ABAQUS ELEMENT TYPE 02

이전 포스팅에서 설명한 것과 같이 ABAQUS에서는 해석의 종류 및 상황에 따라 다양한 요소를 사용하게 된다. 이것을 기반으로 이번 포스팅에서는 어떤 상황에 어떤 요소를 적용해야하는 지에 대한 포스팅을 시작하려 한다.

 

ABAQUS ELEMENT TYPE 01 :: 해석 종류에 따른 요소 타입 설정 방법

 

Reduced-Integration Element

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먼저 Reduced-Integration Element에 대한 설명이다.

Reduced-Integration Element는 ABAQUS에서 Naming Rule에 따라 요소 타입을 나타냈을때, C3D8R로 표현할 수 있다. 또한, 이 요소는 아래 그림과 같이 하나의 Integration Point를 갖는다. 여기서 Integration Point는 해석상에서 수치해석 계산 포인트라고 생각하면 된다. 이와 같이 하나의 계산점을 가지고 있는 요소는 빠른 해석 속도를 자랑하지만, 해의 정확도가 떨어지는 결과를 가져올 수도 있다. 그래서 보통 Reduced Integration Element를 사용할 때는 미소변형을 하는 구조물에서 사용하거나 접촉 조건이 적용된 모델에서 사용된다.

(Full-Integration Point를 사용하는 것이 일반적이나 접촉 부분에 100개의 Full-integration의 요소를 사용하는 것보다 400개의 Reduced Integration Element를 사용하는 것이 낫다고 한다. )

 

Reduced-Integration Element는 굽힘 방향의 외력에 의해 요소의 오류가 발생할 수도 있다. 이를 Hourglass Mode라고 하며, 한글로 번역하면 모래시계라는 의미이다. 이것은 아래 그림과 같이 2단의 Reduced-Integration Element에 굽힘 방향의 힘이 적용되면서 파란색 선과 같이 생각치 못하게 변형된 형상을 도출하는 것을 알 수 있다. 여기서 특이점은 Integration Point 에서 Strain Energy가 0로 나타나게 된다는 점이며, 이로 인해 Hourglass Mode는 Zero-Strain Energy라는 다른 이름도 갖게 되었다. 일반적으로 아래와 같은 오류는 적분점(Integration Point)의 부족으로 인해 발생하며, 아래 그림과 같은 오류가 발생할때 Full-Integration 요소로 변환만 시켜준다면 오류를 해결할 수 있다.

 

 

Full-Integration Element

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두번째, Full-Integration Element(C3D8)이다.

Full-Integration Element는 Reduced Element보다 더 많은 적분점을 가지고 있으며, 이로 인해 수치해석 결과에 대한 정확도가 높다고 평가 받고 있는 요소이다. 반면에, 많은 적분점을 가지고 있어 해석 수행 시간이 길다는 단점을 가지고 있다. 

 

Full-Integration Element는 Reduced-Integration Element와 마찬가지로 굽힘 방향의 힘에 의해 발생할 수 있는 요소의 오류를 가지고 있다. 이것은 Shear Locking이라고 불리며, 굽힘 방향에 제대로 반응하지 못하여 요소가 사다리꼴 형태로 변형하는 것을 말한다. 하지만, 이 요소는 Strain Energy가 0이 아니며, Stress만 비정상적인 분포를 나타낸다.

 

Shear Locking이 발생할 때, Full-Integration 요소를 Reduced-Integration 요소로 바꾸어 이 오류를 회피할 수 있다.