembling the ship block process, the block lifting and turn-over events are not only inevitable but also very important for safety and block accuracy. In this study, the stress of the upper deck is calculated during side shell block lifting and turn-over events by using F.E.M. And we will predict the stress through non-linear function which is calculated by poly-nominal curve Fitting.

강합성 생태아치구조물의 성능평가를 위한 수치해석 및 모형실험연구

김용희 상명대학교 일반대학원 2011 국내석사

최근 급속한 도시화 및 고속화된 산업발달로 인해 도로 및 철도와 같은 사회간접자본의 확충이 필연적으로 중요시되고 있다. 이에 따라 도심지역 및 우수 생태계지역이 도로 및 철도로 단절되어 주변지역에 소음, 분진, 열섬 등의 문제가 발생하며 대절토에서 발생하는 야생동물의 로드킬(Road Kill)과 산사태 등이 발생하다. 이러한 문제점을 개선하고 친환경적인 생태라인을 복원하고자 아치 혹은 라멘형식을 이용한 육교형 생태통로 또는 상부 덮개공원화 공법이 추진되고 있다. 본 연구는 개착식 대단면 강합성 아치교량 구조물을 연구대상으로 하고 있으며, 4차로 이상의 고속도로나 국도를 아치지간중간에 교각이나 기둥을 설치하지 않고 횡단하는 장경간 강-프리캐스트 콘크리트(PC)합성 아치구조물이다. 강재거더와 프리캐스트패널의 합성효과를 이용하여 30∼50m를 가지는 장대폭원의 아치구조물이 가능하며 교각을 설치하지 않으므로 운전자의 시야확보와 차량충돌사고를 예방할 수 있다. 또한 주형 및 프리캐스트 콘크리트 패널을 사전 제작하여 공사기간을 단축하고, 강재 거더가 동바리거푸집 역할을 수행하여 공사기간 중 도로교통 통제를 최소화할 수 있다. 합성아치구조 형식상 지반아칭효과(Arching effect)로 인하여 토피에 따른 재하하중의 경감으로 경제적이고 조형미가 우수하며 개방감이 양호한 장점이 있다. 본 논문에서는 연구대상구조물인 생태아치교량 개발을 위하여 다음과 같은 세부적인 연구과정을 수행하였다. 첫째, 생태아치교량을 활용한 도심지 육교형 공원의 우수한 조형미와 운전자의 심미성과 쾌적성을 확보하기 위하여 강재거더의 단면을 교체하여 단면의 조형미와 강성을 확보하는 신형식단면을 개발했다. 또한 유한요소해석을 통하여 대칭하중을 받는 신형식단면 원형아치의 기하비선형과 재료비선형이 모두 고려된 비탄성-비선형해석을 수행하여 신형식단면의 구조적 특성과 거동을 분석하고 면내좌굴강도를 평가하였다. 이에 기존의 연구결과들과 비교 신형식단면 원형아치에 적용가능한 새로운 좌굴계수를 제안하고 이를 활용한 표를 만들어 설계에 간편하게 적용할 수 있도록 제안하였다. 둘째, 강-프리캐스트 콘크리트 비합성․합성형 생태아치교량의 구조적 안전성과 성능평가를 위하여 비합성․합성아치 유한요소해석을 실시하고 해석결과를 기존연구와 비교․검토하였다. 합성형 생태아치교량의 거동특성 및 종국강도를 평가하기 위하여 모형실험체를 제작하여 정적파괴실험을 실시하여 이 결과를 유한요소해석결과와 비교․분석하여 실제 생태아치교량의 시공과 적용에서 발생할 수 있는 극한의 상황을 평가해보았다.

