한국과학기술연구원(KIST)부설 시스템공학연구소(SERI)가 보유하여 일반 사용자들에게 공개하고 있는 구조해석 S/W/로는 ABAQUS, ADINA, BOPACE-3D, DYNA-3D, MSC/NASTRAN, DIS/ADLPIPE, SAP5, KISTRAS, NONSAP, MARC 등을 들 수 있다. 이들 중 DIS/ADLPIPE, SAP5, KISTRAS, NONSAP은 CDC CYBER 960-31에 설치되어 있고 MARC는 NAS AS/XLV50에 설치되어 있으며 나머지는 CRAY-25 슈퍼컴퓨터에 설치되어 있다. 본 고에서는 이들 중에서 CRAY-2S 슈퍼컴퓨터에 설치되어 있으며 다양한 비선형 구조해석기능을 가지고 있는 ABAQUS, ADINA, MSC/NASTRAN 및 DYNA-3D에 대하여 개요, 기능 및 사용방법을 간략히 소개하고저 한다.
I-DEAS System Dynamics Analysis는 컴퓨터에 의한 해석적 동특성 파악이 어려운 구조요소와 해석적 동특성 파악이 가능한 구조요소가 함께 결합되어 있는 복잡한 구조물에 대하여, 전자의 구조요소에 대해서는 실험에 의해 추출된 동특성을 후자의 구조요소에 대해서는 컴퓨터 해석에 의한 동특성을 사용하여 전체 구조 시스템에 대한 동적해석을 가능하게 하는 프로그램이다.
유한요소법의 도입과 Computer 산업의 발전으로 그동안 정확한 이론적 해석에만 의존하던 많은 구조해석 문제들이 유한요소법을 이용하여 근사해를 구할 수 있게 되었다. 그러나 유한요소법 S/W에 대한 정확한 이해와 구조에 대한 개념을 정확히 이해하지 못한채 범용 유한요소법 S/W를 이용함으로써 구조분야에 오랜 경험을 가진 사람들 마저도 자신도 모르는 사이에 종종 오류를 범하는 사례를 볼 수 있기 때문에 유한요소법 S/W 이용에 유의해야 한다. 유한요소법의 발전은 그동안 구조해석상 많은 어려움을 겪고 있던 기초공학 분야에도 많은 도움을 주어 요즘 이 분야에서의 유한요소법 이용이 날로 가속화되고 있다. 이런 시점에서 기초공학 분야에 필요한 유한요소법의 기본적인 개념을 소개하고자 한다.
본 연구에서 항공기 엔진 내부 구성품의 구조 설계 결과에 대한 구조 안전성 평가 연구를 수행하였다. 엔진 내부 구성품에 라디에이터와 인터쿨러가 장착된다. 따라서 비행중에 라디에이터와 인터쿨러의 안전성을 검토하였다. 구조 해석을 통해 구조 안전성을 평가하였다. 구조 해석 기법은 유한 요소 해석 기법을 활용하였다. 구조 설계 및 해석을 위하여 가속도 하중을 고려하였다. 구조 안전성 평가 결과 구조 설계 결과는 타당한 것으로 확인되었다.
최근 항공레저스포츠 분야에 대한 관심이 증가하면서 초경량 항공기의 수요가 증가하고, 이에 대응하여 항공기의 강건한 구조설계의 필요성이 대두되었다. 이를 위해 본 연구에서는 초경량 항공기 프레임 동체의 정적 구조해석과 자유낙하 해석을 진행하였다. 항공기 운용 과정에서 작용하는 하중 조건 및 수직 방향 충돌 조건에 대한 강건 설계와 내추락성을 최대 응력과 안전율을 통해 평가하였다. 이를 위해 유한요소법에 기반한 소프트웨어인 ANSYS Workbench를 사용하였으며, 해석 결과인 응력분포와 변형률을 분석하여 설계한 프레임 동체의 안전성을 점검하였다. 또한, 수직 방향 낙하 충돌 시 발생하는 프레임 동체의 과도한 변형 및 파손 위치를 예측하였다.
본 연구에서는 복합재 구조물의 설계를 위한 동시공학 시스템을 개발하였다. 동시공학 시스템은 보다 짧은 제품 개발시간과 저렴한 생산비용으로 보다 우수한 품질을 갖는 제품생산을 위해 개발되었다. 본 연구에서는 동시공학 시스템의 개발을 위해 복합재 구조물의 설계와 해석에 관련된 다양한 상용 및 비 상용 소프트웨어들이 조사/수집 되었다. 동시공학 시스템에는 고전적층판이론과 유한요소해석을 이용한 복합재 구조물의 설계 및 해석 모듈,좌굴 및 좌굴후 거동해석 모듈,탄소-탄소 복합재의 열탄성 거동해석 모듈 및 전문가 시스템과 유전자 알고리즘을 이용한 복합재 구조물의 최적설계 모듈로 구성되어 있다. 또한 동시공학시스템은 소프트웨어들의 통합 및 관리를 위해 다중작업 및 그래픽 사용자 인터페이스의 구성이 가능한 마이크로 소프트사의 비주얼 $C++{^\circledR}$에 의해 구현되었다.
