Material Models
구조해석에서 재료의 응력-변형률 거동을 기술하는 구성 모델(constitutive model)과 그 모델을 정의하는 재료 데이터의 집합이다 [MSC_Nastran_2022.4_SOL_400_Getting_Started_Guide.pdf p.96].
정의
구조해석에서는 다양한 재료가 등장하며, 하나의 재료에 대해서도 그 거동을 기술하기 위한 여러 구성 모델이 존재한다 [MSC_Nastran_2022.4_SOL_400_Getting_Started_Guide.pdf p.96]. 재료 거동을 모델링한다는 것은 거동을 기술하는 구성 모델(constitutive model)을 지정하는 일과, 그 재료를 표현하는 실제 재료 데이터를 정의하는 일 두 가지로 이루어진다 [MSC_Nastran_2022.4_SOL_400_Getting_Started_Guide.pdf p.100]. isotropic 재료를 제외한 재료에는 방향 의존성(directional dependency)을 포함할 수 있다 [MSC_Nastran_2022.4_SOL_400_Getting_Started_Guide.pdf p.96].
핵심 내용
- 거동에 따른 분류: SOL 400 은 재료를 크게 Elastic(하중 제거 시 완전 회복), Rate dependent(rubber·glass 등 변형률 속도 의존, viscoelastic 포함), Inelastic(하중 제거 후에도 영구 변형이 남는 metal 의 elastic-plastic, ice, damage 등)으로 broad 하게 분류한다 [MSC_Nastran_2022.4_SOL_400_Getting_Started_Guide.pdf p.96].
- 방향 의존성에 따른 분류: 방향 의존이 거의 없는 isotropic, 서로 직교하는 세 대칭면을 갖는 orthotropic, 방향마다 다른 탄성 물성을 갖는 anisotropic 으로 구분한다 [MSC_Nastran_2022.4_SOL_400_Getting_Started_Guide.pdf p.101].
- Isotropic:
MAT1— 방향 의존성이 없는, 가장 흔히 쓰이는 재료 물성 [MSC_Nastran_2022.4_SOL_400_Getting_Started_Guide.pdf p.101]. - Anisotropic 2D:
MAT2— 2차원 요소(plate·shell)용 일반 anisotropic 재료 [MSC_Nastran_2022.4_Quick_Reference_Guide.pdf p.1064]. - Orthotropic(axisymmetric/solid):
MAT3—CTRIAX6요소용 orthotropic 재료로,PSHLN2·PLCOMP엔트리의 orthotropic 재료로도 허용된다 [MSC_Nastran_2022.4_Quick_Reference_Guide.pdf p.1064]. - 열 물성:
MAT5— anisotropic 재료의 thermal 물성을 정의한다 [MSC_Nastran_2022.4_Quick_Reference_Guide.pdf p.1064]. - Orthotropic shell:
MAT8— isoparametric shell 요소용 orthotropic 재료 물성 [MSC_Nastran_2022.4_Quick_Reference_Guide.pdf p.1064]. - Anisotropic solid:
MAT9—PSOLID로 쓰이는 solid isoparametric 요소용 선형·온도 비의존 anisotropic 재료 [MSC_Nastran_2022.4_Quick_Reference_Guide.pdf p.1064]. - 3D orthotropic:
MATORT는 elastic 3D Orthotropic 재료(SOL 400 및PCOMPLS와 함께 SOL101~112 의 모든 linear 해)를,MATCB는 Cuntze-Bold progressive failure 를 갖는 2D/3D orthotropic 재료(SOL 400,PCOMP(G)·PCOMPLS병용)를 정의한다 [MSC_Nastran_2022.4_Quick_Reference_Guide.pdf p.1064]. - Hyperelastic:
MATHP— hyperelastic 재료 물성 [MSC_Nastran_2022.4_Quick_Reference_Guide.pdf p.2124]. - Nonlinear elastic(axisymmetric):
MATS3— axisymmetric 요소용 Advanced Orthotropic, Nonlinear Elastic 재료 [MSC_Nastran_2022.4_Quick_Reference_Guide.pdf p.2144]. - 사용자 정의:
MATUSR은 hypoelastic 및 사용자 정의 재료 모델용 generic 물성을 정의하며 SOL 400 전용으로,MATUDS옵션과 함께 planar·shell·solid 요소에 대해 user subroutinemd_hypela2를 활성화한다 [MSC_Nastran_2022.4_Quick_Reference_Guide.pdf p.2181]. - Creep: SOL 400 은
MATVP·CREEP로 creep 거동(예: Rate Power Law Model)을 다룬다 [MSC_Nastran_2022.4_SOL_400_Getting_Started_Guide.pdf p.115]. - 파손 모델:
MATF는 Material Failure Model 을 정의한다 [MSC_Nastran_2022.4_Quick_Reference_Guide.pdf p.2073]. - Micro-mechanics: SOL 400 은 e-Xstream Digimat Material Modeling System 과 연계되어 composite 재료를 component 단위로 물성을 부여할 수 있으며,
MATDIGIbulk data 엔트리로 활성화된다 [MSC_Nastran_2022.4_SOL_400_Getting_Started_Guide.pdf p.127].
데이터 입력 방법
재료 데이터는 입력 파일에 직접 입력하거나, user subroutine 을 통해 입력하거나, Patran 의 Materials Application 에서 재료 모델로 정의할 수 있다 [MSC_Nastran_2022.4_SOL_400_Getting_Started_Guide.pdf p.100].
최근 추가 모델
- Cuntze-Bold failure and material model(CBFMM): Cuntze Modal Based Failure Criteria(unidirectional·woven 재료)와 BOLD 비선형 재료 모델을 지원하여 woven 등 composite 재료와 그 파손 모델을 시뮬레이션한다 [MSC_Nastran_2022.4_Release_Guide.pdf p.149].
- Poro-Elastic Material (PEM): TRIM Model 의 재료 암호화(Material Encryption)를 지원한다 [MSC_Nastran_2022.4_Release_Guide.pdf p.22].
관련 솔루션·항목
참고 매뉴얼
- 재료 모델 개요·분류·입력 방법: [MSC_Nastran_2022.4_SOL_400_Getting_Started_Guide.pdf p.96], [MSC_Nastran_2022.4_SOL_400_Getting_Started_Guide.pdf p.100], [MSC_Nastran_2022.4_SOL_400_Getting_Started_Guide.pdf p.101]
- 재료 카드 목록(Anisotropic/Orthotropic 등): [MSC_Nastran_2022.4_Quick_Reference_Guide.pdf p.1064], [MSC_Nastran_2022.4_Getting_Started_Guide.pdf p.153]
- 신규 재료·파손 모델: [MSC_Nastran_2022.4_Release_Guide.pdf p.149], [MSC_Nastran_2022.4_Release_Guide.pdf p.22]