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모드 미분을 이용한 기하비선형 보의 축소 모델
On the Use of Modal Derivatives for Reduced Order Modeling of a Geometrically Nonlinear Beam 원문보기

한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, v.30 no.4, 2017년, pp.329 - 334  

정용민 (금오공과대학교 기계시스템공학과) ,  김준식 (금오공과대학교 기계시스템공학과)

초록
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다양한 산업 분야의 구조물은 여러 부구조의 조합으로 구성되며, 시스템의 자유도 또한 무수히 많다. 높은 복잡성을 가지는 구조물의 해석 및 계산 효율을 향상시키기 위해서 해석 모델의 단순화 및 자유도 축소가 요구된다. 지난 50여 년 동안 규모가 큰 공학적 문제를 단순화하기 위해 다양한 부분구조화 기법들이 개발되어 왔다. 이러한 부분구조화 기법들은 Newton-Raphson 알고리즘 등과 같은 반복계산을 동반하는 비선형 구조해석 문제 해석에 매우 효과적이다. 본 논문에서는 기 개발된 비선형 부분구조화 기법 중의 하나인 모드미분(modal derivatives)을 이용하여 기하비선형 보의 모델 축소에 적용하고자 한다. 모드미분은 모드 기반 축소 기저의 2차항의 형태로, 선형모드의 조합으로 근사 가능한 변위벡터를 미소변위에 대한 Taylor 급수를 통해 확인할 수 있으며, 시스템의 고유치 문제를 모드 좌표로 미분을 함으로써 얻어진다. 모드미분에는 비선형 접선 강성행렬의 미분을 포함하고 있으며, 이는 유한차분법 등의 근사를 통해 계산할 수 있다. 제안된 방법론은 기하학적 비선형 문제에 우수한 성능을 보이는 동시회전 유한요소법에 적용하였다. 수치예제를 통해 보의 경계가 수평으로 움직일 수 있는 문제에서는 기존의 모드축소기법이 매우 비효율적임을 알 수 있었다. 한편 모드미분을 이용한 축소기법은 다양한 경계조건에 대하여 우수한 성능을 보임을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The structures, which are made up with the huge number of degrees-of-freedom and the assembly of substructures, have a great complexity. In order to increase the computational efficiency, the analysis models have to be simplified. Many substructuring techniques have been developed to simplify large-...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 또한, 앞서 언급한 수치적인 문제를 완화할 수 있도록 부가적인 연구를 수행하고 기하비선형 평판 문제로 확장 적용 및 여러 개의 부구조로 구성된 문제에 적용하고자 한다. 궁극적인 본 연구의 목표는 다양한 구조적 거동을 고려할 수 있는 비선형 등가 보 또는 평판 모델을 개발하는 것이다.
  • 본 논문에서는 비선형 시스템의 부분구화 기법 중 효율적으로 알려진 모드미분 기법을 이용하여 기하비선형을 가지는 보의 모델 축소를 수행하고자 한다. 다양한 수치예제들을 통해 모드미분이 비선형 모델 축소에 미치는 영향에 대해 알아보고, 축소모델의 정확성 및 축소효율을 확인하고자 한다.
  • 추후 연구를 통해 시스템의 자유도 증가에 따른 효율성을 면밀히 평가하고, 비선형 좌굴해석 등 다양한 공학적 문제에 적용하고자 한다. 또한, 앞서 언급한 수치적인 문제를 완화할 수 있도록 부가적인 연구를 수행하고 기하비선형 평판 문제로 확장 적용 및 여러 개의 부구조로 구성된 문제에 적용하고자 한다. 궁극적인 본 연구의 목표는 다양한 구조적 거동을 고려할 수 있는 비선형 등가 보 또는 평판 모델을 개발하는 것이다.
  • 본 논문에서는 비선형 시스템의 부분구화 기법 중 효율적으로 알려진 모드미분 기법을 이용하여 기하비선형을 가지는 보의 모델 축소를 수행하고자 한다. 다양한 수치예제들을 통해 모드미분이 비선형 모델 축소에 미치는 영향에 대해 알아보고, 축소모델의 정확성 및 축소효율을 확인하고자 한다.
  •  부분구조화 기법은 Prezemieniecki(1963)에 의해 처음 제안되었다. 이 기법은 선형 정적해석 문제에 대한 부분구조화 기법으로 항공기 구조물의 응력 및 변형을 보다 효율적으로 계산하기 위해 고안되었다. 서로 인접해 있는 부구조의 경계 혹은 접합부가 완전하게 고정되어 있다는 가정을 통해 각각의 부구조에 대해 독립적인 행렬구조해석을 수행하며, 접합부에 서의 실제 변형이나 변위는 경계 조인트에서의 힘 평형으로 부터 유도된다.
  • 이 장에서는 다양한 경계조건을 가지는 기하비선형 보의 축소 모델을 전체 모델 해석 결과와 비교하고 모드 미분 기반 축소 기법의 정확성 및 효율성을 검증하고자 한다.