지진하중과 내압이 작용하는 배관계의 탄소성 거동 모사를 위한 최적 유한요소 모델링 가이드라인 제시

김은찬 서울과학기술대학교 2023 국내석사

In this paper, the elastic-plastic finite element analysis results according to the analysis conditions of the piping system under the seismic loading and internal pressures were analyzed, Through this, the optimal finite element modeling guideline for the strain-based seismic assessment procedure of the piping system was presented. Since the existing stress-based seismic assessment procedure of the piping system of a nuclear power plant under seismic loading shows excessive conservatism, research on strain-based seismic assessment procedures to improve this is being actively conducted. The strain-based assessment uses equivalent plastic strain as the main factor, which is calculated through elastic-plastic finite element analysis. In particular, in the case of equivalent plastic strain, it tends to be sensitive depending on the analysis variables due to the nonlinearity of elastic-plastic finite element analysis. In addition, elastic-plastic finite element analysis takes a lot of time compared to elastic analysis. Therefore, a finite element analysis guideline that considers the convergence and efficiency of elastic-plastic finite element analysis is required for reliable strain-based seismic assessment of piping systems. In this paper, to present a modeling guideline for efficient elastic-plastic finite element analysis of piping systems under the seismic loading and internal pressures, the acceleration, strain, and equivalent plastic strain results according to finite element types and densities were compared. Based on the seismic test information of the piping system performed at BARC, the elastic-plastic finite element analysis was performed applying the guideline presented in the JSME Code Case, and the density of the quadratic solid element that can obtain the sufficiently converged elastic-plastic finite element analysis result was reviewed. Then, for the efficiency of the elastic-plastic finite element analysis, the analysis results according to the linear solid element types were compared, and the linear solid element that could obtain the analysis results sufficiently comparable to that of the quadratic solid element was selected. In addition, by increasing the density of the selected linear solid element, reviewed the element density that can obtain the results of acceleration, strain, and equivalent plastic strain converging to the quadratic solid element. Through the above study, this paper presented a finite element modeling guideline that can efficiently obtain converged results from elastic-plastic finite element analysis of piping systems under seismic load and internal pressure. It is expected that the results of this study will enable stable and efficient strain-based seismic evaluation of piping systems. 본 논문에서는 지진하중과 내압이 작용하는 배관계의 탄소성 유한요소해석 조건에 따른 결과를 분석하였으며, 이를 통해 배관계의 변형률 기반 내진평가절차를 위한 최적의 유한요소모델링 가이드라인을 제시하였다. 기존의 지진하중이 작용하는 원전 배관계의 응력 기반 내진평가절차는 과도한 보수성을 보이므로, 이를 개선하기 위한 변형률 기반의 내진평가절차의 연구가 활발히 수행되고 있다. 변형률 기반의 내진평가는 주요 평가인자로 등가소성변형률을 사용하며, 이는 탄소성 유한요소해석을 통해 계산된다. 특히 등가소성변형률 같은 경우 탄소성 유한요소해석의 비선형성으로 인해 해석 변수에 따라 민감한 경향을 보인다. 또한 탄소성 유한요소해석은 탄성 해석에 비해 해석에 많은 시간이 소요된다. 따라서 신뢰성 있는 배관계의 변형률 기반 내진평가를 위해서는 탄소성 유한요소해석의 수렴성과 효율성을 고려한 해석 가이드라인이 요구된다. 본 논문에서는 지진하중과 내압이 작용하는 배관계의 효율적인 탄소성 유한요소해석을 위한 모델링 가이드라인을 제시하기 위해, 유한요소 종류와 밀도에 따른 가속도, 변형률 등가소성변형률 결과를 비교하였다. BARC에서 수행된 배관계 지진동 시험 정보를 바탕으로 JSME Code Case에 제시된 탄소성 유한요소해석 가이드라인의 적용한 해석을 수행하였으며, 수렴된 탄소성 유한요소해석 결과를 얻을 수 있는 2차 솔리드 요소의 밀도를 검토하였다. 이후 효율적 해석을 위해 1차 솔리드 요소 종류에 따른 해석 결과를 비교하였으며, 2차 솔리드와 가장 유사한 해석 결과를 얻을 수 있는 1차 솔리드 요소를 선정하였다. 또한 선정된 1차 솔리드 요소의 밀도를 증가시켜 2차 솔리드 요소에 수렴하는 가속도, 변형률, 등가소성변형률 결과를 얻을 수 있는 요소 밀도를 검토하였다. 본 연구를 통해 지진하중과 내압이 작용하는 배관계의 탄소성 유한요소해석에서 수렴된 해석 결과를 얻기 위해 소요되는 시간을 단축할 수 있는 유한요소 모델링 가이드라인을 제시하였으며, 연구의 결과물을 통해 신뢰성 있고 효율적인 배관계 변형률 기반 내진평가를 수행할 수 있으리라 기대된다.

