In this paper, a local deformation effect in thin-walled box beams is investigated via a finite element modal analysis. The analysis is carried out for single-cell and multi-cell box beam configurations. The single-cell box beam with and without a neck, which mimics a simple wind-turbine blade, is analyzed first. The results obtained by shell elements are compared to those of one-dimensional(1D) beam elements. It is observed that the wall thickness plays a crucial role in the natural frequencies of the beam. The 1D beam analysis deviates from the shell analysis when the wall thickness is either thin or thick. The shell modes(local deformations) are dominant as it becomes thin, whereas the shear deformation effects are significant as it does thick. The analysis is extended to the single-cell box beam with a neck, in which the shell modes are confined to near the neck. Finally the multi-cell box beam with a taper, which is quite similar to real wind-turbine blade configuration, is considered to investigate the local deformation effect. The results reveal that the 1D beam analysis cannot match with the shell analysis due to the local deformation, especially for the lagwise frequencies. There are approximately 5∼7% errors even if the number of segments is increased.

The simplified plate theory is presented for static and free vibration analysis of power-law(P) and sigmoid(S) Functionally Graded Materials(FGM) plates. This theory considers the parabolic distribution of the transverse shear stress, and satisfies the condition that requires the transverse shear stress to be zero on the upper and lower surfaces of the plate, without the shear correction factor. The simplified plate theory uses only four unknown variables and shares strong similarities with classical plate theory(CPT) in many aspects such as stress-resultant expressions, equation of motion and boundary conditions. The material properties of the plate are assumed to vary according to the power-law and sigmoid distributions of the volume fractions of the constituents. The Hamilton’s principle is used to derive the equations of motion and Winkler-Pasternak elastic foundation model is employed. The results of static and dynamic responses for a simply supported FGM plate are calculated and a comparative analysis is carried out. The results of the comparative analysis with the solutions of references show relevant and accurate results for static and free vibration problems of FGM plates. Analytical solutions for the static and free vibration problems are presented so as to reveal the effects of the power law index, elastic foundation parameter, and side-to-thickness ratio.

지수 함수 및 멱 법칙 함수를 이용한 점진기능재료(FGM) 판의 전단 및 두께 방향 변형을 고려한 이론을 정식화하여 동적 평형방정식을 유도하였다. 지수 함수 및 멱 법칙 함수는 두께 방향으로 재료의 변화를 고려할 수 있고 3차원 해석방법은 전단 및 두께 방향 변형을 고려함으로써 점진기능재료의 정확한 구조적 특성을 고려할 수 있다. Pasternak탄성지반 위에 놓인 4변이 단순 지지되고 전단 및 두께 방향 변형이 고려된 점진기능재료 판의 지배방정식을 풀기 위해 Navier 방법을 사용하였다. 거듭제곱 지수와 3차원 해석의 효과를 나타내기 위한 지수 및 멱 법칙 점진기능재료 판의 동적 해석결과를 제시하였다. 기존의 2차원 고차전단변형 이론 및 3차원 이론과의 관계를 수치해석 결과를 통하여 고찰하였다. 또한 (i) 거듭제곱 지수, (ii) 폭-두께 비, 그리고 (iii) 탄성지반 계수, 등이 점진기능재료 판의 자유진동수에 미치는 효과에 대하여 관찰하였다. 본 연구의 결과를 검증하기 위해 참고문헌의 결과들과 비교 분석하였다.

This study deals with an enhanced assumed strain (EAS) three-dimensional element for free vibration analysis of laminated composite and sandwich structures. The three-dimensional finite element (FE) formulation based on the EAS method for composite structures shows excellence from the standpoints of computational efficiency, especially for distorted element shapes. Using the EAS FE formulation developed for this study, the effects of side-to-thickness ratios, aspect ratios and ply orientations on the natural frequency are studied and compared with the available elasticity solutions and other plate theories. The numerical results obtained are in good agreement with those reported by other investigators. The new approach works well for the numerical experiments tested, especially for complex structures such as sandwich plates with laminated composite faces.

This paper presents free vibration characteristics of laminated composite plates with different embedded delamination sizes and locations using three-dimensional finite elements. The free vibration analysis using the 3D finite element (FE) delamination model has merits in that it shows better accuracy but also shows the entire mode shape compared to the conventional approaches. This study investigates free vibration characteristics of laminated composite plates containing an various embedded delamination. The numerical results obtained are in good agreement with those reported by other investigators. Specifically, in this paper, attention is paid to the effects of the local vibration mode for various parameters, such as size of delamination, aspect ratio, and location of delamination.

