유한요소법을 이용한 열간성형에서의 미세조직 예측 및 제어

이상주 弘益大學校 大學院 2003 국내석사

재료의 미세조직과 기계적, 물리적 성질과는 매우 밀접한 관계가 있으며 재료의 미세조직을 제어함으로써 원하는 특성을 가진 재료를 생산하고자 하는 노력들이 현재 여러 분야에서 진행되고 있다. 특히 재료의 미세조직 제어를 통하여 인장강도와 피로강도 그리고 인성과 같은 기계적 성질을 향상시키고자 하는 노력은 비교적 오래 전부터 진행되어왔으며, 현재까지 강재의 조성을 변화시키지 않고 강도와 인성을 동시에 향상시키는 방법으로는 오스테나이트 결정립의 제어를 통한 페라이트 결정립의 미세화가 가장 적합한 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 오스테나이트 결정립 미세화를 통한 강제의 기계적 성질 향상을 위하여 열간압연과 열간단조시 발생하는 재료의 재결정 거동을 모델링하고, 열간성형 공정을 유한요소해석 기법을 사용하여 해석하였다. 이러한 수치적 모델링과 유한요소해석 결과의 연계 기법은 온도, 변형률, 변형률 속도, 재료의 조성, 초기 결정립도 등의 성형 조건이 주어지면 변형기에서 동적재결정 예측 시스템에 의해 임계변형률과 결정립도의 변화가 계산된다. 변형 후 비변형기에서는 정적 또는 준동적 재결정 예측 시스템에 의해 결정립도의 변화와 잔류변형률을 계산한다. 예측된 결정립도는 다음 변형기에서의 초기 결정립도로 주어지며, 잔류변형률은 누적변형률로 축적된다. 이러한 재결정 예측 시스템의 검증을 위하여 Gleeble 1500을 이용하여 열간압축 실험을 실시하여 비교해보았다. 열간압연 공정의 연구에서는 세 가지 압연 스케쥴을 작성하여 후판 압연 공정에서의 결정립도 변화를 예측하고 제어하여 보았다. 첫 번째 스케쥴은 1020℃로 재가열하고 최대한 높은 압하량을 주어 총 패스 수와 가공시간을 줄이는 것을 목표로 하였다. 최종 패스 완료 후 결정립도는 평균 20㎛ 정도로 예측되었다. 이 스케쥴은 높은 압하율로 인하여 변형열이 크게 발생했으며 최종 패스에서의 온도편차는 70℃ 두께방향 결정립도 편차는 ll㎛정도로 크게 나타났다. 두 번째 스케쥴은 일반적으로 적용되는 1200℃의 압연온도를 사용하고 압하량을 분산시켜 변형열에 의한 온도편차 효과를 적게 하고자 하였다. 총 19패스 중 1번의 잔류변형률 누적에 의한 동적 재결정이 발생하였으며, 최종패스 완료 후 결정립도는 평균 34㎛로 조대하였으나 두께방향 온도 편차는 10℃, 결정립도 편차는 6㎛로 예측되었다. 세 번째 스케쥴은 압연 시작 온도를 1050℃로 낮추고 마무리 압연이 900℃이하에서 이루어지도록 설계하였다. 마무리 압연에서 변형률의 누적을 최대한 많이 발생시켜 결정립도 미세화 및 두께 방향 결정립도 편차의 최소화에 중점을 두었다. 총 19패스 중 3번의 동적 및 준동적 재결정이 발생하였으며, 이로 인하여 최종 패스 후 결정립도는 평균 13㎛, 두께방향 온도편차는 5℃, 결정립도 편차는 2㎛로 예측되었다. 이와 같은 스케쥴들을 실험에 의하여 검증해 보았으며, 잔류변형률 누적에 의한 동적 재결정의 발생이 결정립 미세화와 두께방향 결정립도 편차를 줄이는데 유용하다는 결론을 얻었다. 열간단조 공정의 연구에서는 자동차 샤시(Chassis)계 로워암 커넥터(Lower Arm Connector) 단조 공정에 대한 유한요소해석을 수행하여 단조공정상에 발생되는 문제점과 육안으로 확인 할 수 없는 취약 부위별 내부 변형률, 변형률 속도, 온도 분포 등의 분석을 실시하였다. 또한 열간압축 실험과 수치적 모델링을 통하여 S45C 강의 동적재결정 거동을 예측하였다. 로워암 커넥터 열간단조 공정은 소재가열(I/H), 체적분배를 위한 롤, 버스터, 블로커 및 피니셔 작업으로 구성되어 있다. 이를 유한요소해석하기 위하여 먼저 S45C 강의 유동응력 측정을 수행하였으며, 변형열의 영향을 고려한 유동응력 곡선을 구하여 입력 값으로 사용하였다. 각 공정별로 유한요소해석을 수행하였으며, 피니셔 공정이 끝난 후에는 취약 부위라 사료되는 단면 A, B, C를 선택하여 각 단면상의 3점에 대하여 온도, 변형률, 변형률 속도의 시간에 대한 변화를 알아보았다. 또한 S45C 강의 peak strain, 동적재결정 결정립도, 동적재결정 분율 식을 실험과 수치해석을 이용하여 도출하였으며, 유한요소해석 결과와 연계하여 각 부위별 미세조직의 변화를 예측하였다. 단면 A, B, C의 9개 부위에 대하여 단조모사 실험 후 수냉한 시편들의 평균 오스테나이트 결정립 크기는 33.2㎛였으며, 예측된 결과의 평균 결정립크기는 33.6㎛이었고, 각 부위별 평균 오차는 2.5㎛로 약 7.7% 정도의 차이를 나타내었다. 이로 인하여 본 연구에서 시도한 연계방법의 타당성이 입증되었으나, 향후 정확성을 더욱 향상시키기 위해서는 해석기술과 미세조직 예측 모델의 발전에 지속적인 노력이 필요하겠다. There exists a close relationship between the mechanical, physical properties and the microstructure of a material. With this idea in hand, many efforts are currently in progress to produce materials with desired properties by manipulating the microstructure. Engineers have continuously strived to enhance mechanical properties such as tensile strength, fatigue strength and toughness by such manipulations. Nowadays, without altering the chemical composition, the strength and toughness of steel can be enhanced by refining ferrite grain through the manipulation of austenite grain. In this study, to improve the mechanical properties by refining austenite grain, a model of the recrystallization behavior of a material during hot rolling and hot forging has been developed and the hot deformation process has been analyzed by the finite element method. During the deformation time, by combining the results acquired by the numerical model and FEM, the critical strain and grain size can be obtained by the dynamic recrystallization prediction system given the deformation condition such as temperature, strain ,strain rate, composition of the material and initial grain size. During the interpass time which follows the deformation, the change in grain size and retained strain is calculated through static and meta-dynamic recrystallization prediction system. The predicted grain size provides the initial grain size for the subsequent deformation time and the total retained strain is added up to achieve the accumulated strain. To verify the