연직배수공이 설치된 연약지반의 거동해석을 위한 2차원 등가모형의 개발과 적용

조기영 東亞大學校 大學院 1998 국내박사

연직배수공이 설치된 연약점성토지반의 거동을 해석하기 위하여 3차원 해석이 수행되어야 하지만, 시간과 노력을 절약하기 위하여 2차원 평면변형률 해석을 실시하는 것이 일반적이다. 따라서 이러한 2차원 해석을 위해서는 간극수의 방사상 흐름을 평면변형률 조건으로 모형화하는 것을 필요로 한다. 본 논문에서는 기존의 수평배수이론들과 등가모형들에 대하여 재고찰하였다. 기존의 등가모형이 갖는 문제점을 극복하고, 교란 및 배수정저항을 고려할 수 있는 이론적으로 정교하며 유한요소해석시에 적용성이 좋은 2차원 등가모형을 새로이 개발하였다. 그리고 새로운 등가모형은 기존의 등가모형 및 수평배수이론과의 결과 비교를 통하여 우수성을 입중하고자 하였다. 최종적으로, 새로이 제안된 모형을 실제 현장에 적용하여 현장 계측자료와 비교하여 접근성을 살펴보았다. 이러한 연구과정을 통하여 얻어진 결론을 요약하면 다음과 같다. 1, 수평배수이론들 중에서 Scott(1963)의 이론과 Yeshikuni-Nakanodo(1974)의 이론은 다른 수평배수이론들에 비하여 압밀분포가 과소 또는 과대 평가됨을 보여주었고, Barren(1948)의 이론은 특별한 조건하에서 압밀도의 경향이 다른 이론들에 비하여 상이한 결과를 보여 주었다. 그러나 Hansbo(1981) 및 Onoue(1988)의 이론에 의한 계산결과에서는 크게 문제점이 발견되지 않았다. 2. 기존의 등가모형들에 의한 해석결과와 Hansbo(1981)의 이론해 및 축대칭 유한요소해석결과를 비교분석하고 제반 모형들을 재고찰한 결과에 의하면, 배수재의 폭이 아주 좁은 경우에 유한요소해석의 수행시 모형지반의 복잡성, 모형요소의 불균형비, 사용 컴퓨터의 대용량, 소요시간의 증대 등의 어려움과 배수재 등가폭(b_(w))의 미소화로 인한 해석수행의 불가능 및 유도과정중 계산의 오류 등이 문제점으로 발견되었고, 그들에 의한 결과는 축대칭 해석결과와 상당한 차이를 나타내었지만, 그 중에서 Hird 등(1992)에 의한 결과가 축대칭해석결과와 비교적 근접하였다. 3. 새로운 2차원 평면변형률 등가모형이 Hansbo(1981)의 수평배수 이론해를 이용하여 제안되었으며, 사용자가 자유롭게 연직배수재의 간격을 조절하면서 유한요소망을 선정할 수 있도록 B≠R인 경우에도 확장되었다. 새로이 제안된 등가모형은 축대칭 유한요소해석결과 및 Hansbo(1981)의 이론해와 아주 잘 일치함을 알 수 있었다. 4. 새로이 제안된 등가모형을 이용한 유한요소해석에서 얻어진 압밀도는 기존의 등가모형들보다 Hansbo(1981)의 이론해 및 축대칭 해석결과에 아주 잘 일치함을 알 수 있었다. 그리고 Porto Tolle 현장에서 측정된 계측치와 단위셀에 의한 유한요소해석결과도 비교적 좋은 일치를 보였다. 5. 시험성토현장에 대하여 새로이 제안된 등가모형을 적용한 평면변형률 유한요소해석의 결과와 현장 계측치틀 비교한 결과, 지표면과 각 깊이별로 측정된 침하량의 분포 및 과잉간극수압의 시간별 변화는 현장 계측치와 유한요소해석결과가 잘 일치함을 알 수 있었다. To evaluate consolidation behaviour of the soft clayey ground that has vertical drains, two dimensional plane strain analysis has been generally used instead of three dimensional analysis to save time and efforts. The simulation of cylindrical pore water flow into the plane strain condition is required for the two dimensional plane strain analysis. Radial drain theories and 2D equivalent models were reviewed, in this study, and a 2D equivalent model that could overcome existing problems in older ones was newly developed. The consolidation of well resistance and smear effects is more theoretically correct in this new model. Also a comparative study of the new model to the radial drain theories and 2D equivalent models were conducted to verify a confidence of results. Finally, the newly developed model was applied to a site and the results were compared to the measured values. The conclusions thought in this study are : 1. It is shown that the consolidation analyses by Scott(1963) and Youshikuni -Nakanodo(1974)'s theory are overestimated or underestimated compared to others and that the degree of consolidation by Barren(1948)'s theory under particular conditions are different from those of others. The results by Hansbo(1981) and Onoue(1988)'s theories m very similar. 2. According to the results of comparative studies for Hansbo(1981)'s solution using an existing 2D equivalent model to the axi-symmetric finite element analysis, many problems were found in case of a narrow width of drains. These problems result in considerable differences from axi-symmetric solutions, but Hird(1992)'s solution gives a rough agreement with axi-symmetic solutions. 3. A new 2D equivalent model was developed based on Hansbo(1981)'s radial drain solution, and it was extended to B≠R for the flexibility of finite element meshes controlling vertical in spaces. It was shown that the results of a new 2D equivalent. model gives good agreement with the results of axi-symmetric and Hansbo(1981)'s solutions. 4. The degree of consolidation by the finite element method using developed equivalent model is in better agreement with Hansbo's and axi-symmetric solution than with existing 2D equivalent models. In addition, it was shown that the results of the finite element method with a unit cell give good agreement with the measured valves for Porto Tolle site. 5. The results from the plane strain finite element method using a newly developed model were compared to in-situ measurements for a testing site. For the settlement distribution and excess pore water pressure measured on the surface and different depths, the variation with time agree well with the solution by the finite element method.

