Abaqus 요소 유형 소개

시뮬레이션에 사용할 Abaqus 요소 유형을 선택하는 데 어려움을 겪고 계신가요? 자, 이제 질문 하나 드리겠습니다. Abaqus에 대해 잘 알고 계신가요? 아시다시피, 적절한 요소 유형을 선택하는 것은 중요하며, Abaqus 요소 라이브러리는 다양한 옵션을 제공합니다!

이 글에서는 Abaqus 요소 유형을 몇 가지 주요 방식으로 분류하여 자세히 살펴보겠습니다. 시작하기 전에 팁을 드리자면, 요소 유형을 분류할 수 있는 다섯 가지 측면(아마 더 많을 수도 있음)이 있습니다. 자, 그럼 본격적으로 시작해 볼까요?.

1. Abaqus 요소 유형 소개

Abaqus 요소 유형을 아는 것은 Abaqus 요소를 이해하고 시뮬레이션에 적합한 요소 유형을 선택하는 첫 번째 단계입니다. Abaqus 요소는 5가지 측면으로 분류할 수 있습니다.

1. 가족
2. 노드 수
3. 자유도
4. 공식화
5. 완성

각각을 정의해 보겠습니다.

1.1. 가족

유한 요소군은 다양한 유형의 요소를 그룹화하는 가장 일반적인 방법입니다. 이는 사용 가능한 모든 특정 유형의 요소를 포괄하는 큰 범주와 같습니다. 요소군 간의 주요 차이점은 각 요소가 가정하는 기하 구조입니다.

그림 1에서 공통적인 원소군을 볼 수 있습니다.

그림 1: 공통 원소 패밀리

1.2. 노드 수(보간)

여러 블록이 모여 복잡한 구조를 형성하는 것을 상상해 보세요. 이러한 블록들은 세상에서 유한요소해석 (FEA)는 요소라고 합니다. 각 요소는 절점(node)이라고 하는 연결점으로 구성됩니다. 요소의 절점 수는 제어 손잡이와 같은 역할을 합니다. 절점이 많을수록 요소의 움직임 자유도(자유도)가 커져 더 유연해지고, 더욱 사실적으로 굽히고 변형할 수 있습니다.

이러한 변형 능력은 연결 지점 간의 동작을 보간하거나 추정하는 방식에 따라 더욱 영향을 받습니다. 노드 수는 이 보간에 사용되는 전략을 결정합니다. Abaqus(및 대부분의 다른 고급 솔버)에는 선형과 이차라는 두 가지 주요 접근 방식이 있습니다.

• 1차(선형): 이 접근법은 세 개의 절점을 가진 삼각형처럼 모서리에만 절점이 있는 요소에 가장 적합합니다. 하지만 요소 내부의 일정한 변형률 상태만 표현할 수 있어 복잡한 변형을 포착하는 데 제한이 있습니다.
• 2차(2차): 이 접근법은 더욱 다재다능하며, 모서리 절점과 중간 절점이 모두 있는 요소, 예를 들어 네 개의 절점을 가진 사각형에 사용됩니다. 2차 보간은 요소 내에서 동작의 점진적인 변화를 허용하여 굽힘 및 변형을 더욱 사실적으로 시뮬레이션합니다.

1차 및 2차 보간을 더 잘 이해하려면 그림 2를 참조하세요.

그림 2: 1차 및 2차 보간

1.3. 자유도

요소에서 각 노드는 다양한 자유도(DOF)를 갖습니다. 자유도는 본질적으로 해석을 통해 해결되는 미지수입니다. 이러한 자유도는 요소가 응력 하에서 어떻게 동작할지를 결정합니다.

이러한 자유도는 요소의 노드에 위치하며 다음과 같은 기본적인 물리량을 나타냅니다.

• 변위: 노드가 서로 다른 방향(예: 위/아래, 왼쪽/오른쪽)으로 얼마나 이동할 수 있는지.
• 회전: 요소가 얼마나 꼬이거나 회전할 수 있는지.
• 온도: 요소 내의 온도 변화(열 분석의 경우).
• 전기적 전위: 노드의 전압(전기적 분석을 위해).