feasibility of this recrystallization prediction system, a hot rolling experiment has been conducted by utilizing the Gleeble 1500 method and thus compared. In the hot rolling process research, the change in grain size has been predicted and controlled during three schedules of a thick rolling process. In the first schedule, the objective was to reduce the total pass number and process time by reheating the material up to temperatures of 1020℃ and by applying a very high reduction. The grain size after the final pass has been predicted to be in the area of 20㎛. Intense deformation heat was causes by the intense reduction rate. As a result, after the final pass, the temperature deviation was 70℃ and the grain size deviation in the thickness direction was as high as 11㎛. In the second schedule, the temperature has been set to the standard rolling temperature of 1200℃. Also, the reduction has been dispersed in order to decrease the temperature deviation effect caused by the deformation heat. Of the total 19 passes, dynamic recrystallization has occurred once due to the accumulation of retained strain. After the final pass, the average grain size was measure to be 34㎛ which is larger than the predicted amount, but the temperature deviation and grain size deviation in the thickness direction was predicted to be 10℃ and 6㎛, respectively. In the third schedule, the initial rolling temperature was lowered to 1050℃ and the final to 900℃. The aim of the third schedule was to refine the grain size and minimize the grain size deviation in the thickness direction by maximizing the accumulation of strain during the final rolling. Of the total 19 passes, dynamic and meta-dynamic recrystallization has occurred three times due to the accumulation of retained strain. As a result, after the final pass the average grain size, temperature deviation in the thickness direction, and the grain size deviation has been predicted to be 13㎛, 5℃, and 20㎛ respectively. The schedules mentioned above has been verified through experiments, and it has been concluded that dynamic recrystallization due to the accumulation of retained strain can be effective in refining the grain size and reducing the grain size deviation in the thickness direction. In the hot forging process research, a FEM analysis of the automobile lower arm connector forging process has been performed for the purpose of pointing out the problems accompanying the forging process and analyzing the strain, strain rate, and temperature distribution of critical regions. Also, the dynamic recrystallization behavior of S45C steel has been predicted through heat 압축 experiments and numerical modeling. The manufacturing process of the lower arm connector forging is in the order of I/H, rolling for volume distribution, buster, blocker and finisher. The flow stress of the S45C steel has been measured for the FEM analysis, and a deformation heat compensated flow stress curve has been used as the input value. Each individual process has been analyzed via FEM. After the finisher process, the rate of change in temperature, strain, and strain rate is measured from 3 points on each cross sections A, B, and C representing the most weak regions. Futhermore, the peak strain, the dynamic recrystallization grain size, and the dynamic recrystallization fraction equation has been obtained by experiment and numerical analysis, these results combined with the FEM results can be used to predict the alteration of microstructure in each region. The average austenite grain size has been measured to be 33.2㎛, while the predicted average grain size was 33.6㎛. The average difference between the measured and the predicted was 2.5, about 7.7% error. As a result, the feasibility of the combination method conduct in this study is verified. Furthermore, efforts in improving analyzing methods and microstructure prediction must be made to enhance the precision of this research.