비공유 노드 결합을 이용한 비축 조각 거울의 광기계 해석

편재원 청주대학교 대학원 2019 국내석사

대구경 거울과 이를 지지하는 플렉셔로 구성된 반사경 시스템의 최적화를 위하여 수행하는 유한요소해석은 주어진 설계 조건을 만족하기 위해 수많은 반복적인 계산과 실제 모델의 수정 작업이 필수적이다. 유한요소해석은 요소망의 생성 방법에 따라 해의 정밀도뿐만 아니라 모델링과 계산에 소요되는 시간의 차이가 있다. 유한요소 모델의 경계에서 변위연속성을 만족시키기 위해 비공유 노드 연결 방법을 사용하는 연결 방법의 차이를 두었고 해의 정밀도를 유지하면서 유한요소 모델링과 계산에 소요되는 시간을 단축하기 위한 효율적인 광기계 해석 방법에 대하여 연구하였다. 또한 이를 바탕으로 비축 조각 거울 시스템의 예비 설계 검토를 위한 광기계 해석을 효율적으로 수행하였다. For optimizing a reflector system consisting of a large diameter mirror and the flexure supporting it, numerous repetitive calculations and modifications of the actual model are necessary to meet the given design requirements. In the case of finite element analysis, the accuracy of solution and the time for calculation are depending on the modeling method of finite element analysis. In order to satisfy the displacement continuity at the boundaries of the finite element model, we suggest a new mesh generation method by using the separated node connection. The new mesh generation method was applied to the opto-mechanical analyses for a simple beam, an on-axial mirror system, and an off-axial mirror system. The results of the analyses show that the new mesh generation method reduces the time for finite element modeling, and the accuracies of solutions are maintained. Based on these results, we performed efficient opto-mechanical analysis the preliminary design review of the segmented off-axis mirror.

