ABAQUS ELEMENT TYPE 04

이전 포스팅에서 Solid Element를 이용한 요소 타입 선정에 대한 설명을 했습니다.

 

ABAQUS ELEMENT TYPE 01 :: 해석 종류에 따른 요소 타입 설정 방법 ABAQUS ELEMENT TYPE 02 :: Full-Integration 및 Reduced-Integration Element의 장단점과 요소 오류 ABAQUS ELEMENT TYPE 03 :: Hybrid 및 Incompatible Element 장단점 및 요소 오류

 

이번에는 Shell 요소에 대한 설명을 진행하려고 하는데요. 또한, 이러한 Shell 요소는 Mindlin/Reissner 이론을 기반으로 요소 계산을 수행하며, Shell을 구성하는 요소 타입은 아래와 같다.

 

Shell Element : S3/S3R, S4/S4R Membrane Element : S3RS, S4RS, S4RSW Axisymetric Element : SAX1, SAX2

 

Shell 요소는 큰 카테고리로 분류 했을때, Shell Element는 Conventional Shell과 Continuum Shell Element로 구분할 수 있습니다. 가장 큰 차이는 아래 사진처럼 형상에서 드러나는데, Conventional Shell은 Surface 형상을 기준으로 Element를 형성하고, Continuum Shell Element는 3D Solid 형상에 대해 Element를 형성하는 차이가 있습니다. 또한, Geometry의 차이로 인해 Continuum Shell은 두께를 따로 정의해줄 필요가 없지만, Conventional Shell은 Section에서 따로 정의해주어야 합니다.

 

 

Continuum Shell Element

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일반적으로 Continuum Shell 요소는 접촉해석에서 Convectional Shell 대비 더 정확한 데이터를 도출하게 도와주는 요소로 알려져 있습니다. 하지만, 제한적인 부분도 존재하는데요. ABAQUS/STANDARD에서 접촉 조건을 부여할때, 다양한 접촉 조건(Surface to Surface, Node to Surface, Small Sliding, Finite Sliding)을 적용할 수 있습니다. 여기서, Continuum Shell을 이용해 해석할 경우에는 Node to Surface + Finitie Sliding 조건에서 두께 방향의 거동을 고려하지 못하는 단점을 가지고 있다. 또한, 자유도가 X, Y, Z에 대한 거동만 부여할 수 있게 되서 제한적인 움직임을 가지게 된다.

 

Conventional Shell Element

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Conventional Shell Element의 자유도는 1~6 D.O.F. (Degree Of Freedom)이 활성화되어 있기 때문에, 모델 거동에 대한 제한이 적습니다. 또한, 보통 두께가 얇은 Shell 해석에 있어서 Conventional Shell Element는 최고의 퍼포먼스를 발생시키며, Transverse Shear Strain Energy는 다른 요소 대비 더 정확하게 계산된다.

 

이전 포스팅에서 요소 타입과 같이 Shell 요소에서도 요소 오류가 존재하며, 아래와 같이 정리할 수 있다.

 

1. Locking 오류

 

Shell 요소 또한 Solid 요소와 마찬가지로 오류를 가지고 있다. 대표적인 오류는 Locking으로 Transverse Shear Locking 및 Membrane Locking이다. Transverse Shear Locking은 굽힘 방향의 하중에 의해 횡방향의 변형이 가짜로 발생하게 되며, Membrane Locking은 Inextensional Bending 변형에 의해 발생하게 된다. 이 오류는 얇은 두께로 인해 발생하는 문제이며, 요소 타입을 사각 Shell 요소(S4, S4R)를 사용하거나 조금 더 조밀한 요소 망을 구현하는 것이 오류를 피할 수 있는 방법이다.

 

2. Hourglass 오류

 

Shell 요소 또한, Hourglass 모드가 발생할 수 있으며, S3R, S4R과 같은 Reduced Integration Element에서만 발생할 수 있다. 이를 피하기 위해서 이전 포스팅에서 했던 방법과 동일하게 Full-Integration 요소를 사용한다.