응력파 전파 수치모의를 위한 일차원 유한요소모형의 분산 특성 및 제어

Abstract

본 논문에서는 응력파 전파를 수치모의할 때 발생하는 수치적인 분산효과를 제거하기 위해 파동방정식에 기초한 일차원 유한요소모형을 이용하여 수치분산오차의 특성을 분석하고 분산오차를 제어할 수 있는 방법을 제안하였다. 질량행렬을 그대로 사용하는 경우와 집중질량행렬을 사용하는 경우에 대한 수치분산오차를 분석하였다. 개발된 분산제어기법은 공간미분항의 시간단계 가중치 및 질량집중도를 조정하는 음해법과 인위적인 분산항을 추가하는 양해법의 두가지 방법이다. 제안된 분산보정기법을 이용하여 계산한 수치해와 파동방정식의 해석해를 비교한 결과 본 연구에서 제안한 분산보정기법의 타당성을 확인하였다. With an aim at eliminating the numerical dispersion error arising from the numerical simulation of stress wave propagation, numerical dispersion characteristics of the wave equation based one-dimensional finite element model are analyzed and some dispersion control scheme are proposed in this paper The dispersion analyses are carried out for two types of mass matrix, namely the consistent and the lumped mass matrices. Based on the finding of the analyses, dispersion correction techniques are developed for both the implicit and explicit schemes. For the implicit scheme, either the weighting factor for the spatial derivatives of each time level or the lumping coefficient for mass matrix is adjusted to minimize the numerical dispersion. In the case of the explicit scheme an artificial dispersion term is introduced in the governing equation. The validity of the dispersion correction techniques proposed in this study is demonstrated by comparing the numerical solutions obtained using the Present techniques with the analytical ones.