• Smart Structures and Systems
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• 제13권4호
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• pp.587-614
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• 2014

In recent years the interest in online monitoring of lightweight structures with ultrasonic guided waves is steadily growing. Especially the aircraft industry is a driving force in the development of structural health monitoring (SHM) systems. In order to optimally design SHM systems powerful and efficient numerical simulation tools to predict the behaviour of ultrasonic elastic waves in thin-walled structures are required. It has been shown that in real industrial applications, such as airplane wings or fuselages, conventional linear and quadratic pure displacement finite elements commonly used to model ultrasonic elastic waves quickly reach their limits. The required mesh density, to obtain good quality solutions, results in enormous computational costs when solving the wave propagation problem in the time domain. To resolve this problem different possibilities are available. Analytical methods and higher order finite element method approaches (HO-FEM), like p-FEM, spectral elements, spectral analysis and isogeometric analysis, are among them. Although analytical approaches offer fast and accurate results, they are limited to rather simple geometries. On the other hand, the application of higher order finite element schemes is a computationally demanding task. The drawbacks of both methods can be circumvented if regions of complex geometry are modelled using a HO-FEM approach while the response of the remaining structure is computed utilizing an analytical approach. The objective of the paper is to present an efficient method to couple different HO-FEM schemes with an analytical description of an undisturbed region. Using this hybrid formulation the numerical effort can be drastically reduced. The functionality of the proposed scheme is demonstrated by studying the propagation of ultrasonic guided waves in plates, excited by a piezoelectric patch actuator. The actuator is modelled utilizing higher order coupled field finite elements, whereas the homogenous, isotropic plate is described analytically. The results of this "semi-analytical" approach highlight the opportunities to reduce the numerical effort if closed-form solutions are partially available.

• 대한기계학회논문집A
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• 제21권12호
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• pp.2121-2133
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• 1997

A finite element code is developed for 3-D self-contact problems, using continuum elements with a SRI(Selective Reduced Integration) scheme to prevent locking phenomenon by the incompressibility of rubber. Contact treatment is carried out in two ways : using the displacement constraints in case of rigid contact ; and imposing the same contact forces on two contact boundaries in case of self-contact. The finite element code developed is applied to the deformation analysis of C.V.joint boots which maintain lubrication conditions and protect the C.V.joint assembly from impact and dust. The boot accompanies large rotation depending on the rotation of the wheel axis and leading to the self-contact phenomena of the boot bellows. Since this contact phenomenon causes wear of the product and has great influence on the endurance life of the product, it is indispensable to carry out stress analysis of the rubber boots. In case of self-contact, various methods for determining contact forces have been suggested with an appropriate contact formulation. Especially, the types of penetration in self-contact are modularized to accelerate conputation with a contact algorithm.

• 대한기계학회논문집
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• 제17권1호
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• pp.90-100
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• 1993

본 연구에서는 압전 감지기/작동기를 이용한 복합적층판의 진동제어해석을 위 하여 판요소를 사용한 능률적인 유한요소코드 개발에 있다. 운동방정식은 고전 적층 판이론과 Hamilton의 법칙을 이용하여 유도하며 압전방정식으로부터 전기적-기계적 연 계를 고려한 감지식과 작동식을 구한다.각식들은 유한요소 보간함수에 의하여 절점 변위에 대한 행렬방정식으로 변환된다. 요소마다 하나의 전기적 자유도를 가진 4-절 점 12-자유도 판요소를 사용하여 효율적인 계산을 가능하게 하였다. 압전 감지기/작 동기를 도입함에 있어 하나의 전극에 대해 압전 감지기/작동기는 하나의 감지/작동전 압을 갖는다. 각 요소에 전극번호를 부가함으로써 다양한 형상의 전극을 쉽게 모델 링하였으며 전극의 특성도 충분히 고려하였다. 전기적 하중에 의한 압전보의 변형과 변형에 대한 감지전압에 대한 계산을 수행하여 기존의 연구와 비교함으로써 본 프로그 램의 타당성을 확인하였다. 나아가 여러가지 전극형상에 대한 복합재료 평판의 시간 영역과 주파수영역에서 응답을 계산하였다.

