Structural analysis remains as an essential part of any integrated civil engineering system in today's rapidly changing computing environment. Even with enormous advancements in capabilities of computers and mobile tools, enhancing computational efficiency of algorithms is necessary to meet the changing demands for quick real time response systems. The finite element method is still the most widely used method of computational structural analysis; a robust, reliable and automated finite element structural analysis module is essential in a modern integrated structural engineering system. To be a part of an automated finite element structural analysis, an efficient adaptive mesh generation scheme based on R-H refinement for the mesh and error estimates from representative strain values at Gauss points is described. A coefficient that depends on the shape of element is used to correct overly distorted elements. Two simple case studies show the validity and computational efficiency. The scheme is appropriate for nonlinear and dynamic problems in earthquake engineering which generally require a huge number of iterative computations.
Predicting the failure life of automated manufacturing systems can reduce overall downtime, maintenance costs, and total plant operation costs. Therefore, there is a growing interest in fatigue failure mechanisms as the safety or service life assessment of manufacturing systems becomes an important issue. In particular, fretting fatigue is caused by repeated tangential stresses that are generated by friction during small amplitude oscillatory movements or sliding between two surfaces pressed together in intimate contact. Previous studies in fretting fatigue have observed size effects related to contact width such that a critical contact width exists where there is drastic change in the fretting fatigue life. However, most of them are the two-dimensional finite element analyses based on the plane strain assumption. The purpose of this study is to investigate the contact size effects on the three-dimensional finite element model of a finite width of a flat specimen and a cylindrical pad exposed to fretting fatigue. The contact size effects were analyzed by means of the stress and strain averages at the element integration points of three-dimensional finite element model. This study shows that the fretting fatigue life of manufacturing systems can be predicted by three-dimensional finite element analysis based on SWT critical plane model.
The structural analysis module is an essential part of any integrated structural system. Diverse integrated systems today require, from the analysis module, efficient real-time responses to real-time input such as earthquake signals, extreme weather-related forces, and man-made accidents. An integrated system may also be for the entire life span of a civil structure conceived during the initial conception, developed throughout various design stages, effectively used in construction, and utilized during usage and maintenance. All these integrated systems' essential part is the structural analysis module, which must be automated and computationally efficient so that responses may be almost immediate. The finite element method is often used for structural analysis, and for automation, many effective finite element meshes must be automatically generated for a given analysis. A computationally efficient finite element mesh generation scheme based on the r-h method of mesh refinement using strain deviations from the values at the Gauss points as error estimates from the previous mesh is described. Shape factors are used to sort out overly distorted elements. A standard cantilever beam analyzed by four-node plane stress elements is used as an example to show the effectiveness of the automated algorithm for a time-domain dynamic analysis. Although recent developments in computer hardware and software have made many new applications in integrated structural systems possible, structural analysis still needs to be executed efficiently in real-time. The algorithm applies to diverse integrated systems, including nonlinear analyses and general dynamic problems in earthquake engineering.
This paper describes an automated computer-aided engineering (CAE) system for micromachines whose size range 10 to 10$^3$${\mu}{\textrm}{m}$. An automatic finite element mesh generation technique, which is based on the fuzzy knowledge processing and computational geometry techniques, is incorporated into the system, together with one of commercial finite clement (FE) analysis codes, MARC, and one of commercial solid modelers, Designbase. The system allows a geometry model of concern to be a automatically converted to different FE models, depending on physical phenomena to be analyzed, i.e. electrostatic analysis, stress analysis, modal analysis and so on. The FE analysis models are then exported to the FE analysis code, and then analyses are performed. This system is successfully applied to an electrostatic micro actuator.
구조물의 동적 해석 자동화는 구조 통합 시스템에서 중요한 역할을 한다. 해석 결과에 따른 신속한 대피 또는 경고 조치가 신속하게 이루어지도록 해석 모듈은 짧은 실시간에 해석 결과를 출력해야 한다. 구조 해석법으로 세계적으로 가장 많이 사용되는 방법은 유한요소법이다. 유한요소법이 널리 사용되는 이유 중 하나는 사용의 편리다. 그러나 사용자가 유한요소망을 입력해야 하는데 요소망의 요소 수는 계상량과 정비례하고 요소망의 적절성은 에러와 연관된다. 본 연구는 시간 영역 동적 해석에서 전 단계 해석 결과를 사용하여 계산된 대표 변형률 값으로 오차를 평가하고, 요소 세분화는 절점 이동인 r-법과 요소 분할인 h-법의 조합으로 효율적으로 계산하는 적응적 요소망 형성 전략을 제시한다. 적용한 캔틸레버보와 간단한 프레임 예제를 통하여 적절한 요소망 형성, 정확성, 그리고 연산 효율성을 검증하였다. 이 방법의 간단함이 지진 하중, 풍하중, 비선형 해석 등에 의한 복잡한 구조 동적 해석에도 효율적으로 사용될 수 있는 것을 보여 준다.
