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논문KCI 등재

저매개변수 요소를 사용한 2차원 선형탄성 직접 경계요소법의 Kernel 적분법

Kernel Integration Scheme for 2D Linear Elastic Direct Boundary Element Method Using the Subparametric Element

박영목|우광성|조준형
한국전산구조공학회 (The Computational Structural Engineering Institute Of Korea)|2012.10|한국전산구조공학회논문집 (Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea)|제25권 제5호|pp. 413-420

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Kernel직접 경계요소저매개변수등매개변수순수기저절점단순연결영역다중연결영역코쉬주치이중경계요소법2차원 선형탄성direct boundary elementsubparametricisoparametricsimple connected regionmultiple connected regionCauchy principle value2D linear elasticitydual boundary element

초록

본 논문은 2차원 선형탄성 직접 경계요소법에서 저매개변수 요소를 사용할 때 Kernel의 적분방법에 대하여 논의하였다. 일반적으로 등매개변수 요소의 경우 형상함수로 통칭되는 해의 기저함수와 요소의 적분을 위해 사용되는 사상함수를 동일하게 사용한다. 그러나 본 논문에서는 사상함수의 차수를 낮게 취하여 순수기저절점을 도입하고 그때 직접 경계요소의 Kernel을 적분하기 위한 방법이 모색되었다. 일반적으로 경계요소법의 적분 Kernel의 경우 Log수치적분과 코쉬주치(Cauchy principal value) 등을 통해 해결하는데, 본 논문에서는 대수적 조작을 통해 적분값의 정확도를 높일 수 있도록 새로운 수식을 유도하였다. 본 연구에서 저매개변수 기반의 직접 경계요소에 대한 강건성과 정확도를 검증하기 위해 2차원 타원형 편미분방정식으로 표현되는 평면응력과 평면변형문제에 대해 적용하였다. 적용 예제로는 단순연결영역(simple connected region)의 대표적 문제인 캔틸레버보와 다중연결영역(multiple connected region)의 대표적인 문제인 개구부가 있는 사각평면에 대해 각각 수치해석을 수행한 결과 대폭적인 자유도의 감소에 비해 정확도 측면에는 기존의 방법과 차이가 없음을 볼 수 있었다. 본 논문에서 제시된 방법은 기저함수 고차화 저매개변수 직접 경계요소법(subparametric high order boundary element)과 이에 기초를 둔 저매개변수 고차 이중경계요소법(subparametric high order dual boundary element)의 초석이 될 수 있을 것이다.

Abstract

In this study, the Kernel integration scheme for 2D linear elastic direct boundary element method has been discussed on the basis of subparametric element. Usually, the isoparametric based boundary element uses same polynomial order in the both basis function and mapping function. On the other hand, the order of mapping function is lower than the order of basis function to define displacement field when the subparametric concept is used. While the logarithmic numerical integration is generally used to calculate Kernel integration as well as Cauchy principal value approach, new formulation has been derived to improve the accuracy of numerical solution by algebraic modification. The subparametric based direct boundary element has been applied to 2D elliptical partial differential equation, especially for plane stress/strain problems, to demonstrate whether the proposed algebraic expression for integration of singular Kernel function is robust and accurate. The problems including cantilever beam and square plate with a cutout have been tested since those are typical examples of simple connected and multi connected region cases. It is noted that the number of DOFs has been drastically reduced to keep same degree of accuracy in comparison with the conventional isoparametric based BEM. It is expected that the subparametric based BEM associated with singular Kernel function integration scheme may be extended to not only subparametric high order boundary element but also subparametric high order dual boundary element.

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