본 연구에서는 축대칭 쉘구조물의 정동적해석을 효과적으로 수행할 수 있는 새로운 유한요소를 제안하였다. 본 유한요소는 축대칭 쉘의 전단변형률을 고려하였으며, 쉘의 경계에서 기술할 수 있는 변수들만으로 표현되는 효율적인 형태의 수정된 혼합 변분이론에 바탕하여 유한요소정식화를 수행하였다. 또한, 변위장에 대해 무절점 자유도를 추가적으로 도입하여 요소의 수치적 성능을 크게 향상시켰다 계산의 효율성을 위해, 요소정식화의 최종단계에서 정치조건으로부터 응력매개변수들을 제거하고, 동적축약을 통하여 무절점 자유도 성분들 또한 최종적인 유한요소방정식에서 제거되어짐으로써, 일반적인 변위기저 요소와 같은 크기의 유한요소방정식을 얻을 수 있다. 몇 가지 수치예제들에 대한 해석을 통하여, 무절점 자유도와 변위장에 일치하는 적절한 응력매개변수를 가지는 제안된 혼합 축대칭 쉘요소가 정동적해석에서 대단히 정확하고 효율적임을 확인할 수 있었다

본 논문에서는 중고주파수 영역에서 진동하는 단순평판의 진동을 해석하기 위하여 파워흐름유한요소법을 적용하였다. 파워흐름해석법에서 주어지는 진동 에너지지배방정식의 해를 구하기 위한 수치해석 도구로써 유한요소법을 활용하였다. 이러한 파워흐름유한요소법을 적용하여 중고주파수 영역에서 진동하는 단순평판의 진동 변위와 진동인텐시티 분포를 구하였다. 또한 수치해 결과를 엄밀해와 유한요소법에 의한 근사해와 비교함으로써, 파워흐름유한요소법은 중고주파수 영역에서 진동 변위 및 진동 인텐시티를 예측하기 위하여 효과적으로 적용될 수 있음을 보였다.

일반적으로 유체-구조물 상호작용을 고려한 유체속 구조물들의 지진 및 진동해석에는 주어진 시스템에 대한 유체부가질량을 추정하여 구조물관 연계하는 단순해석 방법을 주로 사용한다. 실제로 유체속 구조물의 응답특성은 유체부가질량 뿐만 아니라 유체점성으로 인한 감쇠영향을 받으며 이들은 모두 연계항을 갖는 복잡한 행렬 형태로 나타난다. 본 연구에서는 비점성 및 점성 유체에 대한 Navier-Stokes 지배방정식의 선형화를 통한 유한요소 정식화를 유도하였다. 이를 이용하여 유한요소 해석 프로그램을 작성하고 6각형 단면특성을 갖는 액체금속로 노심에 대하여 덕트집합체 사이의 유체간격과 레이놀즈수 변화에 따른 유체부가질량과 유체감쇠에 대한 유한 요소 해석을 수행한 결과, 유체간격이 줄어들수록 유체부가질량은 유체점성의 영향을 크게 받고 유체감쇠는 점성으로 인하여 레이놀즈수의 영향을 크게 받는 것으로 나타났다. 또한 편심을 갖는 동축원통에 대한 유한요소 해석결과, 편심이 증가할수록 유체부가질량은 크게 증가하지만 유체감쇠는 편심이 작은 경우 거의 변화가 없으며 어느 일정 수준이상으로 편심이 커질 경우에는 크게 영향을 받는 것으로 나타났다.

본 논문은 콘크리트 균열방향의 회전 및 철근의 항복에 따른 2차원 R/C 구조물의 극한거동 덴 한계상태설계에 관한 연구를 다룬 것으로, 유한요소모델에 적용하여 비선형 해석 및 한계상태설계가 가능한 수치 해석 및 설계 알고리즘을 소개하였다. 철근의 설계를 위하여, 각 유한요소의 극한거동에 기초한 한계상태설계방정식이 유한요소 알고리즘에 도입되었다. 한편, 하중에 따른 콘크리트 균열방향의 회전 및 철근의 항복을 고려한 2차원 R/C 평면요소의 단순화된 실용적 비선형 응력-변형률 거동의 구성관계모델을 제시하여 비선형 유한요소해석 알고리즘을 구성하였다 제시된 해석 모델을 R/C 전단벽의 실험모델과 비교하여 검증하도록 하였으며, R/C 전단벽에 대한 설계 예를 통하여, 각각의 유한요소에서 얻어진 설계 철근비를 한계상태설계방정식으로부터 산정하였다.

