A Coupled Analysis of Finite Elements and Boundary Elements for Time Dependent Inelastic Problems

시간의존 비탄성 문제의 유한요소-경계요소 조합에 의한 해석

The long-term behavior, such as in excavation problems of weak medium, can be dealt with by the elasto-viscoplasticity models. In this paper, a combined formulation of elasto-viscoplasticity using boundary elements and finite elements without using internal cells is presented. The domain integral introduced due to the viscoplastic stresses is transformed into a boundary integral applying direct integration in cylindrical coordinates. The results of the developed boundary element analysis are compared with those from the explicit solution and from the finite element analysis. It is observed that the boundary element analysis without internal cells results in some error because of its deficiency in handling the nonlinearity in local stress concentration. Therefore, a coupled analysis of boundary elements and finite elements, in which finite elements are used in the area of stress concentration, is developed. The coupled method is applied to a time dependent inelastic problem with semi-infinite boundaries. It results in reasonable solution compared with other methods where relatively higher degree of freedoms are employed. Thus, it is concluded that the combined analysis may be used for such problems in the effective manner.

지하구조물은 일반적으로 영역의 무한성, 다양한 하중, 복합적인 구성재료 등으로 인하여 그 거동의 해석이 난이하다. 특히, 장기거동이 중요시되는 연약지반의 굴착문제 등에 있어서는 시간에 의존하는 점탄소성거동을 해석에 고려하여야만 한다. 본 연구에서는 점탄소성거동을 해석하는 방법으로서, 내부요소를 사용하지 않은 경계요소 해석방법을 유도하고, 정계요소와 유한요소를 조합하여 해석하는 방법을 도출하였다. 점탄소성을 고려한 지배적분방정식에서 점소성응력에 대한 영역적분은 극좌표를 이용한 직접적분방법을 적용하여 경계적분화하였고, 이에 따른 계방정식을 이용하여 프로그램화하였다. 또한 경제요소 프로그램을 점소성 유한요소 프로그램과 조합하여 굴착면 주위에 발생하는 시간의존 비탄성거동을 합리적으로 해석하도록 하였다. 경계요소해석 및 조합해석 결과는 정해 및 유한요소해석의 결과와 비교하여 검토하였다. 비교결과 내부요소를 사용하지 않은 경계요소법으로는 국부적인 응력집중으로 인한 비선형성이 충분히 고려되지 못함을 알 수 있었다. 반면에 유한요소-경계요소 조합방법으로는 상대적으로 많은 자유도를 가진 타 방법에 비교하여 합리적인 결과를 얻음을 알 수 있었다. 따라서 시간에 의존되는 비탄성체의 해석에 있어서 조합방법을 사용하면 하중조건과 경계조건에 따르는 구조물의 거동을 합리적으로 예측할 수 있으며, 유한요소와 경계요소의 장점을 살려 보다 효용적인 해석의 수행이 가능할 것으로 판단된다.