가설 설정

  • End shortening과 같은 면내변형이 적게 나타나는 문제의 경우 모델 축소 성능이 높다.
  • 기하비선형보 모델의 제원은 Fig. 1과 같이 길이(L), 폭 (b), 높이(h)를 가정하였으며, 사용된 요소는 절점당 3자유도(u, w, Θ)를 가지는 2절점 요소 30개를 사용하였다.
  • 이 기법은 선형 정적해석 문제에 대한 부분구조화 기법으로 항공기 구조물의 응력 및 변형을 보다 효율적으로 계산하기 위해 고안되었다. 서로 인접해 있는 부구조의 경계 혹은 접합부가 완전하게 고정되어 있다는 가정을 통해 각각의 부구조에 대해 독립적인 행렬구조해석을 수행하며, 접합부에 서의 실제 변형이나 변위는 경계 조인트에서의 힘 평형으로 부터 유도된다. 동적해석 문제에 대한 부분구조화 기법은 Hurty(1965)에 의해 개발되었으며, 이 기법은 현대에 가장 널리 사용되고 있는 부분구조합성 기법인 Craig-Bampton method(1968)의 근간이 된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
다중 부분구조합성 기법은 어떻게 이루어지는가? 이는 MacNeal이 제안한 기법을 Free-Free 모드를 근사하는데 확장한 것으로 관성이나 소산에 의한 영향을 잔류영향으로 고려하였다. 다중 부분구조합성 (multiple component mode synthesis) 기법은 구조물이 1차 분할 요소로 나누어지고, 각각의 1차 분할 요소는 2차, 3차, ..., n차 분할요소까지 하위 분할이 이루어진다. 각각의 (n -1)차 분할 요소의 고유모드는 (n)차 분할요소의 고유모드를 일반적인 CMS(component mode synthesis)기법을 이용하여 해석함으로써 계산된다.
다중 부분구조화 기법과 실험적 자가 적응 Newton-Raphson 기법은 어떤 장점이 있었는가? 2차원 비선형 부분구조화를 수행하기 위해 다중 부분구조화 기법과 실험적 자가 적응 Newton-Raphson 기법이 적용되었다. 이는 비선형 문제 해석 시 강성행렬의 재구축에 소요되는 시간을 약 30~50% 정도 감소하였으며, 가우스 적분 수행 시 유효 응력 수준(effective stress level)에 따라서만 강성행렬이 갱신되도록 하였다. 이 기법은 평면응력 및 축대칭 조건 하의 탄소성 동적해석에 적용되었다(Sheu et al.
부분구조화 기법은 왜 고안되었는가? 부분구조화 기법은 Prezemieniecki(1963)에 의해 처음 제안되었다. 이 기법은 선형 정적해석 문제에 대한 부분구조화 기법으로 항공기 구조물의 응력 및 변형을 보다 효율적으로 계산하기 위해 고안되었다. 서로 인접해 있는 부구조의 경계 혹은 접합부가 완전하게 고정되어 있다는 가정을 통해 각각의 부구조에 대해 독립적인 행렬구조해석을 수행하며, 접합부에 서의 실제 변형이나 변위는 경계 조인트에서의 힘 평형으로 부터 유도된다.
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참고문헌 (16)

  1. Bathe, K.-J., Gracewski, S. (1981) On Nonlinear Dynamic Analysis using Substructuring and Mode Superposition, Comput. & Struct., 13, pp.669-707. 

  2. Craig Jr, R.R., Bampton, M.C.C. (1968) Coupling of Substructures for Dynamic Analyses, AIAA J., 6, pp.1313-1319. 

  3. Hurty, W.C. (1965) Dynamic Analysis of Structural Systems using Component Modes, AIAA J., 3, pp.678-685. 

  4. Idelsohn, S.R., Cardona, A. (1985) A Reduction Method for Nonlinear Structural Dynamic Analysis, Comput. Methods Appl. Mech. & Eng., 49, pp.253-279. 

  5. MacNeal, S. (1971) A Hybrid Method of Component Mode Synthesis, Computers and Structures, 1, pp.581-601. 

  6. Ookuma, M., Nagamatsu, A. (1984) Vibration Analysis by Multiple Component Mode Synthesis Method, Bulletin of JSME, 27, pp.1288-1293. 

  7. Przemieniecki, J.S. (1963) Matrix Structural Analysis of Substructures, AIAA J., 1, pp.138-147. 

  8. Rubin, S. (1975) Improved Component-Mode Representation for Structural Dynamic Analysis, AIAA J., 13, pp.995-1006. 

  9. Sheu, C.-H., De Roeck, G., Van Laethem, M., Geyskens, P. (1989) Multilevel Substructuring and an Experimental Self-Adaptive Newton-Raphson Method for Two-Dimensional Nonlinear Analysis, Comput. & Struct., 33, pp.489-497. 

  10. Sheu, C.-H., De Roeck, G., Van Laethem, M., Geyskens. P. (1990) Application of the Substructuring Technique to Non-linear Dynamic Structural Analysis, Comput. & Struct., 35, pp.593-601. 

  11. Sombroek, C., Tiso, P., Renson. L., Kerschen, G. (2016) Numerical Computation of Nonlinear Normal Modes with Modal Derivatives Based Reduced Order Models, ECCOMAS Congress 2016. 

  12. Teunisse, N., Demasi, L., Tiso, P., Rauno, C. (2014) A Computational Method for Structurally Nonlinear Joined Wings Based on Modal Derivatives, 55th AIAA/ASMe/ASCE/AHS/SC Struct. Dyn. & Mater. Conf. 

  13. Weeger, O. (2015) Isogeometric Finite Element Analysis of Nonliear Structural Vibrations, Doctoral Thesis, Technische Universitat Kaiserslautern. 

  14. Weeger, O., Wever, U., Simeon, B. (2016) On the Use of Modal Derivatives for Nonlinear Model Order Reduction, Int. J. Numer. Meth. Eng., 108, pp.1579-1602. 

  15. Wu, L., Tiso, P. (2014) Modal Derivatives Based Reduction Method for Finite Deflections in Floating Frame, WCCM XI/ECCM V/ECFD VI. 

  16. Yaw, L.L. (2009) 2D Corotational Beam Formulation, Walla Walla University. 

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