물에 잠긴 다공 원통형 쉘의 경우 물에 잠긴 상태로 유한요소해석을 하기에는 거의 불가능하므로 등가물성치를 사용하여야 한다. 다공 평판의 경우 이에 대한 등가물성치를 ASME 코드에서 제시하고 있지만, 다공 원통형 쉘의 등가물성치에 대한 연구는 아직까지 수행된 적이 없다. 따라서 본 연구에서는 유한요소해석을 이용하여 다공 원통형 쉘의 동적 해석에 이용할 수 있는 등가물성치를 제안하였고 그 타당성을 검증하였다.

등방성 혹은 비등방성 적층복합판 및 쉘의 선형 정적 문제와 자유진동 해석이 새로운 변형률 변위 관계가 도입된 개선된 9절점 쉘 요소에 의하여 수행되었다. 그 관계에서 새롭게 추가된 휨 변형률과 변위사이의 관계 항들에 의한 효과는 비틀어진 보 문제에서 검토되었다. 정식화의 전 과정을 통해, 식들의 모든 항들은 자연 좌표계에 기초하고 있다. 가정 자연 변형률 방법이 막 잠김과 전단 잠김 거동을 제거하기 위하여 사용하였다. 적층 복합판 및 쉘의 고유치의 계산을 위해 Lanczos방법을 사용하였고 질량행렬을 구성하기 위하여 Gauss적분법을 사용하였다. 정식화의 유효성을 평가하기 위해 수치 예제를 해석적 해와 비교하였으며, 제시된 결과는 자유진동 조건하에서 적층체의 거동을 이해하는데 유용할 것이다.

본 연구에서는 전단변형을 고려한 비대칭 박벽 곡선보의 자유진동해석을 수행할 수 있는 일반이론을 제시하기 위하여, 3차원 연속체에 대한 가상일의 원리로부터 전단변형 효과를 고려하고 비대칭 박벽단면과 ？(Warping)을 포함하는 변위장을 도심 축에 대해 정의한 후 곡선보의 변형도-변위관계로부터 공간 박벽 곡선보의 일반화된 탄성변형에너지와 운동에너지를 새롭게 유도한다. 또한, 전단변형이 고려된 곡선보의 총포텐셜에너지에 대해 변분을 취함으로써 평형방정식과 힘-변위관계를 제시한다. 한편, 제시된 이론에 대해 등매개 보요소를 도입하여 유한요소 정식화를 수행하였으며 곡선보의 동적 거동특성을 조사하기 위하여 전단변형, 곡률효과 그리고 진동모드에 대한 매개변수 연구를 수행한다. 마지막으로, 본 연구의 타당성을 입증하기 위하여, 다양한 해석예제에 대한 3차원 고유진동수를 산정하고 타 연구자들의 결과 및 ABAQUS의 쉘요소를 이용한 해석결과와 비교ㆍ검증한다.

이 논문은 미분구적법(DQM)을 이용한 탄성지반 위에 놓인 변단면 압축부재의 자유진동에 관한 연구이다. 문헌고찰을 통하여 채택한 지배미분방정식과 경계조건을 DQM에 적용하여 고유진동수를 산출할 수 있는 수치해석법을 개발하였다. DQM에서 수치적분을 위한 격자점의 선택은 Chebyshev-Gauss-Lobatto 법을 택하고, 고유치의 산정은 QR 알고리듬을 이용하였다. 타문헌과의 결과비교를 통하여 본 연구의 걸과가 타당함을 보였고, DQM에 대한 적용성 검토에서 고유진동수의 산출이 매우 안정적임을 보였다.

본 연구에서는 이등변사다리꼴과 이등변삼각형 단면을 갖는 두꺼운 원형링의 고유진동수와 모우드형태를 결정하는 3차원 해석방법을 제시하였다. 자오선(s), 수직(z) 및 원주방향()으로의 변위성분(us, uz, u)을 시간에 대해서는 정현적으로, 방향으로는 주기성을 갖도록, s와 z방향으로는 대수다항식의 형태로 표현하였다. 원형링의 위치(변형률)에너지와 운동에너지가 공식화되었으며, 진동수의 최소화를 통하여 상위경계치의 진동수를 계산하였다. 다항식의 차수를 증가시키면 진동수는 엄밀해에 수렴하게 된다. 완전자유경계의 원형링에 대한 3차원적 진동수를 최초로 구하였으며 원형링의 하위 5개 진동수에 대해서 유효숫자 4자리까지의 수렴성연구가 이루어졌다. 본 방법은 링 두께의 크기에 관계없이 적용이 가능하다.

