A Geometrically Nonlinear Analysis of the Curved Shell Considering Large Displacements and Large Rotation Increments

대변위 및 대회전을 고려한 만곡된 쉘의 기하학적 비선형 해석

This paper presents geometrically nonlinear formulation of shell problems using the three-dimensional curved shell element, which includs large displacements and large rotations. Formulations of the geometrically nonlinear problems can be derived in a variety of ways, but most of them have been obtained by assuming that nodal rotations are small. Hence, the tangent stiffness matrix is derived under the assumptions that rotational increments are infinitesimal and the effect of finite rotational increments have to be considered during the equilibrium iterations. To study the large displacement and large rotation problems, the restrictions are removed and the formulations of the curved shell element including the effect of large rotational increments are developed in this paper. The displacement based finite element method using this improved formulation are applied to the analyses of the geometrically nonlinear behaviors of the single and double curved shells, which are compared with the results by others.

기하학적 비선형 해석과정에서 일반적인 방법으로는 연속적인 하중증분단계의 기하학적 변위증분에서 절점회전이 미소하다는 가정에 의해 제한되어 접선강성행렬을 유도하고 유한회전의 영향을 증분평형 방정식의 반복계산하는 과정에서 고려하는 방법이 사용되고 있다. 그리고 개선된 방법으로는 미소회전증분의 가정을 무시하고 유한회전증분의 영향을 고려하여 접선강성행렬을 유도하는 방법이 Surana, Onate 및 Dvorkin 등에 의해서 개발되었다. 유한 회전을 고려하는 방법에서 Surana는 비선형 절점 회전함수를 가정하여 강성메트릭스를 유도하였으며 Onate와 Dvorkin은 전체좌표에서 회전각에 대한 회전행렬의 2차항까지를 고려한 강성메트릭스를 유도하였다. 본 논문에서는 유한요소의 기하학적 위치를 나타내는 변위함수의 방향 벡터를 삼각함수로 표현하여 연속적인 하중증분 사이의 방향벡터 증분을Tayler의 급수로 2차항까지 전개하므로써 비선형 회전 증분을 고려한 쉘 요소를 개발하였다. 기하학적 비선형 해석과정은 연속체 운동의 증분이론을 도입하여 Total Lagrange(T.L.)수식과 Updated Lagrange(U.L.)수식으로 비선형 거동을 해석하였다.