구조물이 안전성을 확보키 위해서는 외력의 불확정성 이외에 실제의 구조물이 해석을 위해 이상화되는 모델과는 다르게 되어 있으므로 구조물의 불확실성을 고려해야 한다. 실제로 유한요소해석시 구조물의 해석모델은 과거의 경험이나 공학적 판단에 기초하여 여러가지 구조물의 불확정성요소에 관계없이 이상화되어 최악의 경우에는 사고에 관계가 없다고 보증할 수 없는 것이다. 더욱이 최근에는 장대교량, 초대형건축물 및 원자력발전소와 같은 중요한 구조물이 증가추세에 있으며 그들의 예기치 못할 사고위험성에 민감하게 느끼고 있는 우리의 현실에 구조물의 불확정성에 관계되는 연구 또는 외력에 대한 경우와 마찬가지로 많은 연구가 필요하리라 생각된다. 본 고는 불확정 구조계의 확률유한요소해석에 관해서 참고문헌[1]을 참조하여 기본개념 및 간단한 예제를 기술하였다.
모듈러 지중아치 구조는 시공과정이 단순하며 강재와 콘크리트를 이용하여 시공 및 공용 중에 발생하는 단면력에 대하여 효과적으로 저항할 수 있는 구조로 제안되어 15m 이하의 지간에 대하여 3차원 구조해석 및 실험을 통하여 구조적 거동이 평가되었다. 일반적으로 지중아치와 터널 등의 구조해석의 경우 2차원이나 3차원 구조해석 방법이 적용될 수 있다. 하지만, 모듈러 지중아치 구조의 구조적 안전성 평가를 위하여 2차원이나 3차원 구조해석 방법을 적용할 경우 구조해석을 위한 모형화가 어렵고, 해석시간이 과도하게 오래 걸릴 수 있으므로, 모듈러 지중아치 구조의 설계과정에서 필요한 구조 안전성 및 토압 등을 고려한 구조해석 방법으로는 합리적이지 않을 수 있다. 또한, 사전에 결정된 단면이 적용가능한 지간에 대하여 모듈러 지중아치 구조를 구성하는 경우 지간과 하중조건에 따른 단면과 구조적 안전성만을 평가하는 것이 합리적일 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 효율적인 구조 안전성 평가를 위하여 프레임 요소를 이용한 구조해석 모델을 제안하고, 2차원 구조해석모델과 프레임 요소를 이용한 간략해석모델의 구조해석 결과를 비교하였으며, 간략해석 방법을 이용하여 20m지간의 모듈러 지중아치구조의 구조적 안전성을 평가하였다.
CAD/CAM 과정에서 컴퓨터 그래픽은 매우 중요한 역할을 하고 있고, 앞으로 이 분야에서 그래픽 응용과 그 기법의 개발은 무궁할 것으로 예측된다. 또한 전 공정의 총합 CAD 과정에서 이들 컴퓨터 그래픽과 공학해석의 접속은 필수불가결할 것이다. 공학해석 분야에는 현재 유한요소법이 대종을 이루고 있으나 아직도 이러한 해석분야와 그래픽분야를 완전하게 접속시켜 전 공정의 설계를 컴퓨터로 자동화 하는데는 많은 시간이 요할 것 같다. 그러나 컴퓨터 하드웨어 값이 지속적으로 하락하고 저렴한 CAD 관련 소프트웨어가 개발될 것을 예상해 볼 때 설계 및 제작 자동화가 가까운 장래에 대단히 큰 진전을 이룰 수 있을 것으로 보인다.
기계 및 건축, 토목 분야의 설계나 연구 부문에서 널리 쓰이고 있는 구조해석에는 유한요소해석 기법이 보편화된 실정이며, 간단한 구조물을 해석하기에도 수많은 계산작업을 필요로 하므로 수작업으로는 그 해석 결과를 얻어내기란 거의 불가능하며, 고속의 컴퓨터를 이용하여야만 그 결과를 얻을 수 있게 되었다. 이렇듯이 컴퓨터가 없는 구조해석은 상상할 수 없지만 그렇다고 초고속의 계산능력을 갖춘 소위 Super computer만 갖추고 있다고 해서 구조해석을 원활히 할 수 있느냐 하면 그것도 반드시 옳다고 할 수는 없다. 특히 요즘과 같이 각기 업무 특성에 맞는 컴퓨터들이 속속 개발되어 나오는 환경을 고려할 때 최적의 시스템 구성을 위해서는 과거에서 현재까지의 컴퓨터 이용추세를 돌이켜보고 앞으로의 발전방향을 예측해 보는 것은 의미있는 일이라고 하겠다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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