ABAQUS ELEMENT TYPE 설명

ABAQUS ELEMENT TYPE에 대한 설명입니다.

ABAQUS ELEMENT TYPE :: Reduced-Integration 및 Full-Integration 요소의 정의, 장단점 및 요소 오류 정의 ABAQUS ELEMENT TYPE :: Reduced-Integration 및 Full-Integration 재 설명 ABAQUS ELEMENT TYPE :: Hybrid Element Volumetric Locking

기존 포스팅에 위와 같이 요소 타입(Full-Integration, Reduced Integration, Hybrid, Incompatible Element)에 대한 설명을 진행했으며, 오늘은 Shell Element에 대한 설명을 하려고 합니다.

일반적으로 Shell 요소는 Mindlin 이론을 기반으로 계산을 하며, Shell 요소는 크게 Conventional Shell과 Continuum Shell로 구성됩니다. 이를 구분하는 기준은 Section에서의 두께 정의의 유무에 따라 달라지게 됩니다. Conventional Shell은 아래 그림과 같이 Surface 기준으로 요소를 구성하여 Section에서 별도의 두께 정의 작업이 필요하나, Continuum Shell은 Solid 형상에 육면체 형태의 요소를 적용하기 때문에 별도의 두께 정의 작업이 필요하지 않습니다.

 

Conventional Shell

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Conventional Shell은 앞서 설명한 것과 같이 Surface 기준으로 요소망이 구성되어 있으며, ABAQUS/CAE 상에서 기본으로 정의되는 S4R이나 S3R과 같은 Shell 요소를 사용하여 정의합니다. 이러한 요소의 자유도는 X,Y,Z 및 각 축의 회전 방향 모두 자유도가 활성화 되어 있기에 모델 거동에 대한 제한이 없으며, 두께가 얇은 해석 및 Transverse Shear Strain Energy는 다른 요소 대비 더 정확한 계산 값을 도출하는 것으로 알려져있습니다.

 

 

Continuum Shell

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Continuum Shell의 경우, 앞에서 설명한 Conventional Shell과 다르게 X,Y,Z 각 축 방향에 대한 자유도만 활성화되어 있다. 또한, ABAQUS STANDARD의 Contact 조건(Node to Surface + Finite Sliding)을 적용할 때, 두께 방향의 변형을 제대로 고려하지 못하여 해석적인 오류가 생길 수 있는 단점을 가지고 있다. 하지만, 그 외의 해석 조건(Surface to Surface+ Small Sliding, Surface to Surface + Finite Sliding)의 경우에는 다른 Shell 요소 보다 접촉 해석에서 더 정확한 데이터를 도출하는 요소로 알려져 있어, 사용자가 상황에 맞게 사용할 필요성이 있다.

Shell 요소는 Full 및 Reduced-Integration 요소 타입과 같이 요소의 오류가 존재한다.

01. Hourglass Mode의 발생

Reduced Integration Element에서 설명한 것과 같이 Shell 요소에서도 Hourglass Mode가 발생할 수 있다. 기본적으로 이것 또한, S3R, S4R, S3RS, S4RS 와 같은 Shell과 Membrane 요소에서 발생할 수 있는 것인데, Reduced Integration 요소에서 해결한 방법과 동일하게 요소타입을 변경하거나 더 조밀하게 요소망을 형성하여 이 오류를 해결 할 수 있다.

02. Transverse Shear Locking의 발생

Full-Integration 요소 및 Hybrid 요소에서 발생한 Locking 문제는 Shell 요소에서 발생할 수 있다. 이는 Transverse Shear Locking과 Membrane Locking이라는 이름으로 불리며, Transverse Shear Locking은 굽힘하중에 의해 횡방향의 변형이 필요 이상으로 발생하여 이러한 현상을 야기한다. 반면, Membrane Locking은 Inextensional 굽힘에 의해 발생하게 되며, 이는 너무 얇은 두께를 정의하여 발생하는 문제이다. 이것 또한, 요소타입의 변화나 조밀한 요소망을 이용해 해결할 수 있다.