An Improved Degenerated Shell Element for Analysis of Laminated Composite Structures

복합적층구조 해석을 위한 개선된 쉘요소

The paper is concerned with the analysis of laminated composite shell structures using an improved degenerated shell element. In the formulation of the element stiffness, the combined use of three different techniques was made. They are; 1) an enhanced interpolation of transverse shear strains in the natural coordinate system to overcome the shear locking problem; 2) the reduced integration technique in in-plane strains to avoid the membrane locking behavior; and 3) selective addition of the nonconforming displacement modes to improve the element performances. This element is free of serious shear/membrane locking problems and undesirable compatible/commutable spurious kinematic deformation modes. An incremental total Lagrangian formulation is presented which allows the calculation of arbitrarily large displacements. The resulting non-linear equilibrium equations are solved by the Newton-Raphson method. The versatility and accuracy of this improved degenerated shell element are demonstrated by solving several numerical examples.

본 논문에서는 개선된 감절점(degenerated) 쉘 유한요소의 복합적충을 갖는 쉘구조에의 적용성을 고찰하였다. 본 논문의 개선된 쉘 요소는 shear locking 해결에 우수한 결과를 보인 가정된 전단변형도를 대치사용하고, membrane locking 현상을 제거하기 위해 평면내 변형도의 구성시 감차적분을 행하며, 쉘요소 자체의 거동을 보완하기 위해 비적합변위형을 선택적으로 추가하였다. 본 요소는 shear/membrane locking이 발생하지 않으며, 전달가능한 거짓 영에너지모드도 나타나지 않는다. 유한변형을 고려한 기하학적 비선형 방정식을 total Lagrangian 수식화를 시용하여 정형화 하였고, 비선형 수치해석은 Newton-Raphson 반복법으로 반복 계산한다. 여러 예제해석을 통하여 본 개선된 쉘 유한요소의 유용성과 정확도를 고찰하였다.