본 논문에서는 2차원 사각탱크내 비압축성, 비점성, 비회전 유동에 대한 비선형 슬로실 해석을 다룬다. 유체영역의 지배방정식으로 포텐셜 이론에 기반을 둔 라플라스 방정식을 사용한다. 대변형의 슬로싱 거동을 표현하기 위하여 베르누이 방정식으로부터 유도된 운동 및 동역학적 자유표면 경계조건을 적용한다. 이러한 비선형 슬로싱 문제는 9결점 요소를 사용한 유한요소법에 의하여 해석되어 진다. 경계조건에 대한 시간적분과 정확한 속도계산을 위하여 각각 예측자-수정자 기법 및 최소자승법을 도입하였다. 또한, 자유표면 추적에서 야기되는 안정성 문제는 시간변동에 대한 자유표면 위치를 직접 계산함으로써 확보할 수 있었다. 외부 조화가진에 대한 본 논문의 결과는 선형이론해 또는 참고문헌의 결과와 비교하여 매우 정확하고 안정적이었다. 프로그램 검증 후, 유체높이와 가진크기에 대한 슬로싱 응답특성을 분석하였다.

본 논문은 배플을 설치한 수평으로 놓인 원통형 탱크내 슬로싱 고유진동에 대한 유한요소 해석을 다룬다. 지배방정식으로 포텐셜 이론을 기반으로 한 라플라스 방정식을 적용한다. 이 문제를 선형의 등매개 요소를 적용한 유한요소법을 이용해 해석한다. 탱크와 배플은 강체로 가정하였으며, 배플의 효과 구현은 배플의 설치 위치에 절점을 두 개로 분리함으로써 얻을 수 있다. 고유주파수와 고유모드의 추출을 위하여 Lanczos 변환법 및 Jacobi 반복법을 도입하였다. 종진동과 횡진동 모드에 대한 수치 해석결과가 참고 문헌과 비교해 볼 때 잘 일치함을 알 수 있었다. 또한 유체 높이, 배플 개수, 내공 크기, 배플 위치 등의 파라메트릭 해석을 통하여 슬로싱 특성 및 링형 배플의 영향을 고찰하였다.

2개의 PE 부이가 클램프 및 벨트로 고정되고 그 위에 발판을 지지하기 위한 프레임 등으로 구성된 단위 틀이 외부 재질이 고무 성분인 힌지로연결된 어업용 프레임 구조물의 강도 및 변형을 해석하여 구조적 안정성을 평가하고자 유한 요소법을 이용하여 그것의 구조 해석을 수행하였으며, 해석에서 얻어진 결과는 다음과 같이 요약할 수있다. 1) 고무 힌지로 구성된 어업용 프레임 구조물의 구조적인 안정성을 해석하기 위해서는 힌지 부분을 정확하게 모델링하는 것이 중요하며, 특히 해석 결과는 모델링의 기법에 따라 다르게 나타났다. 2) 고무 힌지의 경우 먼저 재료 시험을 통해 그것의 정확한 불성치를 확보한 후 구조 해석을 수행해야 하며, 단순히 영 계수 E만을 인자로서 해석하는 경우 신뢰성이 있는 결과를 얻을 수 없다는 것을 확인하였다. 3) 초탄성 거동을 하는 고무는 대변형을 하지만 하중과 변형이 선형 관계를 유지하고 있으므로 영 계수 E 등의 물성치를 적절히 사용하면, 힌지를 단순하게 선형 문제로 이상화하여 구조해석을 수행할 수 있을 것으로 사료된다. 4) 동일한 조건에서 파랑 하중에 대한 어업용 프레임 구조물의 구조 응답은 Hogging 상태 즉, 파정이 그것의 중앙부에 오는 것이 정수 중이나 Sagging 상태인 경우보다 크게 나타났다.

직교이방성 적층평판해석을 위해 퇴화 쉘요소에 기초를 둔 p-version 유한요소법이 제안되었다. 이 모델의 비선형 정식화과정에서 기하비선형의 경우 von Karman의 대변형-소변형률 가정을 설명하기 위해 Total Lagrangian 방법이 채택되었으며, 재료비선형의 경우 Huber-Mises의 항복기준과 변형률경화 항복함수에 근거를 둔 Prandtl-Reuss 유동법칙이 사용되었다. 재료모델은 이방성을 표현하는 매개변수에 의해 이방겅재료를 고려할 수 있도록 하였다. 적층평판이론으로는 전단변형 효과를 고려할 수 있는 등가단출이론(ESL Theory)에 기초를 두었기 때문에 두 적층간 계면에서의 전단변형률은 연속이라는 조건을 갖게된다 적분형 르장드르 다항식이 형상함수로 사용되었으며 형상함수의 차수는 1차에서 10차까지 변화시킬 수 있다. 또한, Causs-Lobatto 수치적될법을 사용하기 때문에 기존의 가우스 적분점에서 계산되던 응력값은 이 적분법의 적분점이 절점에 위치하므로 절점에서 바로 응력값이 산출되도록 하였다 극한하중 수렴성, 비선형 효과, 소성역의 형상 등의 비교관점을 통해 p-version 유한요소 모델의 적정성을 보이고자 하였다.

