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Shell 요소는 연속체 요소와 달리 요소마다 로컬 재료 방향을 사용한다. 섬유 강화 복합 재료 등에 대한 이방성 재료 데이터와 응력과 변형률과 같은 요소 출력 변수는 이런 로컬 재료 방향으로 정의한다. 대변형 해석에서 Shell 표면의 로컬 재료 축은 각 적분점에서 재료의 평균 운동과 함께 회전한다.

1) 기본 로컬 재료 방향

재료의 로컬 1과 2방향은 Shell 표면에 존재한다. 기본 로컬 1방향은 Shell 평면상의 글로벌 1축을 투영한 것이다. 글로벌 1축이 Shell 평면에 수직이라면 로컬 1축은 Shell 평면의 글로벌 3축의 투영이다. 로컬 2방향은 Shell의 평면 안에서 로컬 1방향에 수직이다. 따라서, 로컬 1방향, 로컬 2방향, Shell 면의 양의 법선 방향은 오른손 좌표계를 형성한다.

기본 재료의 로컬 방향은 문제를 일으킬 수 있다. 대표 예는 다음 그림에 표시된 원통이다.

이 그림의 대부분 요소에서 로컬 1방향은 원주 방향이다. 그러나 글로벌 1축에 수직인 요소의 열이 있다. 이 요소에서 로컬 1방향은 Shell에 대한 글로벌 3축의 투영이며, 로컬 1방향은 원주 방향이 아니다. 로컬 1방향의 수직 응력은 대부분 요소에서 은 원주 방향 응력이지만, 일부 요소는 축 방향 응력이므로 로컬 1방향에서 직접 응력 의 윤곽 표시는 매우 이상하게 보인다. 이 경우 다음 절에서 설명하는 대로 모델에 적합한 로컬 방향을 정의해야 한다.

2) 다른 재료 방향 만들기

글로벌 직교 좌표계는 그림과 같이 로컬 직교 좌표계, 원통형 좌표계와 구 좌표계로 대체할 수 있다.

로컬($x'$, $y'$, $z'$) 좌표계의 방향을 정의하고, 로컬 축의 방향이 어떤 재료 방향과 일치하는지 정의할 수 있다. 이렇게 하려면 Shell의 표면에 수직인 로컬 축(1, 2 또는 3)을 지정해야 한다. Abaqus는 이런 축의 순환 정렬(1, 2, 3)에 따라 선택한 축의 다음 축을 Shell 영역에 투영하여 재료의 1방향으로 만든다. 예를 들어, 축을 선택하면 Abaqus는 축을 Shell에 투영하여 재료의 1방향을 만든다. 재료 2방향은 Shell의 법선 방향과 재료 1방향의 외적으로 정의한다. 일반적으로 최종 재료의 2방향과 나머지 로컬 축(이 예에서는 축)의 투영은 곡면 Shell의 경우 일치하지 않는다.

이런 로컬 축에서 원하는 재료 방향이 생성되지 않으면 선택한 축 주위의 회전을 지정할 수 있다. 나머지 두 개의 로컬 축은 양으로 회전한 다음 Shell 표면에 투영되어 최종 재료 방향을 제공한다. 이 투영을 쉽게 이해할 수 있도록 선택한 축은 Shell의 법선 방향에 가능한 한 가깝게 만든다.

예를 들어, 원통 그림에서 원통의 중심선이 글로벌 3축과 일치하면 로컬 재료 1방향이 항상 원주 방향이 되고, 대응하는 로컬 재료 2방향이 항상 축 방향이다. 같은 로컬 재료 방향을 정의할 수 있다. 이 작업 절차는 다음과 같다.

로컬 재료 방향을 정의하려면 다음과 같이 설정한다.

1. 특성 모듈의 메뉴에서 Tools → Datum을 선택하여 원통 데이텀 좌표계를 정의한다.

2. Assign → Material Orientation을 선택하여 로컬 재료 방향을 파트에 지정한다. 좌표계 선택이 필요하면, 이전 순서에서 정의한 데이텀 좌표계를 선택한다. 근사 Shell 법선 방향은 Axis 1이다. 추가 회전이 필요하지 않다.

3) Shell 요소 선택

● 1차 유한 막 변형률, 완전 적분, 4각형 Shell 요소(S4)는 더 높은 해의 정밀도가 필요할 때, 막 모드나 휨 모드의 Hourglass 변형이 일어나기 쉬운 문제, 또는 면내 휨의 발생이 예상되는 문제에 사용할 수 있다.

● 1차 유한 막 변형률, 저감 적분과 4각형 Shell 요소(S4R)는 견고하며 다양한 문제에 적합하다.

● 1차 유한 막 변형률, 삼각형 Shell 요소(S3/S3R)는 범용 요소로 사용할 수 있다. 이 요소는 일정한 변형률의 근사를 사용하므로 휨 변형이나 변형률이 큰 기울기를 표현할 때 요소망을 세밀하게 해야 한다.

● 적층 복합 Shell 모델에서 전단 변형의 영향을 고려할 때, 두꺼운 Shell을 만들 때 적합한 Shell 요소(S4, S4R, S3/S3R, S8R)를 사용한다. 평면 단면이 평면을 유지한다는 가정을 충족하는지 확인한다.

● 2차 Shell 요소(4각형 또는 3각형)는 일반적으로 미세 변형, 얇은 Shell 문제에 매우 효과적이다. 이 요소는 전단 잠금 또는 막 잠금의 영향을 받지 않는다.

● 접촉 해석에서 2차 요소를 사용하는 경우 2차 삼각형 Shell 요소(STRI65)를 사용해서는 안 된다. 9 절점, 4각형 Shell 요소(S9R5)를 대신 사용한다.

● 기하 선형 거동만 나타내는 매우 큰 모델에서, 1차 박판 Shell 요소(S4R5)는 일반적으로 범용 Shell 요소보다 비용 효율적이다.

● 미세 막 변형률 요소는 미세 막 변형률과 임의의 대회전을 포함하는 외연적 동적 문제에 효과적이다.