확장유한요소를 이용한 철근콘크리트 수평 부재의 균열 해석

김건형 건국대학교 대학원 2017 국내석사

본 연구에서는 재료의 균열 거동과 균열 가시화가 가능한 확장유한요소법(extended finite element method)을 이용하여 철근 콘크리트 수평 부재의 거동을 분석하였다. 철근과 콘크리트의 복합 거동을 나타내면서 콘크리트 재료에서 발생하는 균열의 진전, 파괴 거동 등을 예측하는 과정을 연구하였고, 해석 결과를 실제 실험 사례와 비교하여 확장유한요소법의 타당성을 검증하였다. 먼저, 3차원 확장유한요소의 타당성과 유효성을 검증하기 위해 2차원 평면 요소와 3차원 입체 요소를 사용한 모델 결과를 비교하였다. 각 요소들로 모델링된 단순 지지 철근 콘크리트 보의 거동을 실제 실험과 비교하였으며, 균열 거동과 균열 양상을 분석하였다. 이 과정에서 확장 자유도 잠김 현상(enriched DOF locking)을 관측하였고, 이를 해결하기 위해 발생 원인과 이를 해결할 수 있는 모델링 상의 기술적 해결방안을 제시하였다. 다음으로 3차원 입체 요소를 이용하여 철근 콘크리트 슬래브의 균열 거동을 분석하였다. 해당 모델링의 타당성을 확인하기 위해 동일한 조건에서 콘크리트 손상-소성(concrete damaged plasticity) 재료 모델을 적용한 결과를 비교하였다. 이후 실제 철근 콘크리트 슬래브의 실험 결과를 비교하여 3차원 확장유한요소의 유효성과 적용 범위를 확인하였다. In this study, the behavior of reinforced concrete lateral members was analyzed using the extended finite element method(XFEM). In addition to considering the composite behavior of reinforcement and concrete, the process of crack propagation and fracture behavior of concrete is studied. First, the model results of the 2D plane element and the 3D solid element were analyzed using a simple supported RC beam as a comparative model. It confirmed the validity of use of 3D XFEM model. In this process, enriched DOF locking occurred. The cause of this phenomenon was analyzed and a method to prevent it was suggested. Subsequently, the reinforced concrete slabs modeled by 3D XFEM is analysed. The results are compared with the experimental results and the finite element model using concrete damaged plasticity model under the same conditions. This material model can represent realistic post-failure behavior of concrete. As a result, the 3D XFEM can consider the crack behavior, predict the ultimate resistance performance, and clearly visualize the crack pattern.

F.E.M 해석을 통한 대형 선박블록 LIFTING작업 시 DECK, LONGI SIZE에 따른 응력분석 및 설계기준

김우현 경상대학교 대학원 2013 국내석사

During assembling the ship block process, the block lifting and turn-over events are not only inevitable but also very important for safety and block accuracy. In this study, the stress of the upper deck is calculated during side shell block lifting and turn-over events by using F.E.M. And we will predict the stress through non-linear function which is calculated by poly-nominal curve Fitting.