풍력발전기용 메인 베어링의 유한요소해석 기법에 관한 연구

안영준 중원대학교 일반대학원 2026 국내석사

풍력발전기(Wind turbine)용 메인 베어링은 로터(Rotor)에 작용하는 축 방향 하중, 반경 방향 하중, 전도 모멘트, 중력 등 복합 하중의 영향을 받는 핵심 부품이다. 최근 풍력발전기의 용량 증가로 인해 메인 베어링에 작용하는 하중과 변형이 함께 증가하고 있으며, 이에 따라 접촉 응력 및 피로 수명 예측의 중요성이 더욱 커지고 있다. 그러나 국내에서는 풍력발전기용 메인 베어링의 설계 및 해석 기술이 제한적이며, 국외 베어링 공급사에 대한 의존도가 높은 실정이다. 메인 베어링 해석은 다물체 동역학 시뮬레이션(MBS, Multi body simulation)을 중심으로 수행되는 경우가 많으나, 국부 접촉 응력 평가 측면에서는 한계가 존재한다. 본 연구에서는 풍력발전기용 테이퍼 롤러 베어링(TRB, Tapered roller bearing)을 대상으로 유한요소해석(FEA, Finite element analysis) 기반의 해석 기법을 제안하였다. 계산 효율 향상을 위해 구름 요소를 헤르츠 접촉(Hertz contact) 이론 기반의 비선형 스프링 요소(Spring element)로 치환하였으며[10], ISO/TS 16281 및 선행연구에서 제시된 스프링 강성 산정식을 적용하여 모델의 신뢰성을 확보하였다[15][16]. 또한 크라우닝(Crowning)이 적용된 구름 요소의 형상을 고려하여 스프링 강성을 보정함으로써 실제 운전 조건을 보다 정밀하게 반영하였다. 스프링 요소가 적용된 전체 모델 해석을 통해 베어링의 변형 및 하중 분포를 산정하고, 최대 하중 발생 구간을 서브 모델로 분리한 뒤 Cut boundary constraint를 적용하여 국부 접촉 응력 및 접촉 압력을 정밀하게 분석하였다. 해석 결과, 유한요소해석 기반 하중 분포 및 접촉 응력 결과는 베어링 공급사에서 제공한 다물체 동역학 시뮬레이션 결과와 유사한 경향을 보였으며, 최대 하중 발생 위치 및 접촉 압력의 유사성을 확인하였다. 이를 통해 본 연구에서 제안한 유한요소해석 기반 해석 기법은 다물체 동역학 시뮬레이션을 사용하지 않고도 메인 베어링의 하중 분포와 국부 접촉 응력을 예측하는 데 활용 가능함을 확인하였다. 본 연구 결과는 향후 메인 베어링의 설계 검증, 성능 평가 및 국산화 기술 개발을 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

