ABAQUS 기초 교육 ( ELEMENT )

안녕하세요

이번 포스팅은 앞에서 배운 Beam을 이용해서 Element Type에 대해서 설명을 하려고 합니다.

Element Type

ABAQUS에서의 대표적인 Element는 Solid, Shell, Beam가 있습니다. 이것을 구분짓는 것은 Continuum Element(Solid)로 Structural Elements( Shell, Beam)으로 구분이 되어집니다. 일반적으로 ContinuumElement와 Structural Element를 사용해서 해석할 수 있는 모델이 있다고 한다면, 해석 속도는 모델 형상에 대한 단순화가 되는 Structural Element가 더 빠르게 수행될 것입니다. 하지만, 두께 방향에서 일어나는 거동을 모두 표현하기에는 Structural Element가 부족한 부분이 있기 때문에, Continuum Element를 사용합니다. 이렇게 두 가지 Element 집합의 장점, 단점이 존재하기 때문에 사용자의 적절한 판단으로 Element를 사용해야 합니다.

또한, 아래 그림과 같이 적분점에 따라 Element를 구분을 짓기도 합니다. 그것은 대표적으로 Full integration element와 Reduced Integration Element가 있습니다. 두 Element Type에 대한 설명은 아래에서 더 자세히 설명할 수 있도록 하겠습니다.

1. First-Order Reduced Integration Element

설명 )

미소 변형을 일어나는 해석을 수행할 때 Reduced Integration Element를 사용하게 됩니다. 그 이유는 Reduced Integration Element는 빠른 해석 능력과 다른 Element Type과 비교해도 정확도에서 차이가 안나는 장점을 가지고 있기 때문에 미소 변형에 대해서는 사용합니다. 또한, 이 요소 타입은 Bulk Metal Foaming 해석과 같은 과도한 Mesh 변형이 필요한 해석에서 적절하게 사용될 수 있습니다. 

Reduced integration Element 사용시 문제 )

일반적으로 과도한 변형이 경계조건으로 적용될때, Mesh의 불 안정성으로 인해 Element가 모래시계 모양으로 변화하는 Hourglass 라는 이름의 문제가 발생하게 됩니다. 이것은 다른 말로 Zero Strain Energy라고도 하는데요. 그 이유는 위와 같은 문제가 발생했을 경우에 Integration Points에 Strain Energy가 0를 가지고 있기 때문입니다. 해결 방안으로는 Reduced Integration에서 Full Integration 요소로 바꾸거나 Mesh를 더욱 조밀하게 만들면 됩니다.

2. First-Order Full Integration Element

설명 )

Full Integration Element는 전반적인 부분에서 해석에 이용되어지고 있으며, 복잡한 형상, 비선형(Nonlinear), 고무 해석과 같은incompressible 재질의 해석을 수행할 때 사용하게 됩니다. 또한, 이 Element는 Reduced Integration보다는 해석 속도가 느리지만, 더 정확한 값을 도출할 수 있는 장점이 있습니다.

Full integration Element 사용시 문제 )

Reduced Element와 비슷하게 Bending Moment에 대해서 굽힘이 요소에 제대로 적용되지 않아 발생하는 Shear Locking입니다. 이것은 응력이 과도하게 튀는 것을 볼 수 있는데, 그 이유는 굽힘이 Shear의 힘으로 적용이 되면서 Stress 분포가 거짓으로 나오는 결과를 볼 수 있습니다. 또한, 이것을 해결하는 방법으로는 Full Integration Element를 Reduced로 바꿔주시면 됩니다.

Hourglass Mode

위 모델은 Hourglass mode에 대한 Workshop입니다.

튜토리얼처럼 모든 과정이 다 있기 때문에 보면서 따라하시면 좋을 것 같습니다.