• 터널과지하공간
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• 제9권1호
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• pp.1-11
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• 1999

열-수리-역학적 상호작용을 해석하기 위한 유한요소 코드가 개발되었다. 이 코드는 Noorishad(1984)에 의해 제시된 유한요소 수식화에 기초하였으며, 절리 거동은 Goodman 의 절리 구성 모델로 모사되었다. 개발된 코드가 각각 절리가 있거나 없는 두가지 종류의 수갱 모델에 대한 T-H-M 상호작용 해석에 적용되었다. 절 리가 없는 모델에 대해서, 수갱벽면으로부터 바깥 방향으로 온도 증가가 뚜렷이 나타났다. 절 리가 있는 모델에 대해서, 절리의 닫힘이 열팽창에 의해 생겼으며, 물이 암석기질보다 낮은 열 전도도와 높은 비열용량을 보이기 때문에 절리를 따라 온도 분포가 상대적으로 낮게 나타났다. 또한 절리 내에서의 열 유동의 영향이 암반내에서의 수리유동의 영향보다 더 크다고 결론내릴 수 있다.

• Structural Engineering and Mechanics
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• 제53권6호
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• pp.1215-1240
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• 2015

In this work, a novel simple first-order shear deformation plate theory based on neutral surface position is developed for bending and free vibration analysis of functionally graded plates and supported by either Winkler or Pasternak elastic foundations. By dividing the transverse displacement into bending and shear parts, the number of unknowns and governing equations of the present theory is reduced, and hence, makes it simple to use. The governing equations are derived by employing the Hamilton's principle and the physical neutral surface concept. There is no stretching-bending coupling effect in the neutral surface-based formulation, and consequently, the governing equations and boundary conditions of functionally graded plates based on neutral surface have the simple forms as those of isotropic plates. Numerical results of present theory are compared with results of the traditional first-order and the other higher-order theories reported in the literature. It can be concluded that the proposed theory is accurate and simple in solving the static bending and free vibration behaviors of functionally graded plates.

• 한국전산구조공학회논문집
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• 제17권2호
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• pp.183-192
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• 2004

본 논문에서는 수직으로 시추된 해양 파일에 대한 새로운 동적 해석절차가 제안되고 전형적 설계문제에 의하여 검증된다. 해수에 잠긴 파일의 구조는 물론 해양파도와 조류에 의한 힘도 유한요소법에 의해서 정식화되고 모델링된다. 유한요소 방정식에 적합한 파력을 구하기 위해서 여러 가지 파도이론 가운데서도 Airy의 파도이론이 시험되고 선정되었다. 조류의 후방와류에 기인한 횡방향 양력은 Strouhal 진동수와 적절한 양력계수를 가진 간단한 조화함수에 기초한다 파일에 대한 고유진동수 해석과 주파수 응답해석은 정식화 결과를 NASTRAN에 입력하여 계산되었다. 여기서 제안된 절차에 의해 얻어진 동적 변위와 응력의 결과는 기본설계해석 단계로서 해양파일의 파력과 조류 양력에 의한 동적거동을 구할 수 있으며 설계에 응용될 수 있음을 보여준다

• 한국전산구조공학회논문집
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• 제33권5호
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• pp.279-286
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• 2020

본 연구에서는 점근해석 및 논로컬 이론에서 요구하는 4차 이상의 고차 미분근사를 수행하기 위하여 계방정식에 혼합변분이론을 적용하여 MLS 차분법으로부터 구해지는 고차 미분근사의 정확도를 큰 폭으로 향상시킨다. 또한, MLS 차분법에 존재하는 세 가지 조건변수에 따른 고차미분근사의 정확도를 비교·분석한다. 혼합변분이론의 합응력을 후처리하여 변위의 미분을 근사할 경우 기존의 변위장 기반 계방정식의 차분 결과에 비해 미분 차수가 2차 낮아진다. 해석 범위내 절점 수가 과도하게 많거나 기저 차수가 클 경우 MLS 차분법의 영향영역 내에서 과적합(overfitting)이 발생한다. 또한 영향영역이 최적 범위 이상으로 넓어질 경우 근사의 정확도가 떨어진다. 위 내용을 사인 하중을 받는 단순지지보 수치예제로부터 확인하였다.