이동 보행하중에 대한 장경간 케이블 보행교의 동적유한요소 해석

박승민 목포대학교 대학원 2022 국내석사

국내에서 최근 지자체들을 중심으로 관광객 유입을 목적으로 통상 출렁다리로 불리는 케이블 보행교가 건설되고 있다. 2021년 현재 전국적으로 총 199개의 출렁다리가 운용되고 되고 있으며 2010년 이후부터는 100m이상 장경간 케이블 보행교가 가파르게 증가하고 있다. 이러한 케이블 보행교는 다른 교량에 비해 훨씬 유연한 특징을 가지고 있고 보행자의 걸음에 따라 흔들리는 특징을 가지고 있다. 이런 진동은 교량 사용성 및 안전성에 큰 영향을 미치는 요소이기 때문에 설계 또는 운용시에 반드시 고려해야한다. 그러므로 케이블 보행교의 특성상 동적응답의 평가가 매우 중요하다. 보행자의 가진에 의한 보행교의 진동은 런던의 밀레니엄 브리지의 진동 이후로 많은 연구가 이루어졌지만, 출렁다리와 같이 일정 정도의 진동을 허용하는 매우 유연한 케이블 교량에 대해서는 아직 충분한 자료와 지식이 축적되지 않았고 교량의 진동 사용성에 대한 설계나 평가에 대한 기준도 미흡한 실정이다. 이 연구에서는 보행진동에 따른 케이블 보행교의 진동에 대한 설계 기준과 해석을 통한 교량의 진동 평가 방법이 필요함에 따라 케이블 보행교를 위한 동적 유한요소해석 과정을 제시한다. 일반 케이블 도로교와 비교했을 때 구조해석 관점에서 어떠한 차이점이 있는지 검토하고 초기평형 해석, 기하비선형해석, 보강거더 및 연결부의 모델링 등 케이블 보행교의 구조적인 특징을 반영하여 유한요소모델을 작성하고 케이블 보행교 구조물에 대한 해석법을 제시하였다. 적용예로서 충청북도 제천시 옥순봉에 위치한 총 연장 222m의 제천 청풍물길 출렁다리 케이블 보행교를 유한요소모델로 작성하였다. 한국교량및구조공학회에서 실시한 대상교량의 진동시험 및 성능시험의 계측 응답 데이터와 비교를 통해 유한요소모델의 적절성을 확인하는 과정을 거쳤다. 모델의 동적특성은 실제 교량과 고유 특성치를 비교하였을 때 유한요소모델이 실제 교량의 동적특성을 잘 모사하고 있는 것으로 나타났다. 검토된 유한요소모델의 보행진동에 대한 해석을 위해 이동 보행하중 모형을 구현하고 시간이력해석을 수행하여 해석의 가속도 응답과 변위응답을 도출하였다. 제안한 이동보행하중에 대한 유한요소 동적해석 방법은 국내에서 출렁다리와 같은 케이블 보행교의 설계와 구조해석 단계에서 동특성을 평가할 때 자유진동 해석에만 머무르지 않고 진동에 대한 상세한 해석과 분석에 적용할 수 있을 것으로 기대된다. Recently, cable suspended pedestrian bridges, commonly called “chullung dari” are being built in Korea for the purpose of attracting tourists. As of 2021, a total of 199 suspension bridges are in operation nationwide, and since 2010, cable suspended pedestrian bridges with a long span of more than 100m have been increasing rapidly. These bridges have much more flexible features than other bridges and shake very easily as pedestrians walk. Since these vibrations are factors that greatly affect bridge serviceability and safety, they should be considered properly in design or operation stages. Therefore, due to the nature of cable pedestrian bridges, it is very important to evaluate dynamic responses. Many studies have been conducted on the vibration of pedestrian bridges since the vibration of London's Millennium Bridge, but very flexible cable suspended bridges that allow a certain degree of vibration, such as “chullung dari”, have not yet accumulated enough data and knowledge. Standards for design or evaluation of these bridge vibrations are also insufficient. This study proposes a dynamic finite element analysis process for cable suspended pedestrian bridges as the design criteria for the vibration of cable pedestrian bridges and the method of evaluating the vibration of bridges through analysis are needed. Compared to general cable road bridges, the difference from the perspective of structural analysis was reviewed, and a finite element analysis model was created to reflect the structural characteristics of cable pedestrian bridges such as initial equilibrium analysis, nonlinear geometric analysis, and modeling of girders and connections, etc. As an application example, the Jecheon Cheongpungmul-gil Chullung Dari, located in Oksunbong Peak, Jecheon-si, Chungcheongbuk-do, with a total length of 222m, was created as a finite element analysis model. The model was validated through comparison with the measurement response data of the vibration test of the target bridge conducted by the Korea Institute of Bridge and Structural Engineers. It was found that the finite element analysis model simulates the dynamic characteristics of the actual bridge in terms of natural frequencies and mode shapes. In order to analyze the pedestrian vibration of the proposed finite element model, a moving pedestrian load model was implemented and time history analysis was performed to obtain the acceleration and displacement responses of the bridge. The proposed dynamic finite elements analysis method for moving pedestrian loads is expected to be applied to detailed analysis for vibration rather than free vibration analysis when evaluating dynamic characteristics of flexible cable suspended pedestrian bridges in the design stages.

