초록 ▼

연구의 목적 및 내용
<연구목표>
1) 차세대 전산역학 기술로서 Flexible-mesh 기반 CAE 기술을 개발하여 CAE 기술을 혁신적으로 개선
2) 변절점 요소 관련 기법을 이용한 Flexible-mesh 기반 멀티스케일 해석 기법을 제시
3) 멀티스케일 해석기법 응용사례 구축 - microstructures 해석 및 설계, 나노 소재/시스템 해석
<연구내용>
Flexible-mesh 기반 CAE 기술은 현재 기계, 토목, 항공, 조선, 재료 분야에서 널리 쓰이는 유한요소구조해석 기술의 차세대

연구의 목적 및 내용
<연구목표>
1) 차세대 전산역학 기술로서 Flexible-mesh 기반 CAE 기술을 개발하여 CAE 기술을 혁신적으로 개선
2) 변절점 요소 관련 기법을 이용한 Flexible-mesh 기반 멀티스케일 해석 기법을 제시
3) 멀티스케일 해석기법 응용사례 구축 - microstructures 해석 및 설계, 나노 소재/시스템 해석
<연구내용>
Flexible-mesh 기반 CAE 기술은 현재 기계, 토목, 항공, 조선, 재료 분야에서 널리 쓰이는 유한요소구조해석 기술의 차세대 기술로서 다음과 같이 기존의 CAE 기술과 차별된 연구 내용을 포함한다.
1) 유한요소망(finite element meshes)의 구성이 무요소법(meshfree methods)처럼 자유로우면서도(flexible) 유한요소법이 지니고 있는 강건성을 지니고 있어 무요소법과 유한요소법의 장점을 균형 있게 갖고 있으며, 이로부터 응용성과 편의성을 혁신적으로 개선함. 2차원 평면요소까지만 완성되어 있는 Flexible-mesh 기반 요소를 3차원 평판 및 쉘, 3차원 다면체 요소까지 확장하여 유한요소법으로 대변되는 현재의 CAE 기술을 혁신함. 특히 부분구조해석, 전역국부해석, 접촉역학, 복잡한 3차원 구조물 해석의 적응격자 세분화 기법을 획기적으로 용이하게 함.
2) Flexible-mesh 기반 요소를 개발하여 Flexible-mesh 기반 멀티스케일(multiscale) 기술을 확립함. 주로 연속체 구조해석에 쓰이고 있는 현재의 CAE 기술 응용범주를 연속체 멀티스케일 해석에까지 확장할 수 있도록 하여 CAE 기술의 응용 영역을 획기적으로 넓힘. 예로서 microstructure를 갖는 재료의 해석, 기계적 물성(탄성계수, 파괴인성 등) 해석 및 설계 영역에까지 CAE 기술을 보편화 시킬 수 있는 기반을 제공함.
3) Flexible-mesh 기반 멀티스케일 기술을 본 연구실에서 보유하고 있는 기술인 준연속체 방법(quasicontinuum, QC)에 확장 적용하여 연속체/원자 멀티스케일 해석기술에까지 확장함. 응용예로서 microstructures를 갖는 재료의 파단 거동, CNT(Carbon Nanotube)와 같은 나노 소재/시스템의 나노스케일 거동을 규명함.
연구결과
1) 새로운 Flexible-mesh 기반 유한요소법의 개발과 탄소성 해석을 위한 정식화
- 안정화 절점적분이 적용된 2차원 Flexible-mesh 기반 변절점 요소의 개발 및 응용
- Flexible plate-shell 요소의 개발
- 3차원 Flexible-mesh 기반 다각뿔/다면체 요소의 개발 및 응용
- Flexible-mesh 기반 요소를 탄소성 문제에 적용하기 위한 정식화 및 solid-shell 요소 개발과 용접공정 해석 적용
2) 연속체 역학에 대한 Flexible-mesh 기반 요소의 활용
- Microstructures를 포함하는 불균질 재료 내의 균열진전 해석
- 균질화 기법을 이용한 3차원 구조물의 멀티스케일 해석 및 충격하중을 받는 재료의 microstructures 모델링과 해석
3) 나노스케일 해석을 위한 멀티스케일 기법의 개발과 적용
- 변절점 요소를 적용한 적응격자 세분화 준연속체 방법의 개발과 응용
- 탄소나노튜브 해석을 위한 양자/준연속체 방법의 결합 기법 개발
- 나노 구조물의 기계적 특성 해석
- 병렬처리 시스템의 구축 및 보강
연구결과의 활용계획
1) Flexible-mesh 기반 CAE 기술을 통해 유한요소법의 최대 난제 중 하나인 요소망 구성의 어려움을 극복할 수 있음. 이를 자동차, 조선, 항공, 토목 등의 산업계에서 많이 쓰이고 있는 CAE 기술과 접목하기 위해서 국내 CAE 회사에 기술이전을 하거나 독립된 소프트웨어로서 산업계에 제공할 계획임.
2) 구조해석/설계에 주로 쓰이는 현재의 CAE 기술을 재료의 물성 및 microstructures의 해석/설계, 다기능성 재료의 해석/설계, 나노시스템 및 나노디바이스의 해석/설계에까지 확장하는 Flexible-mesh 기반 멀티스케일 기술의 다양한 적용사례를 구축하고자 함.
3) 개발된 Flexible-mesh 기반 CAE 기술을 접촉역학, 전자기학 해석 등 다양한 다중물리 시스템 해석에 적용하고자 함.