• 대한조선학회지
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• 제27권1호
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• pp.45-56
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• 1990

본 해석에서는 압력용기를 설계하기 위하여 복합적층된 원통형 구각의 비선형 해석을 유한요소법으로 수행하였다. 적층순서의 변화에 따라 최소변위 또는 최대압력을 갖는 최적의 적층구조를 얻기 위하여 8절점 Isoparametric 격하요소를 사용하며 구조요소의 비선형거동은 Total Lagrangian 수식과 하중증분법을 적용하여 해석하며 평형반복수렴은 Newton-Raphson Method를 이용하였다. 선형해석의 경우에 9가지 적층구조를 선정하여 하중조건이 내압일때 최소변위를 나타내는 적층구조를 조사한 결과 $[50^{\circ}/-50^{\circ}]$의 최적구조를 구하였고 적층순서를 $[{\theta}^{\circ}/{-\theta}^{\circ}]$로 하여 비선형해석과 동시에 Quadratic Failure Criteria를 적용하였을 때 하중조건이 외압만을 고려하는 상태에서도 $\theta=50^{\circ}$가 최소 변위비를 나타내었고 외압과 축하중을 동시에 고려한 상태에서는 $\theta=90^{\circ}$였다.

• 한국지반공학회논문집
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• 제15권3호
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• pp.113-129
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• 1999

본 연구에서는 사질토 지반에서의 굴착단계별 연성 벽체의 거동분석을 수행하기 위해 흙막이벽의 모형실험을 실시하였다. 모형 흙막이벽 실험에서는 재료의 역학적 특성이 비교적 널리 알려진 주문진 표준사를 이용하여 상대밀도가 79%, 41%, 24%인 모형지반을 조성한 후 모형벽체의 연성지수를 변화시켜 각 굴착단계별로 배면지반과 연성 벽체의 거동특성을 규명하였다. 본 연구에서는 벽체의 수평변위, 벽체의 배면에 작용하는 수평토압, 굴착으로 인한 배면지반의 침하량 및 침하영향거리, 벽체에 작용하는 앵커의 하중, 그리고 벽체에 작용하는 휨모멘트와 축력에 대해 굴착단계에 따라 살펴보고 이를 토대로 지반과 벽체의 거동특성을 분석하였다.

• Smart Structures and Systems
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• 제25권6호
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• pp.719-732
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• 2020

Real-time hybrid simulation (RTHS) which combines physical experiment with numerical simulation is an advanced method to investigate dynamic responses of structures subjected to earthquake excitation. The desired displacement computed from the numerical substructure is applied to the experimental substructure by a servo-hydraulic actuator in real time. However, the magnitude decay and phase delay resulted from the dynamics of the servo-hydraulic system affect the accuracy and stability of a RTHS. In this study, a robust stability analysis procedure for a general single-degree-of-freedom structure is proposed which considers the uncertainty of servo-hydraulic system dynamics. For discussion purposes, the experimental substructure is a portion of the entire structure in terms of a ratio of stiffness, mass, and damping, respectively. The dynamics of the servo-hydraulic system is represented by a multiplicative uncertainty model which is based on a nominal system and a weight function. The nominal system can be obtained by conducting system identification prior to the RTHS. A first-order weight function formulation is proposed which needs to cover the worst possible uncertainty envelope over the frequency range of interest. Then, the Nyquist plot of the perturbed system is adopted to determine the robust stability margin of the RTHS. In addition, three common delay compensation methods are applied to the RTHS loop to investigate the effect of delay compensation on the robust stability. Numerical simulation and experimental validation results indicate that the proposed procedure is able to obtain a robust stability margin in terms of mass, damping, and stiffness ratio which provides a simple and conservative approach to assess the stability of a RTHS before it is conducted.