선전류 영역의 해석해를 활용한 유한요소 해석기법

김영선 단국대학교 2005 국내박사

산업 사회의 발달은 전기의 사용을 늘리고 생활수준을 향상시켰으며, 또한 전자기 스펙트럼 환경에 대한 인간의 노출기회를 증가시켰다. 특히, 송전선로의 대용량화, 초고압화는 높은 강도의 전자계를 발생시킨다. 이들이 전력설비나 통신시스템의 장애를 일으키고 인체에 유해한가에 관한 논란은 최근 심각한 여론을 불러일으키고 있다. 그러므로 이는 환경 영향에 대한 연구와 전자계 해석의 필요성을 대두시키고 있다. 전자장 현상의 거동은 맥스웰방정식으로 표현할 수 있으며, 이 방정식을 풀 때에는 그 경계조건을 만족해야 하므로 전자장 문제는 경계치 문제로 귀착된다. 전자장 해석의 대표적인 수치해석 방법으로 유한요소법이 1970년대 후반부터 국내에서 연구되기 시작하였다. 전자장 현상을 유한요소법으로 알아보기 위해서는 그 구조를 정확히 모델링하여 해석하여야 한다. 그러나 송배전 선로나 철도의 가공 전차선 같은 경우 전체의 영역에 비해 전자장을 만드는 원인이 되는 전류의 영역이 매우 작고 여러 개의 도체로 구성되어 유한요소 해석 시에 소스 부분을 미세하게 요소분할 하여야 한다. 이러한 경우 요소수가 증가되어 미지수가 증가하고, 이로 인해 전자계산기(computer)의 기억용량과 계산시간이 늘어나는 단점을 가지고 있다. 특히 자기적 비선형 특성의 해석이나 시간차분법 등을 통한 동특성을 해석하고자 할 때에는 컴퓨터의 상당한 발전에도 불구하고 아직도 많은 시간이 소요된다. 본 논문은 유한요소법의 활용기법중의 하나로서 여러 개의 선전류로 인해 유도되는 자장을 해석할 경우, 해석해(analytical solution)와 유한요소법(FEM)을 결합하여 기존의 방법을 보완하는 보다 효율적인 해석방법을 제시하였다. 선전류가 존재하는 영역에서는 라플라스 방정식과 푸아송 방정식으로부터 해석해를 유도하였으며, 다중 선전류가 존재하는 경우는 중첩의 원리를 적용하여 해석해를 얻었다. 해석적인 해는 원통좌표계에서 반경에 대한 멱함수와 회전각도에 대한 삼각함수의 곱의 형태로 표현된다. 결합방법으로는 선전류 영역과 유한요소 영역의 경계에서 자기벡터포텐셜의 연속조건과 자계강도의 접선 성분이 연속인 조건을 적용하였다. 본 방법은 유한요소법의 계행렬에 푸리에 급수 전개된 계수를 추가하는 방법으로 기존의 계행렬을 유지할 수 있다. 또한 해석해 영역은 요소 분할을 수행하지 않으므로 그 만큼 유한요소 영역을 세분하여 효율적인 해를 구할 수 있다. 또한 선전류 영역을 요소분할하지 않으므로 시스템 행렬식의 메모리 용량을 감소시키고 계산시간을 단축시킬 수 있다. 제안한 방법의 검증을 위하여 정자장 문제인 경우는 해석적인 모델과 자성체가 존재하는 모델을 채택하여 각각의 경우 해석해 및 유한요소법에 의한 해와 비교하였다. 교류자장 문제에는 도전체가 존재하는 3상 교류 모델과 수직 2회선 345 kV 송전선로 모델을 해석하여 각각 유한요소법에 의한 해와 실제 측정한 자계의 크기를 비교·검토하였다. Development of the industrial society increased the electricity consumption, elevated the standard of living, and rose a chance of human body to be exposed to the electromagnetic spectral environment. Transmission lines with large-capacity and extra high voltage generate highly intensive electromagnetic field. The questions whether the electromagnetic field makes electric power equipment and/or communication systems malfunction and is harmful to human body are becoming hot issue recently. This made researches about the environment effect and analysis of the electromagnetic field desirable. In analysis of the magnetic field using the standard FEM, the source current region of transmission line or overhead trolley line model consists of several conductors and is relatively small compared to the whole region. Therefore, the current region must be finely divided using a large number of elements. And the large number of elements increase the number of unknown variables and the use of computer memories. Especially, in spite of considerable development of computer, it still takes quite amount of time to carry out a magnetic non-linearity analysis or a dynamic performance by time step analysis. In this paper, an analytical solution is suggested to supplement this weak point. When the sources are line currents and the part of interest is far from the line currents, the analytical solution is coupled with FEM at the boundary. The analytical solution can be described by a multiplication of two functions. One is a power function of radius, the other is a trigonometric function of angle in the cylindrical coordinate system. Two kinds of boundary condition are used as coupling method. One is the continuity of the magnetic vector potential by Fourier series expansion. The other is the tangential component continuity of the magnetic field intensity at the boundary. To verify the proposed algorithm, we chose two kinds of example. One is simplified model with an analytical solution, while the other has magnetic material in FE region. Each results are compared with the analytical solution and the standard FE solution, respectively. Also, in case time varying fields that include conductive materials, 3-phase AC and 2-circuit 345kV transmission line models are analyzed. And each results are in good agreement with the FEM solution and the measured result of magnetic flux density. Proposed method is thought that will be useful in 3-D analysis or time step analysis.