1.4. 제형

요소를 분류하는 또 다른 방법 유한요소해석 (FEA)는 요소의 거동을 설명하는 데 사용되는 수학 방정식입니다. 이러한 방정식은 본질적으로 요소가 힘과 변형에 어떻게 반응할지를 결정하는 청사진과 같은 역할을 합니다.

더 큰 시스템 내의 작은 부분(요소)의 동작을 모델링합니다. 두 가지 주요 공식이 있습니다.

• 라그랑지안: 요소들은 자신이 나타내는 재료와 함께 움직이고 변형됩니다. 이는 고체의 응력이나 변위 등을 분석하는 데 유용합니다.
• 오일러: 원소는 공간에 고정되어 있고, 물질은 그 안을 흐릅니다. 유체를 시뮬레이션하는 데 더 적합합니다.

이 두 가지 주요 유형 내에는 특정 상황을 고려한 추가적인 변형이 있을 수 있습니다. 예를 들어, 셸(곡선 요소)의 경우 응력 조건에 따라 얇거나 두꺼운 셸을 선택할 수 있습니다.

기타 추가 변형:

• 평면 변형률
• 소변형 쉘
• 평면 응력
• 유한 변형률 쉘
• 하이브리드 요소
• 비호환 모드 요소

1.5. 통합

이제 문제는 이러한 공식을 유한요소해석에서 어떻게, 어디에 구현할 것인가입니다. 바로 이 부분에서 적분이 중요한 역할을 합니다.

Abaqus는 적분이라는 수치적 방법을 사용하여 요소 내의 재료 거동을 계산합니다. 요소를 여러 개의 작은 점(적분점)으로 나눈다고 가정해 보겠습니다. 그러면 소프트웨어는 각 점에서 재료의 거동을 파악합니다. 적분점이 많을수록 결과는 더 정확해지지만, 계산에 더 많은 컴퓨터 성능이 필요합니다.

Abaqus는 효율성 향상을 위해 더 적은 적분점을 사용하는 "축소 적분" 옵션을 제공합니다. 이를 통해 계산 속도를 크게 높일 수 있습니다. 하지만 주의하세요! 축소 적분을 잘못 사용하면 분석 결과가 부정확하거나 오해의 소지가 있을 수 있습니다.

통합 옵션을 이해하고 보간과의 관계를 확인하려면 그림 3을 참조하세요.

그림 3: 완전 통합 및 축소 통합

2. Abaqus 요소 차원 소개

이제 질문이 생깁니다. 모델에 적합한 요소를 어떻게 선택해야 할까요? 단일 모델에 여러 유형의 요소가 적용될 수 있는데, 어떤 요소를 사용해야 할까요? 대부분의 분석가는 문제의 물리 법칙을 구현하기 위해 시뮬레이션을 단순화하는 요소를 선택해야 한다고 생각합니다.

이 문제를 해결하려면 먼저 문제의 차원(1차원, 2차원 또는 3차원)을 파악해야 합니다. Abaqus 요소 라이브러리는 다음과 같은 범주로 이러한 상황을 처리합니다.

• 1차원 요소
• 2D 요소
• 3D 요소
• 원통형 요소
• 축대칭 요소

이러한 분류는 요소를 범주화하는 또 다른 방식(측면)을 나타냅니다. 하지만 위에서 각 범주를 정의하기 전에, 문제의 공간적 차원과 요소의 차원의 차이점을 살펴보겠습니다.

그림 4: 요소 치수

2.1. 공간 차원 vs 요소 차원

특별 프로젝트를 위해 레고를 사용하여 자동차 모형을 만든다고 상상해 보세요. 공간 차원성과 요소 차원성이 어떻게 작용하는지 살펴보겠습니다.