머신러닝 기반의 아스팔트 포장 역학적-통계적 설계 모형개발

김도완 서울과학기술대학교 2021 국내박사

실제 포장 설계과정 시 목표가 되는 도로의 교통분석에 의한 교통량을 토대로 포장 두께를 결정한다. 이 과정에서 포장의 형식은 공사 여건 및 주변 환경성을 고려하여 결정하게 되는데, 이에 대한 특정한 제한 없이 초기 포장 두께를 선정하여 한국형 포장설계법을 통해 해당 포장의 공용성을 평가하도록 하며, 이는 설계자 혹은 엔지니어의 판단에 따라 같은 조건일지라도 다른 포장 두께를 결정할 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 방법으로 설계를 진행하는 경우, 우리나라에서는 표층과 중간층의 두께를 일반국도에서는 각각 5cm 및 6cm로 적용하고 있으며, 고속국도에서는 5cm와 7cm로 적용하고 있기 때문에 표층과 중간층 사이에서 설계적 오류가 발생되지 않으나, 기층과 보조기층의 경우 상대적으로 과설계될 가능성이 있으므로 목표 도로의 특성에 맞는 기층과 보조기층의 최소 두께를 결정할 필요가 있다. 또한, 설계자 혹은 엔지니어의 개략적인 판단하에 한국형포장설계프로그램을 구동시키는 경우, 한국형포장설계법의 반복적 수행에 의해 상당한 시간의 러닝타임이 발생하게 된다. 이뿐만 아니라, 일반적인 과업 외에 턴키 혹은 기술제안과 같은 최상설계를 요구하는 사업에서 유한요소해석을 통해 포장의 공용수명을 평가하는 방법을 채택하고 있으나, 우리나라 설계기준에 맞는 교통하중과 교통량을 적용하는 것이 아닌 단축등가하중(ESAL, Equivalent Single Axle Load)을 적용하는 방법을 적용하고 있다. 이러한 국외기준을 활용하는 경우를 포함하여 유한요소해석은 국내 기준에 부합하는 설계법을 적용하여 우리나라 환경에 맞는 공용수명 평가방법이 필요하다. 이와 관련하여 본 연구에서는 한국형포장설계법을 활용하는 경우, 같은 공사구간의 환경임에도 불구하고 포장두께를 엔지니어의 판단하에 다르게 결정하는 문제와 한국형포장설계프로그램의 반복적인 구동시간을 단축시키기 위해 초기 포장 두께 선정 모형, 포장 공용성 예측 모형, 포장 공용수명예측 모형을 개발했다. 이와 더불어, 유한요소해석법을 활용하는 경우, 한국형포장설계법과 우리나라 공사 환경을 적용하지 못한다는 점을 해소한 유한요소해석을 활용한 공용수명 예측 모형을 개발했다. 구체적으로 설계과정에서 교통량은 별도의 교통수요예측을 통해 연평균일교통량(AADT, Annual Average Daily Traffic)이 결정되며, 포장 형식을 결정하는 것을 가정하여 이러한 정보만으로 초기 포장 두께를 결정할 수 있도록하는 모형을 개발하고, 공용성 및 공용수명을 동시에 예측할 수 있는 모형을 개발했다. 또한, 우리나라의 설계 기준 교통하중차량을 적용한 유한요소해석을 수행한 결과를 활용하여 예측모형을 개발했다. 이 예측모형을 개발하기 위해 실제 우리나라 고속국도를 중심으로 포장 설계 사례 및 기준을 분석하였으며, 실제 적용된 포장 현황을 조사했다. 이 과정에서 중점적으로 활용된 기준은 한국형포장설계기준 및 도로교설계기준(한계상태설계법)이다. 예측모형을 개발하는 방안으로써 군집분석, 회귀분석, 경향성 분석 등의 통계적인 분석을 통해 종속변수에 대해 큰 영향을 미치는 최적의 독립변수를 선정하였으며, 머신러닝을 통해 최적화 알고리즘에 활용할 수 있는 모형을 선별했다. 그 후, 결정된 모형에 대한 미정계수를 산정하기 위해 RMSE(Root Mean Squared Error)가 최소가 되도록 하는 머신러닝 및 일반화된 경사하강 알고리즘(GRG Algorithm, Generalized Reduced Gradient Algorithm)을 활용했다. 이로부터, 초기 포장 두께 결정모형(총 포장 두께, 기층 두께, 보조기층 두께), 공용성 예측 모형(피로균열, 소성변형, 평탄성), 공용수명 예측 모형(피로균열, 소성변형, 평탄성, 최종 공용수명), 피로와 소성변형에 대한 유한요소해석을 이용한 공용수명 예측 모형을 개발했다. 개발된 모형은 모두 오차율이 10%이하로써, 이에 대한 실제 사례에 적용하여 설계모형에 대한 검증을 통해 그 활용성을 검토했다. Pavement thickness can be determined as traffic volume from Traffic analysis of the design road in pavement design procedure. In this process, pavement type can be selected taking account of construction conditions and surrounding environments, and then its performance has to be evaluated on Korea Pavement Research Program without the specific standards for determining the initial thickness. And, the other