KR100340745B1 - 공학구조물의 역학적 분석방법 - Google Patents

공학구조물의 역학적 분석방법 Download PDF

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본 발명은 공학적 구조물의 역학적 분석방법에 관한 것이다.본 발명에 따른 공학 구조물의 역학적 분석방법은 구조해석 대상물의 유형인 단순보, 외팔보, 걸친보 및 트러스 중 어느 하나를 선택하는 단계와, 선택된 대상물 유형의 형상을 입력하는 단계와, 선택된 대상물의 단면치수, 면적관성모멘트 및 단면계수, 선형탄성계수를 순차적으로 입력하는 단계와, 선택된 대상물의 재질을 선택하는 단계와, 선택된 대상물에 적용되는 하중의 형태, 하중이 작용하는 범위 및 크기를 순차적으로 입력하는 단계와, 입력값을 고려하여 선택된 대상물의 형상을 해석하는 계산을 하는 단계와, 형상 해석 계산에 따른 계산된 대상물의 전단력선도, 굽힘모멘트선도, 법선응력, 기울기, 처짐량의 결과를 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 공학 구조물의 역학적 분석방법은 구조물의 해석을 용이하게 함과 아울러, 사용자의 편의를 도모하게 된다.

Description

공학구조물의 역학적 분석방법{Dynamical Analysis Method of Engineering Structure}
본 발명은 공학적 구조물의 역학적 분석방법에 관한 것이다.
최근, 공학적인 구조물에 대한 해석을 수행하기 위한 프로그램들이 다양한 형태로 제작되어 막강한 기능을 사용자에게 제공하고 있다. 이러한 기능을 수행하기 위해 사용되는 알고리즘에는 유한요소법(Finite Element Method; 이하 'FEM'라 한다), 유한차분법 및 경계요소법 등 여러 가지가 있으며 이들 중 유한요소법(FEM)이 수치 해석용으로 가장 많이 사용되고 있는 실정이다. 공학적인 구조물의 해석을 수행하는 프로그램들 및 그 적용분야가 표 1에 나타나 있다.
소프트웨어명 적용분야
ANSYS 원자력, 자동차
ASTRA 항공, 우주
ASKA 원자력, 항공, 우주, 기계
DAISY 조선, 항공, 우주
EASE 토목, 항공, 우주
ELAS 항공, 우주
FESS 토목, 기계
MAGIC 항공, 우주
MARC 원자력, 기계
NASTRAN 항공, 우주, 조선, 자동차
SAFE 원자력
SAMIS 항공, 우주, 자동차
STARDYNE 항공, 우주
STRUDLII 토목, 원자력
그러나, 표 1에 나타난 소프트웨어들은 그 비용이 상당한 고가일 뿐만 아니라 이를 이용하는 사용자의 교육에도 막대한 시간과 비용을 요구하므로 연구용 또는 산업용으로 많이 사용되고 있으나 교육용으로 사용하기에는 어려움이 있다.
또한, 수치 해석용으로 가장 많이 사용되는 유한요소법 범용 소프트웨어들은 구조물의 요소들을 유한개의 요소들로 사용자가 직접 모델링(Modeling)해야만 해석할 수가 있다. 이러한 모델링과정에서 생성해야할 모델의 크기가 커서 많은 메모리를 요구하게 된다. 이에 따라, 유한요소법 범용 소프트웨어들은 대용량의 메모리를 갖는 하드웨어를 요구하므로 일반적인 퍼스널 컴퓨터 또는 노트북용 컴퓨터에서 수행하기 어렵게 된다. 이로 인해, 상기 문제점을 해결할 수 있는 새로운 공학구조물 분석방법이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
따라서, 본 발명의 목적은 사용이 편리하고 구조물 해석이 용이하도록 하는 공학 구조물의 역학적 분석방법을 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명에 따른 공학구조물의 역학적 분석방법을 설명하기 위한 도면.
도 2는 도 1의 구조해석 대상물의 유형을 도시한 도면.
도 3은 도 1의 구조해석 대상물의 형상을 설명하기 위해 도시한 도면.
도 4는 도 1의 구조해석 대상물의 속성을 설명하기 위해 도시한 도면.
도 5는 도 1의 구조해석 대상물에 적용되는 하중을 설명하기 위해 도시한 도면.
도 6은 도 1의 분석결과를 도시한 도면.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 공학 구조물의 역학적 분석방법은 구조해석 대상물의 유형인 단순보, 외팔보, 걸친보 및 트러스 중 어느 하나를 선택하는 단계와, 선택된 대상물 유형의 형상을 입력하는 단계와, 선택된 대상물의 단면치수, 면적관성모멘트 및 단면계수, 선형탄성계수를 순차적으로 입력하는 단계와, 선택된 대상물의 재질을 선택하는 단계와, 선택된 대상물에 적용되는 하중의 형태, 하중이 작용하는 범위 및 크기를 순차적으로 입력하는 단계와, 입력값을 고려하여 선택된 대상물의 형상을 해석하는 계산을 하는 단계와, 형상 해석 계산에 따른 계산된 대상물의 전단력선도, 굽힘모멘트선도, 법선응력, 기울기, 처짐량의 결과를 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부도면을 참조한 실시 예에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.
도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 공학 구조물의 역학적 분석방법을 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다. 본 발명에 따른 공학 구조물의 역학적 분석방법은 공학의 여러 분야에서 범용적으로 사용되고 개발이 용이한 부분부터 개발하여 실용성에 중점을 두고 있다. 이에 따라, 공학에서 해석의 대상으로 빈번하게 사용되는 대표적인 유형 즉, 보(Beam)와 트러스(Truss) 별로 분류한 후, 보(Beam)와 트러스(Truss)의 구조적 안정성을 해석하거나 새로운 구조물을 설계하기 위해서는 대상 구조물을 수학적으로 해를 도출할 수 있는 형태로 이상화할 수 있는 적절한 모델을 개발하여 그 모델을 가지고 해석이나 설계의 대상이 되는 구조물에 적용하여 수학적으로 해를 구하게 된다. 이하, 본 발명에 따른 공학구조물의 역학적 분석방법에 대하여 살펴보기로 한다.