(A) Study on the Optimization of the Strength and the Fatigue Characteristics of the Lock Seaming of a Sheet Metal in Washing Machine

강동우 부산대학교 2013 국내박사

Recent days, a front loading washing machine has been used due to high efficiency and high washing performance. A kind of this type of washing machine has a high spin speed, therefore the inside of a drum is exposed to high working load. At early stage, a welding method is used to make a drum but it has rust problem when it exposure to chlorine and a large quality deviation in fabrication. It needs high cost and high defect rate due to above reasons. The lock seaming method made by forming overlapped sheet metals is getting used to overcome these weak points of a welding method and it gives a stable quality, respectively. A FEM(Finite Element Method) research is needed to validate the strength of a lock seaming, but this kind of researches are not widely performed due to difficulties of the treatment of a complex contact between sheets. Moreover, the research on the fatigue characteristics of a lock seaming is not published yet. In this study, an explicit FEM analysis is studied to evaluate the strength of a lock seaming considering multi stage forming. The element selection and the effect of the strength of each stage among multi stage is studied to fin out the more efficient FEA procedure. As results, an accurate tensile strength of lock seaming was analyzed considering all forming stages, and it is found that shell element gives stiffer and stronger than solid element. Comparing test results to analysis, it is more efficient to using shell element without forming process than using solid element with full forming processes. Taguchi method was used to study the sensitivity of design variables and to find out the maximization of th tensile strength of a lock seaming. Improvement of tensile strength is expected by 76.5% in FEM results, and get 72.0% improvement in test results. The fatigue characteristics were also studied by a lock seaming specimen to evaluate the reliability by specimen. It was found that fatigue limit is 4.31% of tensile strength of lock seaming of A specimen and 5.87% in B specimen. It is very low compared to raw material, but the characteristics of S-N curve is stable. The current model has enough safe by investigating S-N data. As a results, it was found that the FEA procedure established in this study meets the experimental results well. And also, using Taguchi method, the tensile strength of lock seaming could be improved by 72%. Finally, the fatigue characteristics is evaluated by fatigue test and the reliability of the lock seaming of a drum is safe within a product life expectancy of washing machine.