special project like as T/K or technical proposal project can select the performance analysis based on Finite Element Method. However, Korea Pavement Standards for traffic load and classification method isn't not only applied but ESAL traffic load application is utilized to FEM. The pavement thickness of surface and intermediate course is normally applied as 5cm & 6cm on national road and 5cm & 7cm in Highway design, respectively. Therefore, the error isn't commonly generated in pavement design process, but the other thickness of base and sub-base can be excessively designed. To solve these problem, the optimal thickness of base and sub-base should be determined. Also, the performance analysis method using FEM has to be performed under Korea conditions and standards to predict the pavement performance life. In the pavement design procedure, AADT(Annual Average Daily Traffic) is applied from Traffic Demand Prediction Analysis and the pavement type is selected before its performance evaluation step. It indicates that these information can be utilized to determine the pavement thickness and applied to develop the prediction models. In the development process of the prediction models using FEM, KL-510 which is the standard truck in Korea was applied to FEM modeling. These prediction models are developed from case investigation of Construction site and design, Standards based on Highway. The applied standards are based on Korea Pavement Design Guide and the Limit-State based Korea Bridge Design Specification. The statical analysis like as Cluster analysis, Key-factor Analysis, Regression Analysis and the other methods were utilized to select the optimum independent variables affecting to the dependent variables. And the Machine Learning method is selected to determine the functional models for the optimizations. In this step, the undetermined coefficients is determined the minimization of Root Mean Squared Error from GRG(Generalized Reduced Gradient) Algorithm. From this research, the initial thickness prediction models(Total Pavement, Base, Subbase), the pavement performance prediction models(Fatigue Cracking, Roughness, Rutting), the pavement performance life prediction models(Fatigue Cracking, Roughness, Rutting) and the performance prediction models using FEM(Fatigue Cracking, Rutting) was developed. The developed models have the error of under 10% and the utilization to real case was verified from the verification step.