구조해석 대상물의 유형을 선택한다. (제1 단계) 구조물의 형태나 재질 등에 따라 상당히 많은 이상화된 모델들이 존재하게 된다. 예를 들면, 보(Beam), 막대(Bar), 기둥(Column), 스프링(Spring), 막(Shell), 판(Plate) 그리고 입체(Solid) 등과 같은 모델들이 있는데 구조물의 거의 대부분은 보(Beam)로 이상화하여 해석하거나 설계할 수 있다. 보의 종류는 경계조건에 따라 단순보(Simple Beam), 외팔보(Cantilever Beam) 및 걸친보(Beam with an Overhang)의 3가지로 분류하여 구성되어 있다. 이에 따라, 해석하고자 하는 공학구조물을 대표적인 대상물 유형중에서 선택한다. 이들 유형은 도 2에 도시된바와 같이 (a)는 단순보(Simple Beam), (b)는 외팔보(Cantilever Beam), (c)는 걸친보(Beam with an Overhang), (d)는 트러스(Truss)를 나타낸다. 한편, 본 발명에 따른 해석방법에서 보(Beam) 모델은 티모센코보(Timoshenko Beam) 이론을 사용하여 본 모델을 미분방정식의 형태로 구성하여 이 식을 적분함으로써 해를 도출하여 해석하도록 구성되어 있다. 또한, 트러스(Truss)의 경우는 구조해석에서 많이 사용되는 수치해석법인 유한요소법(Finite Element Method; 이하 'FEM'라 한다)을 이용하여 어떠한 임의의 형상에도 해석이 가능한 매트릭스의 형태를 사용하기 때문에 절점 방정식이나 층 방정식을 사용하는 것보다 훨씬 프로그램의 제작이 용이하고 유지 및 보수가 쉬워진다.
구조해석 대상물의 형상을 입력한다. (제2 단계) 구조물의 유형이 선택되면 구조해석 대상물의 길이 등과 같은 형상을 입력하게 된다. 각 유형에 따른 길이입력창의 모양이 도 3의 (a), (b), (c), (d)에 도시되어 있다.
구조해석 대상물의 속성을 입력한다. (제3 단계) 구조해석 대상물의 재질 및 단면 특성을 입력하게 된다. 도 4의 (a)에 도시된바와 같이 구조해석 대상물의 단면특성 및 도 4의 (b)에 도시된바와 같이 단면의 치수를 입력한 후, 도 4의 (c)에 도시된 면적 관성 모멘트(Moment of inertial of area, m4) 및 단면계수(Section Modulus, m3)를 입력한다. 이어서, 도 4의 (d)에 도시된바와 같이 선형탄성계수(Modulus of Elasticity, Pa)를 입력한다. 또한, 다양한 종류의 재료에 대한 재질의 특성을 데이터 베이스(Data Base)화 하여 원하는 대상의 재질을 선택하게 된다.
구조해석 대상물에 적용되는 하중을 입력한다. (제4 단계) 도 5에 도시된바와 같이 구조해석 대상물에 작용하는 하중의 형태를 가장 먼저 입력하고 하중이 작용하는 위치나 범위를 지정하고 그 크기를 입력하게 된다. 하중의 형태는 집중하중(C), 분포하중(D), 우력(M)으로 나누어진다. 하중이 작용하는 범위 및 크기를 입력한다. 위치는 집중하중과 우력의 경우에는 X1항목에 입력하며 분포하중의 경우에는 하중이 작용하는 범위를 X1 및 X2항목에 입력한다. 하중을 입력하는 항은 가장 상단부터 입력해야하며 하중의 종류를 가장 먼저 지정해야 한다. 또한, 분포하중을 입력할때는 X1 < X2의 조건을 만족해야 하며 하중의 단위는 하중의 종류에 따라 달라지게 된다. 한편, 트러스(Truss)의 경우에는 구조물의 전체크기, 부재의수, 절점의 수, 해석의 대상이 되는 트러스 구조의 형상과 재질이 입력된 파일명을 입력하게 된다.
구조해석 계산을 수행한다. (제5 단계) 제1 단계 내지 제4 단계를 수행한 후 구조물을 해석하기 위한 구조해석 계산을 수행하게 된다.
구조해석 결과를 분석한다. (제6 단계) 계산이 종료되면 구조물의 해석모듈의 경우에는 전단력선도(Shear Force), 굽힘모멘트선도(Bending Moment), 법선응력(Normal Stress), 기울기(Slop), 처짐량(Deflection)의 결과가 출력된다. 이러한 데이터를 토대로 하여 도 6의 (a), (b)에 도시된바와 같이 구조물의 결과를 분석하게 된다.
본 발명에 따른 분석방법은 공학 구조물의 대부분을 차지하는 기초적인 역할을 하고 있는 기본구조 단위인 보(Beam)와 트러스(Truss)를 해석할 수 있도록 하여 기계, 조선, 항공, 토목 등의 여러 분야에서 범용적으로 사용될 수 있도록 하였기에 실용성이 있음을 알 수 있다. 본 발명에 따른 공학 구조물의 역학적 분석방법은 사용자의 필요에 따라 공학 구조물을 적절하게 이상화함으로써 기계, 항공, 해양, 토목, 건축 등의 분야에 적용이 가능하게 된다. 예를 들면, 기계분야의 경우 자동차의 각 부위 및 차체, 열차, 각종 기계 등에 적용이 가능하다. 항공분야의 경우, 항공기 동체 및 날개, 각종부품 등이며 조선 분야의 경우, 선박의 선체 및 선상구조물 및 해상구조물 등에 적용이 가능하다. 또한, 토목분야의 경우 교량, 토목용 구조물, 댐, 터널 등이며 건축분야의 경우 각종 건축물의 주요부재, 각종 건축용 구조물 등에 적용이 가능하게 된다. 한편, 본 발명에 따른 분석방법은 다양한 경계조건과 임의의 단면 특성 및 재질을 갖는 보에 임의의 하중이 동시에 작용하는 경우에 대하여 분석을 수행하고 있으며 트러스(Truss)의 경우에는 존재 가능한 모든 경계조건, 하중조건, 부재특성과 임의의 구조적 형상에 대해 해석이 가능하다.
이로써, 본 발명에 따른 공학 구조물의 역학적 분석방법은 공학 구조물을 대표적인 몇 개의 유형별로 분류하여 각 유형의 형상, 속성, 하중을 입력한 후 계산하여 분석함에 의해 구조물해석이 용이하게 함과 아울러, 사용자에게 편의를 도모한다.
상술한바와 같이, 본 발명에 따른 공학 구조물의 역학적 분석방법은 구조물의 해석을 용이하게 함과 아울러, 사용자의 편의를 도모할 수 있는 장점이 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