• 공간 차원성: 이는 자동차 전체가 존재하는 실제 차원의 수를 나타내는데, 이 경우에는 3D(3차원)입니다. 자동차는 길이, 너비, 높이를 가지고 있습니다.
• 요소 차원성: 이는 레고 브릭 하나를 정의하는 데 필요한 차원의 개수를 나타냅니다. 우리가 사용하는 대부분의 레고 브릭은 단순하며 1차원(1차원) 길이로 정의할 수 있습니다. 브릭의 크기를 알려면 길이라는 하나의 숫자만 있으면 됩니다.

하지만 더 복잡한 레고 조각을 고려하면 흥미로운 점이 있습니다.

• 예시 1: 빔 레고 블록: 이 블록은 실제 빔과 유사하게 길고 가늘 수 있습니다. 블록 자체는 길이(1차원)로 정의될 수 있지만, 빔 레고 블록은 폭과 두께(3차원 공간)를 가진 실제 빔을 나타내도록 설계되었습니다. 따라서 요소의 차원은 1차원이지만 3차원 공간 모델에 기여합니다.
• 예시 2: 레고 판: 이 평평한 판은 길이와 너비(2차원)로 정의될 수 있습니다. 빔과 마찬가지로 레고 판은 특정 두께(3차원)를 가진 실제 물체를 나타냅니다. 따라서 요소의 차원은 2차원이지만 3차원 공간 모델에 기여합니다.

핵심 요점:

• 공간 차원성은 전체 모델/객체가 차지하는 차원의 수를 알려줍니다(예: 자동차는 3D입니다).
• 요소 차원은 모델의 단일 구성 요소를 정의하는 데 필요한 차원 수를 알려줍니다(예: 대부분의 레고 블록은 1차원인 반면, 플레이트는 2차원입니다).
• 요소의 차원이 낮더라도 여전히 더 높은 차원의 공간에 있는 객체를 표현할 수 있습니다(예: 레고 블록과 판은 3D 자동차 모델을 만드는 데 사용됩니다).

2.2. 1차원 요소

• 때때로 "링크" 또는 "라인" 요소라고도 합니다.
• 부하 및 플럭스를 전송하는 데 사용할 수 있습니다.
• 일반적으로 긴 부재 구조에 사용됨
• 두 개의 노드로 정의
• 복잡한 형상이나 국부 응력(예: 응력 집중, 노치, 구멍)을 모델링하는 데 적합하지 않습니다.

보를 사용하여 간단한 모형을 만든다고 상상해 보세요. 이 보는 1차원 요소와 같습니다. 길고 얇은 구조물에 사용하기 쉽고 전체 구조물의 강성을 나타낼 수 있습니다. 또한 구조물의 전반적인 응력을 보여주는 데도 유용합니다. 하지만 매우 복잡한 형상을 처리하거나 응력이 가장 높은 곳(예: 날카로운 모서리)을 정확하게 보여주지는 못합니다.

2.3. 2D 요소

• 이들은 기하학적으로 2차원으로 표현됩니다.
• 삼각형(2차의 경우 3개의 노드, 3개의 중간 측면 노드) 또는 사각형(2차의 경우 4개의 노드, 4개의 중간 측면 노드)일 수 있습니다.
• 평면: 예를 들어 쉘 요소
• 일반적인 것은 평면응력과 평면변형률입니다.

2차원 요소(2D)는 삼각형이나 사각형과 같은 평평한 도형으로, 2차원 모델을 만드는 데 사용됩니다. 평평한 물체에 사용하거나 3D 물체의 단면을 표현하는 데 사용할 수 있습니다. 이러한 요소는 평평한 금속판의 응력이나 얇은 벽에 작용하는 힘과 같은 요소를 분석하는 데 유용합니다.

2.4. 3D 요소

• 종종 고체 요소라고 함
• 공간 차원성과 요소 차원성은 하나입니다.
• 기하학이나 하중 조건이 너무 복잡한 경우에 사용됩니다.
• (대부분은) 보이는 것이 전부입니다.