강합성 생태아치구조물의 성능평가를 위한 수치해석 및 모형실험연구

김용희 상명대학교 일반대학원 2011 국내석사

최근 급속한 도시화 및 고속화된 산업발달로 인해 도로 및 철도와 같은 사회간접자본의 확충이 필연적으로 중요시되고 있다. 이에 따라 도심지역 및 우수 생태계지역이 도로 및 철도로 단절되어 주변지역에 소음, 분진, 열섬 등의 문제가 발생하며 대절토에서 발생하는 야생동물의 로드킬(Road Kill)과 산사태 등이 발생하다. 이러한 문제점을 개선하고 친환경적인 생태라인을 복원하고자 아치 혹은 라멘형식을 이용한 육교형 생태통로 또는 상부 덮개공원화 공법이 추진되고 있다. 본 연구는 개착식 대단면 강합성 아치교량 구조물을 연구대상으로 하고 있으며, 4차로 이상의 고속도로나 국도를 아치지간중간에 교각이나 기둥을 설치하지 않고 횡단하는 장경간 강-프리캐스트 콘크리트(PC)합성 아치구조물이다. 강재거더와 프리캐스트패널의 합성효과를 이용하여 30∼50m를 가지는 장대폭원의 아치구조물이 가능하며 교각을 설치하지 않으므로 운전자의 시야확보와 차량충돌사고를 예방할 수 있다. 또한 주형 및 프리캐스트 콘크리트 패널을 사전 제작하여 공사기간을 단축하고, 강재 거더가 동바리거푸집 역할을 수행하여 공사기간 중 도로교통 통제를 최소화할 수 있다. 합성아치구조 형식상 지반아칭효과(Arching effect)로 인하여 토피에 따른 재하하중의 경감으로 경제적이고 조형미가 우수하며 개방감이 양호한 장점이 있다. 본 논문에서는 연구대상구조물인 생태아치교량 개발을 위하여 다음과 같은 세부적인 연구과정을 수행하였다. 첫째, 생태아치교량을 활용한 도심지 육교형 공원의 우수한 조형미와 운전자의 심미성과 쾌적성을 확보하기 위하여 강재거더의 단면을 교체하여 단면의 조형미와 강성을 확보하는 신형식단면을 개발했다. 또한 유한요소해석을 통하여 대칭하중을 받는 신형식단면 원형아치의 기하비선형과 재료비선형이 모두 고려된 비탄성-비선형해석을 수행하여 신형식단면의 구조적 특성과 거동을 분석하고 면내좌굴강도를 평가하였다. 이에 기존의 연구결과들과 비교 신형식단면 원형아치에 적용가능한 새로운 좌굴계수를 제안하고 이를 활용한 표를 만들어 설계에 간편하게 적용할 수 있도록 제안하였다. 둘째, 강-프리캐스트 콘크리트 비합성․합성형 생태아치교량의 구조적 안전성과 성능평가를 위하여 비합성․합성아치 유한요소해석을 실시하고 해석결과를 기존연구와 비교․검토하였다. 합성형 생태아치교량의 거동특성 및 종국강도를 평가하기 위하여 모형실험체를 제작하여 정적파괴실험을 실시하여 이 결과를 유한요소해석결과와 비교․분석하여 실제 생태아치교량의 시공과 적용에서 발생할 수 있는 극한의 상황을 평가해보았다.

순차적 유한요소모델 개선 기법을 이용한 교량의 성능평가

김세훈 세종대학교 2018 국내박사

유한요소모델 개선은 실제 구조물의 계측데이터를 이용하여 수치해석모델을 보정하는 방법이므로 신뢰성 높은 해석모델을 구축 할 수 있으며, 실제 구조물 전체적인 상태를 예측하고 하중 조건 등에 대한 안전성을 평가할 수 있다. 유한요소모델 개선 기법을 활용하면 효율적인 구조물 안전성 및 성능평가 가능하다. 유한요소모델 개선 기법으로 정교하고 신뢰도 높은 해석모델을 얻기 위해서는 체계적이고 합리적인 모델 개선 절차가 필요하다. 특히 해석모델의 신뢰성 확보와 정확도 향상은 성능평가의 결과에 큰 영향을 미치기 때문에 정교한 모델을 구성하는 것이 매우 중요하다. 일반적으로 유한요소모델 개선 기법은 교량의 동특성을 목표응답으로 사용하여 해석모델을 개선한다. 이러한 경우, 개선된 해석모델의 정적응답 예측치의 정확성을 보장하기 어렵다. 또한, 대부분의 교량 성능평가는 처짐과 같은 정적응답을 사용하므로, 동적응답으로 개선된 유한요소모델을 성능평가에 사용하는 경우 결과의 신뢰성을 보장하기 어렵다. 본 연구에서는 기존 유한요소모델 개선 기법의 한계를 극복하기 위하여 교량의 정적응답과 동적응답을 순차적으로 사용하여 최적화를 수행하여 지점부의 불확실성을 제거하고, 불량조건문제를 개선하여 실제교량의 정적응답과 동적응답을 정확하게 예측 가능한 유한요소모델을 구축하였다. 또한 제안된 기법으로 구축된 유한요소모델을 사용하여 교량의 전역적 성능평가인 내하성능평가 방법과, 국부적 성능평가인 부재단위 성능평가 방법을 제안하고 현장검증을 수행하여 제안된 기법의 성능을 검증하였다. Over time, aging bridges are increasing rapidly, and the weight of the passing vehicles are larger than the design load of bridges when they constructed. Therefore, it is very important to evaluate the integrity of bridges in order to ensure the safety of the bridges. The finite element model updating(FEMU) technique can construct the reliable numerical model by using the measurement data of the actual bridge, and it is possible to predict the overall condition of the bridge and to evaluate the safety of the structure under various load conditions. A systematic and rational FEMU procedure is required to construct an accurate and reliable finite element model(FE Model) by the FEMU technique. However conventional FEMU method generally uses dynamic characteristics of bridge to update the FE Model. In this case, updated FE Model can predict dynamic response of bridge, but it can not predict static response of bridge well. In this study, it is proposed a novel FEMU method to overcome the limitation of the conventional FEMU method, and the performance of the bridge was evaluated using the proposed FEMU method. The proposed FEMU method was validated through field experiments.