Abstract ▼

Purpose & contents

1) Enhancement of CAE technology by development of Flexible-mesh based CAE technology as a next generation computational mechanics technology
2) Proposal of Flexible-mesh based multiscale analysis method by using variable-node element technique
3) Constructio

Purpose & contents

1) Enhancement of CAE technology by development of Flexible-mesh based CAE technology as a next generation computational mechanics technology
2) Proposal of Flexible-mesh based multiscale analysis method by using variable-node element technique
3) Construction of various application of multiscale analysis method – analysis/design of microstructures, and nanomaterial/system

Flexible-mesh based CAE technology is a next generation finite element (FE) structural analysis technology in mechanics, civil, aeronaut, shipbuilding and material engineering. It contains next generation research contents different from a conventional CAE technology.
1) It dramatically enhances applicability and convenience because of its flexibility in construction of FE meshes. Flexible-mesh based elements are extended to three-dimensional plate, shell and polyhedral elements from two-dimensional elements so that they innovate current CAE technology represented by the FEM. Especially it facilitates adaptive mesh refinement technique in subdivided structural analysis, global-local analysis, contact mechanics, three-dimensional complex structure analysis.
2) Flexible-mesh based multiscale technique is established by development of flexible-mesh based element. Application category of the current CAE technology is extended from continuum structural analysis to continuum multiscale analysis. As an example, it provides a base for a generalization of CAE technology from analysis of material with microstructure and mechanical properties (e.g. elastic modulus, fracture toughness).
3) Flexible-mesh based multiscale technique is extended and applied to quasicontinuum method for continuum/atomistic multiscale analysis technique. For an example of application, fracture of material with microstructures and nanomaterial/system, such as carbon nanotubes (CNTs) is investigated.
Result
1) Development of new flexible-mesh based FEM and formulation for elasto-plastic analysis
- Development and application of two-dimensional flexible-mesh based variable-node elements with stabilized conforming nodal integration (SCNI)
- Development of flexible plate-shell elements
- Development of three-dimensional flexible-mesh based poly-pyramid/polyhedral elements and their applications
- Formulation of flexible-mesh based element for elasto-plastic analysis and development of solid-shell elements and their application to welding process analysis.
2) Various applications of flexible-mesh based elements for continuum mechanics
- Analysis of crack propagation in inhomogeneous material with microstructures
- Mutliscale analysis of three-dimensional structures by homogenization technique, and microstructure modeling and analysis of material under impact loading conditions
3) Development and application of multiscale analysis for nanoscale analysis
- Development and application of quasicontinuum methods using adaptive mesh refinement with variable-node elements
- Development of quantum/quasicontinuum mutilscale analysis method for CNT analysis
- Analysis of mechanical property for nanostructures
- Construction and reinforcement of parallel computation systems
Expected Contribution
1) Difficulty in construction of mesh, which is one of the critical barriers in FEM is overcome by flexible-mesh based CAE technology. It is planned to be provided to industries by technology transfer or independent software for grafting CAE technology widely used in automotive, shipbuilding, aeronaut and civil engineering.
2) Various applications of flexible-mesh based multiscale technology is planned to be constructed covering from structural analysis/design in current CAE technology to analysis/design of mechanical property of material with microstructures, multifunctional materials, nanosystems and nanodevices.
3) Developed flexible-mesh based CAE techonolgy is planned to be applied in multiphysics system analysis such as contact mechanics, and electromagnetic analysis.

목차 Contents

• 도약연구사업 최종보고서(제출용) ... 1
• 목 차 ... 2
• 연구계획 요약문 ... 3
• 연구결과 요약문 ... 4
• 한글요약문 ... 4
• SUMMARY ... 5
• 연구내용 및 결과 ... 6
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 11
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 19
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 70
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 73
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 75
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 79
• 8. 참고문헌 ... 80
• 9. 연구성과 ... 83
• 10. 기타사항 ... 89