정육면체나 다른 도형과 같은 실제 3D 물체로 모델을 만든다고 상상해 보세요. 이것들은 3D 요소입니다. 모델링하는 도형이 복잡하거나 도형에 작용하는 힘이 사방에서 오는 경우에 가장 적합합니다. 모델이 완전히 3D이므로, 응력이나 변형률과 같은 결과도 3D로 표현되어 모든 방향에서 모든 것이 어떻게 영향을 받는지 정확하게 보여줍니다.

2.5. 원통형 요소

• 고체 원소의 특수 분류
• 비축대칭 하중을 받는 원형 또는 축대칭 형상의 구조물을 모델링하는 데 사용됩니다.
• 원형 물체의 곡선 모양의 경우 메시 세분화가 덜 필요하므로 컴퓨팅 능력도 덜 필요합니다.

2.6. 축대칭 요소

• 축대칭 요소는 중심 축을 중심으로 회전 대칭인 물체에 사용됩니다.
• (고급 공식을 제외하고) 축대칭 하중 조건이 필요합니다.
• 축대칭 하중과 기하학을 통해 2D 요소로 3D 본체를 모델링할 수 있습니다.
• 축대칭 문제에서는 응력이 회전 각도와 무관합니다.
• 단일 2D 평면(요소)은 축대칭 문제에 대한 3D 공간을 나타냅니다.
• 예: 내부 압력을 받는 두꺼운 벽의 원통형 압력 용기.

3. 요약

이 블로그 게시물에서는 유한요소해석(FEA) 시뮬레이션에 필수적인 Abaqus 요소 유형을 소개하고자 했습니다. 적절한 요소 유형 선택은 시뮬레이션의 정확도와 효율성에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

이 블로그는 Abaqus 요소를 패밀리, 노드 수, 자유도, 공식화, 적분이라는 다섯 가지 핵심 요소로 분류합니다. 각 요소를 그림과 함께 자세히 설명하여 개념을 설명합니다. 예를 들어, 패밀리 요소에서는 솔리드, 셸, 보 등과 같은 일반적인 요소 패밀리를 다룹니다.

그런 다음 요소 차원(1D, 2D, 3D 등)을 자세히 살펴보고 공간 차원과 요소 차원의 차이점을 명확히 했습니다. 이를 통해 저차원 요소도 고차원 객체를 표현할 수 있음을 강조했습니다. 마지막으로, 1D 요소(보), 2D 요소(판), 3D 요소(솔리드), 원통형 요소, 축대칭 요소 등 차원에 따라 다양한 유형의 요소를 설명합니다.

이제 Abaqus 요소 유형에 대한 기본 사항을 배웠습니다. 그렇다면 요소와 메시의 차이점은 무엇일까요? 다음 글을 읽고 이해해 보세요.“Abaqus 메시 마스터하기: Abaqus의 메시 생성 기술 가이드“

또한, 언제든지 다음에서 더 많은 정보를 얻을 수 있습니다. Abaqus 문서.

또는 이 기사에서 막과 껍질과 같은 특정 유형의 요소에 대한 귀중한 정보를 찾을 수 있습니다. 껍데기 VS 막

하지만 여전히 몇 가지 의문점이 남았습니다.

• 시뮬레이션에 가장 적합한 요소 유형을 선택하는 방법은 무엇입니까?
• 원소의 이름을 어떻게 지을까?
• 연속체 요소란 무엇인가요?
• …

계속 지켜봐 주시면 다음 블로그에서 이 모든 질문에 답해 드리겠습니다. Abaqus 요소 유형

최고의 행운을 기원합니다.

모든 수준의 사용자를 위한 무료 PDF 가이드와 자세한 동영상이 포함된 포괄적인 Abaqus 튜토리얼 페이지를 살펴보세요. 무료 및 프리미엄 패키지와 함께 Abaqus를 효율적으로 마스터하는 데 필요한 필수 정보를 확인하세요. Abaqus 여정을 시작하세요. Abaqus 튜토리얼 지금!