아바쿠스를 사용한 여러 해석 문제를 풀기 위해서 다양한 'Element Type'을 설정해서 사용합니다. Component의 재료와 해석의 종류에 따라 설정되는 요소 타입이 다릅니다.
오늘은 어떤 재료 혹은 어떤 해석의 종류에서 어떤 Element Type이 사용되는지에 대해 여러분과 공유하고자 합니다. 해석을 수행함에 있어 기본이 되는 내용이니 참고해주세요.
[추천글] ABAQUS command cmd 명령어 모음 (해석, 자동화 관련)
[추천글] ABAQUS Conventional, Continuum Shell (아바쿠스, Shell Element)
Element Type 종류
형상에 따른 요소 타입은 크게 Beam, Shell, Membrane, Solid Element로 나눌 수 있습니다. 여기서도 Optional 하게 Reduced(R), Modified(M), Incompatible(I) 등으로 설정 가능합니다. 오늘은 Optional Element Type에 대해 설명하겠습니다.
- Beam : B11, B32
- Shell : S4R
- Membrane : M3D4R
- Solid : C3D8R, C3D4
아래의 그림은 아바쿠스 매뉴얼에서 확인할 수 있는 Element Type에 관한 설명이며 1D, 2D, 3D, 축 대칭에 해당하는 요소의 요소 타입의 Naming Rule 입니다.
Reduced Element
아바쿠스에서 기본(Default) 설정 값으로 지정된 Element Type 입니다. 이 뜻은 요소 타입을 따로 건드리지 않으면, 모두 해당 타입으로 지정되어 해석을 수행한다는 말입니다. 장점은 빠른 해석, 단점은 Hourglass 현상입니다. 이는 요소의 변형은 매우 크지만, 해당 요소의 Strain이 0인 것을 확인할 수 있습니다.
Hourglass 현상은 Element의 적분점 부족으로 생기는 문제인데, Enhanced Hourglass Mode 설정으로 해결할 수 있습니다. 이러한 비정상적인 변형 때문에 미소변형이 발생하는 해석에 추천되지만, 라이센스의 제약으로 대변형 해석에서도 사용하는게 실상입니다.
Reduced Element : C3D8R, C3D8RH, S3R, S4R, M3D3R, M3D4R
해당 요소 타입에 의한 Hourglass 제거를 위해서는 기본적으로 'Full Integration Element'로 바꿔줘야 하지만, 해석 수행 시간 증가와 더불어 Shear Locking Error가 발생할 수 있기 때문에 주의해야합니다.
Hybrid Element
아바쿠스에서 수행하는 해석 중 고무와 같은 비압축 재료의 물성을 효과적으로 계산하기 위한 Element Type 입니다. 비압축성 재료란 포아송비가 0.5인 재료를 말하는데, 이상적인 고무의 물성이 여기에 속합니다. 사실 포아송비가 0.5인 재료의 행렬 연산 자체가 오류이기 때문에 아바쿠스에서는 이를 원활히 연산할 수 있는 요소 타입을 제공합니다.
아바쿠스에서 'Hybrid Element'로 설정해야 하는 포아송비의 임계값은 0.495이니, 참고해주세요. 다른 요소 타입을 사용하면 아바쿠스 dat 파일에서 Error 메세지가 출력됩니다.
Hybrid Element : C3D4H, C3D6H, C3D8H, C3D8RH
'Hybrid Element'를 사용할 때도 요소 오류가 존재합니다. 이는 'Volumetric Locking' 현상으로 불리는데 'Hourglass Mode'와 비슷한 형상이지만 Integration Point에서의 Strain은 0이 아니며, 비압축성 재료의 Full Integration Element에서 나타나는 현상이기 때문에 해결을 위해서는 Reduced Element로 바꿔주면 됩니다.
Incompatible Element
해당 요소는 보통 Bending 변형을 일으키는 Component에 적용되어 효과적으로 행렬 연살을 하는 Element Type 입니다. 'Incompatible Element'는 Full Integration Element 이기 때문에 Hourglass Mode가 발생하지는 않습니다. 해당 요소는 Bending 변형 이외에도 소성과 접촉 문제를 효율적으로 계산한다고 알려져 있지만, Abaqus Standard에서 사용시 자주 수렴되지 못하는 경우가 발생합니다.
Incompatible Element : C3D8I, C3D8IH
'Incompatible Element' 역시 다른 요소 타입과 마찬가지로 고유의 Error를 가지고 있습니다. 해당 요소를 사용하기 위해서는 요소가 Parallel 하게 만들어질수록 정확한 해석 결과를 도출하며, 사다리꼴로 가면 갈수록 정확도가 현저하게 떨어지게 됩니다. 깍두기가 네모날 수록 좋다라는 말입니다.
마무리
이상으로, Optional 하게 사용할 수 있는 Element Type에 대해 알아보았습니다. 중요한 점은 각 요소 타입이 가지고 있는 고유의 Error가 있다는 것입니다. 해석 결과를 확인해 보시고 문제가 발생하면 아래 가이드와 같이 대처해주면 됩니다.
Hourglass : Enhance Mode 설정, Full Integration
Shear Locking : Reduced Element
Volumetric Locking : Reduced Element
Incompatible 사다리꼴 요소로 해석 정확도 저하 : Remesh
댓글