본 연구의 목적은 비선형 흙-구조물 상호 작용문제를 연구하기 위한 계산 절차를 개발하는 것이다. 흙-구조물 상호 작용 거동을 연구하기 위하여 연직과 수평하중을 동시에 받은 대상기초와 강널말뚝으로 보강된 기초지반에 대한 유한 요소 수치해석을 하였으며 흙과 기초구조물 사이의 상호작용 거동을 모델하기 위하여 접합요소를 사용하였다 주 해석 결과는 다음과 같다. 1. 침하와 측방변위의 예측에 대해서는, 접합요소를 사용한 결과가 더 큰 값을 얻었다. 2. 극한지지력 결정에 대해서는 접합요소를 사용한 경우가 약 12%정도 더 작게 나타났다 3. 대상기초의 수평과 연직변위는 접합요소의 영향을 받았다.

본 논문에서는 케이블 지지구조물의 비선형 정적해석과 동적해석에 사용할 수 있는 개선된 유한요소가 제시되었다. 케이블의 모델화를 위해 등가탄성계수를 사용하고 처짐곡선을 현수선함수로 가정한 케이블요소가 제안되었다. 프레임 부재에 사용되는 안정함수는 수치적으로 안정한 해를 얻기 위하여 수정되었다. 본 논문에서 제안한 요소의 유용성과 효율성을 검토하기 위하여 다양한 검증문제에 대한 수치해석이 수행되었다. 해석결과 본 논문에서 제시한 유한요소는 케이블 지지구조물의 모델화에 매우 유용하고 효율적으로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.

유체-구조물 상호작용 효과를 고려하여, 실린더형 수중 구조물의 유한요소 모델을 상용 전산코드를 사용하여 작성하고 동적하중에 대한 응답해석을 수행하였다. 구조 유한요소에 부착되는 유체 유한요소로 인하여 발생하는 요소행렬의 비대칭성으로 인하여, 일반적으로 사용되는 유한요소 해석 전산코드로 유체-구조물 상호작용 모델에 대한 응답스펙트럼해석을 수행하는 것은 불가능하다. 이 문제의 해결을 위하여, 등가 비 유체-구조물 상호작용 모델을 구성하고, 등가비 유체-구조물 상호작용 모델에 대한 응답스펙트럼 해석 및 조화가진 응답해석 결과를 이용하여 유체-구조물 상호작용 모델의 스펙트럼 가진에 대한 동적 응답을 계산할 수 있는 효율적인 방법을 제시하였다.

기존의 Mindlin이론을 바탕으로 한 감절점 쉘 요소는 두께가 두꺼운 쉘 구조를 해석할 경우 매우 좋은 결과가 얻어지는 것으로 알려져 있다. 그러나 두께가 얇은 쉘의 경우 전단구속 및 막구속 현상으로 인해 요소의 강성이 과대하게 평가되는 것으로 나타났다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 서로 다른 두 가지 막 및 전단 구속 해결방법을 조합하여 쉘 요소에 적용하였다. 첫 번째 요소는 전단 변형률에 가정된 전단변형률을 적용하였고, 막 변형률에는 감차적분법을 적용하였다. 두 번째 요소의 경우, 막 변형률과 전단 변형률 모두에 가정된 전단 변형률을 적용하여 쉘 구조해석을 수행하였다. 여러 가지 수치 해석을 수행한 결과, 두 가지 쉘 요소가 빠른 수렴성을 가지고 있는 것으로 나타났으며, 막 구속과 전단 구속 현상이 제거된 것을 나타났다.

남해안 연근해에서 조업하는 정치망 어선에 양망작업시 보조기계로 사용되는 캡스턴의 드럼에서 용접부 온도분포 및 구배를 해석한 결과의 주요 사항은 다음과 같다. 1. 용융부 근처는 냉각개시 1초 이내에 950℃/sec, 10초 이내는 40℃/see 정도의 급격한 냉각속도가 형성되었다. 2. 열영향부(HAZ)는 용접 후 1초가 경과할 때 370℃/sec의 가열속도로 온도가 증가한 후, 이 후 25℃/sec 냉각속도로 온도가 감소한다. 용접종료 10초 후 모재 내부에는 1.64℃/mm, 40초가 지났을 때는 0.26℃/mm 정도의 온도구배가 형성되었다. 3. 용접부 근처는 길이 방향을 따라 격심한 온도편차를 보이고 있으나 두께방향으로는 거의 나타나지 않는다. 이 결과는 향후 캡스턴 드럼의 용접부 최적설계시, 탄소성 열응력 및 열변형 거동을 해석하는 연구의 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.