Claims (3)

  1. 구조해석 대상물의 유형인 단순보, 외팔보, 걸친보 및 트러스 중 어느 하나를 선택하는 단계와,
    상기 선택된 대상물 유형의 형상을 입력하는 단계와,
    상기 선택된 대상물의 단면치수, 면적관성모멘트 및 단면계수, 선형탄성계수를 순차적으로 입력하는 단계와,
    상기 선택된 대상물의 재질을 선택하는 단계와,
    상기 선택된 대상물에 적용되는 하중의 형태, 하중이 작용하는 범위 및 크기를 순차적으로 입력하는 단계와,
    상기 입력값을 고려하여 선택된 대상물의 형상을 해석하기 위한 계산을 하는 단계와,
    상기 형상 해석 계산에 따른 상기 계산된 대상물의 전단력선도, 굽힘모멘트선도, 법선응력, 기울기, 처짐량의 결과를 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공학 구조물의 역학적 분석방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단순보, 외팔보 및 걸친보는 미분방정식 형태로 구성하고 직접 적분하여 상기 선택된 대상물의 형상을 해석하는 것을 특징으로 하는 공학 구조물의 역학적 분석방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 트러스는 유한요소법에 의해 상기 대상물의 형상을 해석하는 것을 특징으로 공학 구조물의 역학적 분석방법.
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