Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea (한국전산구조공학회논문집)

Computational Structural Engineering Institute of Korea (한국전산구조공학회)
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Efficient Adaptive Finite Element Mesh Generation for Dynamics

동적 문제에 효율적인 적응적 유한요소망

  • 윤종열 (홍익대학교 건설도시공학부)
  • Received : 2013.08.06
  • Accepted : 2013.10.01
  • Published : 2013.10.31
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Abstract

The finite element method has become the most widely used method of structural analysis and recently, the method has often been applied to complex dynamic and nonlinear structural analyses problems. Even for these complex problems, where the responses are hard to predict, finite element analyses yield reliable results if appropriate element types and meshes are used. However, the dynamic and nonlinear behaviors of a structure often include large deformations in various portions of the structure and if the same mesh is used throughout the analysis, some elements may deform to shapes beyond the reliable limits; thus dynamically adapting finite element meshes are needed in order for the finite element analyses to be accurate. In addition, to satisfy the users requirement of quick real run time of finite element programs, the algorithms must be computationally efficient. This paper presents an adaptive finite element mesh generation scheme for dynamic analyses of structures that may adapt at each time step. Representative strain values are used for error estimates and combinations of the h-method(node movement) and the r-method(element division) are used for mesh refinements. A coefficient that depends on the shape of an element is used to limit overly distorted elements. A simple frame example shows the accuracy and computational efficiency of the scheme. The aim of the study is to outline the adaptive scheme and to demonstrate the potential use in general finite element analyses of dynamic and nonlinear structural problems commonly encountered.

유한요소법은 구조해석법으로 가장 많이 사용되는 방법으로 자리잡고 있으며, 근래에는 다소 복잡한 동적 및 비선형 문제에도 사용이 일반화되고 있다. 이러한 거동 예측이 어려운 구조해석에도 구조물을 적절한 유한요소와 요소망으로 표현하면 신뢰있는 해석 결과를 얻을 수 있다. 구조물의 동적 또는 비선형 거동에는 예상하지 않은 부분에서 큰 변형이 일어날 수 있으며, 유한요소해석 과정에서 같은 요소망을 계속 사용하면 요소의 모양이 신뢰 범위 밖으로 변형될 수 있으므로 요소망 역시 동적으로 적응할 필요가 있다. 또한, 유한요소 프로그램의 사용자 요구 사항 중 하나가 실시간으로 빠르게 진행되는 것이므로 연산면에서 효율적이어야 한다. 본 연구는 시간영역 동적해석에서 전 단계 해석 결과를 사용하여 계산된 대표 변형률값을 오차 평가에 사용하여 절점 이동인 r-법과 요소 분할인 h-법의 조합으로 요소 세분화를 진행하여 동적으로 적응하는 요소망 형성 과정을 기술한다. 해석 중 과대하게 변형되는 요소는 모양계수 개념으로 방지한다. 간단한 프레임의 동적 유한요소해석을 예제로 정확성과 연산 효율성을 보여준다. 본 연구에서 제시하는 적응적 유한요소망 형성 전략은 복잡한 동적 및 비선형 해석에 일반적으로 적용될 수 있다.

Keywords

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