유한요소법 이용 전자기 수치해석의 흡수경계조건별 성능 분석

조민철 인천대학교 대학원 2024 국내석사

최근 전기/전자기기의 역할이 늘어나고 있으며, 제품의 성능향상과 최적화를 위해서는 전자기 시뮬레이션 과정이 필수적으로 필요하다. 전자기 수치해석 기법 의 하나인 유한요소법은 미분 방정식을 기반으로, 해석 영역을 미소한 요소로 나 누어 해석하는 기법으로 불균질한 매질과 복잡한 구조 해석에 있어 강점이 있다. 전자기 수치해석에 있어, 유한요소법을 적용하기 위해서는 계산영역을 한정시 키는 흡수경계조건을 적용해야 한다. 이러한 흡수경계조건은 전파의 비물리적 반 사를 최소화하고, 무한 영역의 전파를 모사하는 역할을 하며 1차 흡수 경계조건, 도파관 포트 경계조건, UPML 등과 같은 종류가 존재한다. 본 논문에서는 여러 흡수경계조건을 적용한 100% in-house FEM code를 통해 다양한 전자기 문제에 대한 수치해석을 수행하였다. 그리고 후처리 과정을 통해 정전용량, 인덕턴스, 저항 행렬과 레이다 반사 면적과 같은 parameter를 계산하였 으며, 이를 대표적인 전자기 상용 소프트웨어 Q3D, HFSS의 결과와 비교하여 직 접 작성한 프로그램의 유효성을 검증하였다. 아울러, 흡수경계조건 적용 위치에 따른 흡수경계조건별 성능 분석 시뮬레이션을 수행하였다. 더불어, 3차원 전자기산란 예제에 대해 CUDA를 이용한 GPU 병렬 프로그램을 직접 작성하여 해석속도를 가속화 하였다. Recently, the role of electrical and electronic devices is increasing, and computational electromagnetics is essential for improving the performance and optimization of products. The finite element method, one of the numerical methods in electromagnetics, is based on differential equation and involves dividing the computational domain into small elements for the analysis. It is advantageous for modeling complex structures and deling with inhomogeneous materials. To apply finite element method for electromagnetic numerical analysis, absorbing boundary conditions that truncate the computational domain are required. These absorbing boundary conditions serve to minimize unphysical reflections of electromagnetic waves and imitate infinite domain propagation. In this thesis, numerical analysis for various electromagnetic problems were conducted using finite element method and several absorbing boundary conditions. Subsequently, a post-processing process of obtaining the capacitance, resistance, inductance matrix, and radar cross section was performed. Furthermore, performance analysis of absorbing boundary conditions was carried out. The code’s accuracy was confirmed via comparison with commercial electromagnetic simulation software such as HFSS, Q3D. In addition, for the 3-D electromagnetic scattering example a GPU parallel program was developed using CUDA to accelerate the analysis speed.