본 연구에서는 다층 층간분리된 적층보의 자유진동해석을 수행하였다. 적층보에 존재하는 다층 층간분리가 고유진동수에 미치는 영향을 고찰하기 위해 층간분리단에서의 연속조건을 유도하고, 층간분리된 각각의 분할보의 경계에서 유도된 연속조건을 이용하여 진동수 방정식을 유도하였다. 이론해석결과의 검증을 위해 범용 프로그램을 이용한 유한요소해석을 수행하였으며, 서로 잘 부합됨을 보였다. 고유진동수 변화는 다층 층간분리의 크기와 위치 및 형태에 따라 변하였다. 얻어진 결과로부터 다층 층간분리가 적층보의 동적특성에 미치는 민감도와 층간분리의 위치와 크기를 탐지하는데 활용될 수 있는 가능성을 제시하였다.

본 연구는 변화곡률 수평 곡선보의 면외 자유진동에 관한 연구이다. 뒴과 회전관성을 고려한 변화곡률 수평 곡선보의 자유진동을 지배하는 상미분방정식이 유도되었고, 이 지배미분방정식을 수치해석하여 곡선보의 고유진동수를 산출하였다. 지배미분방정식을 수치적분하기 위하여 Runge-Kutta method를 이용하였고, 고유진동수를 산출하기 위하여 Regula-Falsi method와 결합한 행렬값 탐사법을 이용하였다. 본 연구의 이론적 타당성을 검증하기 위하여 타문헌의 고유진동수와 비교하였고, 실험실 규모의 모형실험을 실시하여 이론값과 실험값의 고유진동수를 비교하였다. 수치해석의 결과로 무차원 재변수들의 변화에 따른 무차원 고유진동수를 제 3모드까지 산출하였고, 그 결과들을 고찰하였다. 본 연구의 결과는 곡선형 교량 등과 같이 곡선부재로 이루어진 구조물의 설계시에 유용하게 이용될 수 있을 것으로 기대된다.

본 연구는 유한한 회전의 2차항을 고려한 변위장에 기초하여 변곡률을 가지는 비대칭 박벽곡선보의 해석이론을 제시한다. Vlasov의 가정에 의한 연속체의 선형화된 가상일의 원리로부터 총 포텐셜 에너지를 유도하고, 모든 변위 파라미터와 함수는 도심에서 정의된다. 절점당 8개의 자유도를 가지는 박벽곡선보 요소의 개발 과정에서 3차 Hermitian 다항식이 형상함수로 이용된다. 본 연구의 타당성과 정확도를 입증하기 위하여, 일축대칭 단면을 갖는 포물선과 타원형상의 곡선보를 선택하여 3차원 자유진동해석과 안정성 해석을 수행한다. 그리고 이 결과를 ABAQUS의 쉘 요소에 의한 것과 비교한다.

비대칭 박벽단면을 갖는 곡선보의 자유진동해석을 수행할 수 있는 유한요소 이론 및 엄밀해를 제시하기 위하여 가상일의 원리를 이용한 3차원 연속체의 운동방정식을 제시한다 박벽단면의 구속된 비틂효과를 고려하는 박벽 곡선보의 변위장을 도입하고 이를 연소체의 운동방정식에 대입하여 단면에 대해 적분함으로써 박벽 곡선보의 운동방정식을 유도한다. 단순지지되고 일축대칭단면을 갖는 박벽 곡선보의 면내 자유진동 모드에 대응하는엄밀해를 산정하였으며 곡선보를 유한요소로 분할하여 요소의 변위장을 요소 변위벡터에 관한 3차의 Hermitian 다항식으로 나타내고 이를 운동방정식에 대입함으로써 탄성강도행렬과 질량 행렬을 유도한다 또한 본 연구에서 얻어진 엄밀해와 곡선보요소를 이용한 유한요소 해석결과를 직선보요소 및 ABAQUS의 쉘요소를 이용하여 얻어진 결과와 비교 검토를 함으로써 본 연구의 타당성을 입증한다.

