Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society (한국산학기술학회논문지)

The Korea Academia-Industrial cooperation Society (한국산학기술학회)
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Finite element method adopting isoparametric formulation of the quadrilateral elements

등매개변수 사변형요소를 적용한 유한요소해석법

  • Lee, Seung-Hyun (Division of Architecture, Architectural Engineering and Civil Engineering, Sunmoon University) ;
  • Han, Jin-Tae (Korea Institute of Construction Technology)
  • 이승현 (선문대학교 건축사회환경공학부) ;
  • 한진태 (한국건설기술연구원)
  • Received : 2018.07.30
  • Accepted : 2018.11.02
  • Published : 2018.11.30
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Abstract

In order to overcome shortcomings of commercial analysis program for solving certain geotechnical problems, finite element method adopting isoparametric quadrilateral element was selected as a tool for analyzing soil behavior and calculating process was programmed. Two examples were considered in order to verify reliability of the developed program. One of the two examples is the case of acting isotropic confining pressure on finite element and the other is the case of acting shear stress on the sides of the finite element. Isoparametric quadrilateral element was considered as the finite element and displacements in the element can be expressed by node displacements and shape functions in the considered element. Calculating process for determining strain which is defined by derivatives using global coordinates was coded using the Jacobian and the natural coordinates. Four point Gauss rule was adopted to convert double integral which defines stiffness of the element into numerical integration. As a result of executing analysis of the finite element under isotropic confining pressure, calculated stress corresponding to four Gauss points and center of the element were equal to the confining pressure. In addition, according to the analyzed results for the element under shear stress, horizontal stresses and vertical stresses were varied with positions in the element and the magnitudes and distribution pattern of the stresses were thought to be rational.

본 연구에서는 상용 해석프로그램에서 구현하기에 어려움이 있는 지반공학적 문제를 해결하기 위한 쉽고 직관적인 해석 프로그램 개발의 일환으로 계산의 정확도가 상대적으로 높은 요소를 채택한 유한요소법을 정식화 하고 해석과정을 프로그램화 하였다. 개발된 프로그램의 계산과정에 있어서의 신뢰성 확인을 위해 두 가지 예에 대한 해석을 수행하고 결과분석을 해 보았는데 첫 번째 예는 등방구속압이 요소에 작용하는 경우이고 나머지 예는 전단응력이 요소의 측면에 작용하는 경우이다. 유한요소를 구성하는 요소로는 등매개변수 사변형 요소를 채택하였는데 요소내의 변위는 요소의 절점변위와 형상함수로 표현된다. 전체좌표(global coordinate)에 의한 미분계수로 표현되는 변형률을 얻기 위해 자코비언과 자연좌표(natural coordinate)를 이용하는 계산과정을 코딩하였다. 요소의 강성행렬을 정의하는 이중적분식을 수치적분으로 변환시키기 위해 4점 가우스 구적법을 적용하였다. 개발된 프로그램의 계산과정 검증을 위해 등방구속압이 작용하는 요소에 대한 해석을 수행한 결과 요소내의 네 개의 가우스점과 요소 중앙에 대해 계산된 응력값이 등방구속압과 일치됨을 알 수 있었다. 개발된 프로그램의 계산과정 검증을 위해 전단응력이 작용하는 요소에 대한 해석을 수행한 결과 요소내에 발생되는 횡방향응력 및 연직응력이 위치에 따라 변화됨을 알 수 있었으며 외력에 대한 발생응력의 크기 및 분포양상이 합리적임을 알 수 있었다.

Keywords

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Fig. 1. Natural coordinate system and global coordinate system

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Fig. 2. Gauss points

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Fig. 3. Element under isotropic confining pressure

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Fig. 4. Element under shear stress

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Fig. 5. Calculated stresses

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