유한요소해석에 의한 지압보강재 유효단면 산정

박설아 명지대학교 대학원 2010 국내석사

The effective section for bearing stiffeners at an interior pier of continuous steel girder is investigated by applying the finite element analysis. The plate girder and box girder with several different spans are considered. The bearing stiffeners are designed by the AASHTO LRFD provisions in which the stiffeners are considered as axial compression members. The designed sections are found to reach close to the yield strength because of the extremely small values of member slenderness. In the finite element analysis, the steel girders are modeled three-dimensionally in which the elements of steel girders including flanges, web, and stiffeners are modeled as thin shell elements of S4R in ABAQUS. The effective width of web plate over a bearing support is approximated by observing the distribution of axial compressive stress obtained by the linear finite element analysis. The yield strength of the bearing section is estimated by the linear interpolation of the average axial stress of stiffener to the yield stress. The ultimate strength of bearing stiffener is also calculated by applying the nonlinear finite element method in which the steel is assumed to be an elasto-plastic-strain hardening material. The effective section and the axial resistance of bearing stiffeners obtained by the present finite element approach are compared with those by current code provisions. The bias factor which indicates the ratio of an actual strength to the nominal strength by code provisions is also evaluated. Based on the observations made in this study, an effective width of the web plate of a box girder, supported by two bearings on both webs, is proposed. 연속교 강박스거더의 내측지점부 지압보강재 유효단면은 유한요소해석에 의해 산정하였다. 플레이트 걷돠 박스거더는 각각 다른 경간을 고려하였다. 지점부보강재는 AASHTO LRFD법의 압축부재 설계규정에 따라 설계하였다. 설계된 단면은 세장비가 아주 작게 계산되어 항복강도에 도달하는 것으로 나타났다. 유한요소해석은 플랜지, 복부판 및 보강재로 구성된 강거더 단면을 3차원으로 모델링하였다. 지점부 보강재의 유효폭은 선형해석으로 얻은 축방향 압축응력으로부터 산정하였다. 지압보강재와 복부판으로 구성된 내측지점부 압축극한강도는 강재를 탄-소성-변형경화 모델로 가정하여 비선형 유한요소해석으로 구하였다. 지점부보강재의 유효단면과 압축저항강도는 기존 설계규정과 유한요소해석에 의한 결과를 비교하였다. 설계규정에 의한 압축강도와 해석에 의한 압축강도를 편심계수를 통해 평가하였다. 아울러, 복부판 양측에서 베어링 두 개로 지지된 박스거더에 대해 지압보강재 유효단면을 선형 및 비선형 ABAQUS 유한요소해석 결과의 분석을 통하여 제안하였다.

R/C 건축물에 대한 비선형 동적유한요소해석법 타당성 평가에 관한 연구

정호영 한양대학교 대학원 2024 국내석사

최근 세계적으로 2023년 2월 튀르키예에서 발생한 대규모 지진을 포함한 규모(M) 6.0 이상의 지진 발생 빈도가 계속 증가하는 추세이며, 매년 100건 이상 빈발하고 있다. 한국에서도 2016년 경주 및 2017년 포항지진으로 비내진 상세를 가지는 학교 시설과 필로티 건물 및 공동주택 등에 직접적인 지진 피해가 발생했다. 특히, 내진설계가 되지 않은 철근콘크리트 (이하 R/C) 부재의 전단파괴는 기존 R/C 건축물의 내진 안전성에 대한 경각심을 나타내었다. 내진성능평가를 비롯한 내진대책을 통한 구조물 안전성 확보의 중요성이 부각됨에 따라 국내에서도 R/C 건축물의 구조 특성을 고려한 실험 및 동적해석적 분석 기반 내진성능평가에 대한 연구가 다수 진행되고 있다. 그러나, 지진 등으로 인한 구조물의 피해 정도와 부재의 내력을 실험적으로 추정하는 것에는 많은 한계가 있다. 실험적 연구는 R/C 구조물의 비균질한 재료 특성으로 인해 제작과 실험결과에 대한 불확실성을 내포하고 있으며, 많은 시간과 비용이 소요된다는 단점이 있으며, 또한 재료, 하중, 구속 등 다양한 조건에 대한 검토가 어렵다. 한편 국내의 대부분의 동적해석 연구는 부재의 선재 치환을 통한 해석에 기반을 두고 있으며, 선재 치환 동적해석은 부재 모델의 단순화로 인해 구조물의 미세한 파괴 형상, 균열 등 부재의 상세 분석에는 한계가 있다. 따라서 보다 정밀한 동적해석적 연구의 중요성이 커지고 있으며, 부재 요소 단위의 안전성 검토 수단으로써 지진파를 고려한 유한요소 기반의 비선형 동적해석에 관한 연구가 필요한 실정이다. 이에 본 연구에서는 비선형 동적유한요소해석법에 기반하여 기둥 및 골조를 포함한 R/C 구조물의 실물 크기의 구조 실험을 통해 내진성능을 평가하였다. 유한요소해석에서는 범용 프로그램인 VecTor2를 활용하여, 하중-변위 곡선, 시간 이력 곡선, 철근 변형률 등의 정적 및 유사동적실험 결과와의 비교를 통해 구조물의 재료 및 구조적 특성을 고려한 유한요소해석 모델의 구축과 함께 지진 하중을 고려한 비선형 동적유한요소해석의 타당성을 검증하였다.