This paper describes an automated evaluation of electrostatic field for micro motors whose sizes range 10 to 103um. Electric field modeling in micro motors has been generally restricted to in-plane two-dimensional finite element analysis (FEA). In this paper, the actual three-dimensional geometry of the micro motor is considered. An automatic FE mesh generation technique, which is based on the fuzzy knowledge processing and computational geometry techniques, is incorporated in the system, together with one of commercial FE analysis codes and one of commercial solid modelers. The system allows a geometry model of concern to be automatically converted to different FE models, depending on physical phenomena to be analyzed, electrostatic analysis and stress analysis and so on. The FE models are then exported to the FE analysis code, and then analyses are peformed. Then, analytical analysis and FE analysis about the torque generated by electrostatic micro motor are performed. The starting torque is proportional to $V^2$, the calculated starting torque from the two-dimensional analytical solutions are three times larger than those from the three-dimensional FE solutions.
이 논문에서는 공용중인 구조물의 상시 계측 자료를 사용한 온라인 유한요소 모델 업데이트 방법을 제안한다. 일반적인 최적화 방법에 기반한 기존의 방법은 최적해를 찾기까지 반복적으로 고유치 해석을 수행해야 하므로 상시 업데이트에 사용하기에는 효과적이지 못하다. 제안하는 방법은 별도의 오프라인 작업이나 사용자의 개입이 없이 자동화된 과정으로 계측과 동시에 온라인 유한요소모델 업데이트를 수행할 수 있는 새로운 방법이다. 자동화된 Cov-SSI 알고리즘을 통해 구조물의 진동 계측 신호로부터 고유진동수 및 모드 형상을 식별하고, 이를 다시 역 고유치 신경망에 입력하여 최종적으로 업데이트된 유한요소 모델의 파라미터를 추정한다. 풍하중을 받는 20층 전단 빌딩 구조 모형에 대한 수치예제를 통해 제시한 방법이 자동으로 연속적인 유한요소모델 업데이트를 할 수 있었음을 확인하였다. 또한, 계측 도중 구조물의 특성이 변화하는 시나리오에 대한 예제에서 구조물의 변화가 일어나는 시점과 변화 후 변동된 구조 모델 파라미터 값을 성공적으로 추정할 수 있음을 확인하였다.
Accurate stress intensity factor analyses and crack growth rate of surface -cracked components in inhomogeneous materials are needed fur reliable prediction of their fatigue life and fracture strengths. This paper describes an automated stress intensity factor analysis of three-dimensional (3D) cracks in inhomogeneous materials. 3D finite element method (FEM) was used to obtain the stress intensity factor fur subsurface cracks and surface cracks existing in inhomogeneous materials. To examine accuracy and efficiency of the present system, the stress intensity factor for a semi-elliptical surface crack in a plate subjected to uniform tension is calculated, and compared with Raju-Newman's solutions. Then the system is applied to analyze cladding effect of subsurface cracks in inhomogeneous materials. The results were compared with those surface cracks in homogeneous materials. It is clearly demonstrated from these analyses that the stress intensity factors for subsurface cracks are less than those of surface cracks. Also, this system is applied to analyze cladding effect of surface cracks in inhomogeneous materials.
Accurate stress intensity factor analyses and crack growth rate of surface-cracked components in inhomogeneous materials are needed for reliable prediction of their fatigue lift and fracture strengths. This paper describes an automated system for analyzing the stress intensity factors of three-dimensional (3D) cracks in inhomogeneous materials. 3D finite element method (FEM) was used to obtain the stress intensity factor for subsurface cracks and surface cracks existing in inhomogeneous materials. To examine accuracy and efficiency of the present system, the stress intensity factor for a semi-elliptical surface crack in a plate subjected to uniform tension is calculated, and compared with Raju-Newman's solutions. Then the system is applied to analyze cladding effect of subsurface cracks in inhomogeneous materials. The results were compared with those surface cracks in homogeneous materials. It is clearly demonstrated from these analyses that the stress intensity factors for subsurface cracks are less than those of surface cracks.
Seismic collapse analysis requires efficient and automated method to perform thousands of time history analyses. The paper introduced the advantages of speed and convergence property of explicit method, provided a few techniques to accelerate speed of calculation and developed an automated procedure for collapse assessment, which combines the strong capacity of commercial explicit finite element software and the flexible, intelligent specialties of control program written in FORTRAN language aiming at collapse analysis, so that tedious and heavy work of collapse analysis based on FEMAP695 can be easily implemented and resource of calculation can be made the best use of. All the key commands of control program are provided to help analyzers and engineers to cope with collapse assessment conveniently.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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