본 논문에서는 고정 또는 자유 연단 조건의 모든 조합을 고려한 마름모꼴 평판의 휨 진동에 대한 엄밀한 해석방법을 제시한다. 본 논문의 주된 관점은 마름모꼴 평판 둔각 모서리의 경계조건이 고정 또는 자유일 때 휨응력의 특이도를 엄밀히 고려하여 해석하는 것이다. 고정 또는 자유인 모서리 응력 특이도의 중대한 영향력이 이해 될 수 있도록 충분히 큰 165º 둔각모서리를 갖는 마름모꼴 평판에 대하며 엄밀한 무차원 진동수와 수직 변동변위의 전형적인 등고선을 제시하였다.

본 연구에서는 일축대칭 단면을 갖는 박벽 원형곡선보의 자유진동해석을 수행할 수 있는 유한요소 이론 및 엄밀해를 제시하기 위하여, 가상일의 원리를 이용한 3차원 연속체？ 운동방정식을 제시한다. 박벽단면의 구속된 비틂(restrained warping)효과를 고려하는 곡선보의 운동방정식을 얻는다. 단순지지되고 일축대칭 단면을 갖는 박벽 곡선보의 면외 고유진동에 대한 엄밀해를 제시하고 박벽 곡선보를 유한요소로 분할하여 요소의 변위장을 요소 변위벡터에 관한 3차의 Hermitian 다항식으로 나타내어 운동방정식에 대입함으로써 탄성강도행렬과 질량행렬을 유도한다. 또한 본 연구에서 얻어진 엄밀해와 박벽 곡선보요소를 이용한 유한요소 해석결과를 직선박벽보요소를 이용한 해석결과와 비교 검토를 함으로써 본 연구의 타당성을 입증한다.

전단변형 효과를 무시하는 경우에 보존력을 받는 박벽공간뼈대구조의 자유진동 및 안정성해석을 위한 일반이론을 유도한다. 이를 위하여 비대칭 박벽단면의 임의점을 통과하는 부재축과 이와 직각을 이루는 두 개의 좌표축을 도입하여 직각좌표계를 정의하고, 이 좌표축을 기준으로 semitangential 회전의 2차항을 고려하는 변위장을 도입하여 연속체에 대한 가상일의 원리로 부터 운동에너지, 탄성변형에너지, 그리고 초기응력에 의한 포텐셜에너지를 유도한다. 이를 이용하여 선형분포하중을 받는 박벽공간뼈대구조의 자유진동 및 안정성해석을 위한 운동방정식을 제시한다. 3차 Hermitian 다항식을 변위파라미터의 형상함수로 사용하여 박벽공간뼈대부재의 질량, 탄성강성 및 기하학적 강성행렬을 산정할 뿐만 아니라, 임의의 위치에 작용하는 분포하중에 대한 하중보정강성행렬(load-correction stiffness matrix)을 제시한다. 본 이론 및 방법의 타당성을 검증하기 위하여 수치해석을 수행하고 문헌의 결과와 비교하여 정당성을 입증한다.

등분포 열 하중으로 좌굴되고 단순 지지된 준 등방성 직사각형 복합재 평판의 자유진동 해석에 관한 연구를 수행하였다. Von Karman형 비선형 변형도 성분을 1차 전단변형 평판이론에 적용하여 유한요소법으로 후 좌굴 해를 구하였으며 Duhamel-Newman형 탄성이론이 아울러 적용되었다. 후 좌굴 해석으로부터 계산된 변위를 이용하여 좌굴된 평판의 강성을 재평가한 후, 고유치 문제인 자유진동 해석을 수행하였다. 준 등방성 [.+-.45/0/90]s 직사각형 평판의 폭 대 두께비 및 폭 대 길이비를 변화시켜 이들 설계변수가 평판의 자유진동 특성에 미치는 영향을 분석하였다.

본 연구에서는 전달영향계수법의 개념을 사각형 평판의 자유진동해석에 적용하여, 그 계산결과들을 전달매트릭스법 및 엄밀해 또는 Leissa 방법의 결과와 비교하여 그 유용성을 확인하였다. 전달영향계수법은 전달매트릭스법으로는 구하기 곤란한 고차의 고유진동수에 대해서도 정도좋게 구할 수 있으며, 계산속도의 면에서도 전달매트릭스법보다 우수함을 알 수 있었다. 또한, 전달영향계수법은 모든 경계조건 및 중간 경탄성 지지조건도 전단 및 회전 스프링정수 값의 조절만으로 간편하게 대응시킬수 있었다