Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.28
no.5
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pp.485-490
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2015
This paper presents development of a geometrically nonlinear triangular planar element including rotational degrees of freedom, based on the co-rotational(CR) formulation. The CR formulation is one of the efficient geometrically nonlinear formulations and it is based on the assumptions on small strain and large rotation. In this paper, modified CR formulation is suggested for the developemnt of a triangular planar element. The present development is validated regarding the static and time transient problems. The present results are compared with the results predicted by the previous researchers and those obtained by the existing commercial software.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.30
no.1
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pp.1-6
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2017
This paper presents development of the nine-node co-rotational(CR) planar element applicable for elastoplastic and contact analysis. The CR formulation is one of the efficient geometrically nonlinear formulations. It is based on the assumptions of small strain and large displacement. Further, it is extended to both elastoplastic analysis and contact analysis in this paper. For accurate plastic analysis, nine-node quadrilateral element, which can provide accurate stress prediction, is chosen. Bi-linear hardening rule based on Newton- Raphson return-mapping is employed. Also, Lagrange multiplier is used in order for constraints regarding the contact analysis. The present development is validated via the time transient problems. The present results are compared with those obtained by the other existing software.
Cho, Haeseong;Joo, HyunShig;Lee, Younghun;Gwak, Min-cheol;Shin, SangJoon;Yoh, Jack J.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.44
no.9
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pp.775-780
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2016
In this paper, a computational algorithm of an improved and versatile structural analysis applicable for large-size flexible nonlinear structures is developed. In more detail, nonlinear finite element based on the co-rotational (CR) framework is developed. Then, a finite element tearing and interconnecting method using local Lagrange multipliers (FETI-local) is combined with the nonlinear CR finite element. The resulting computational algorithm is presented and applied for nonlinear static analyses, i.e., cantilevered beam and multibody structure. Finally, the proposed analysis is evaluated with regard to its parallel computation performance, and it is compared with those obtained by serial computation using the sparse matrix linear solver, PARDISO.
In this paper, we described a co-rotational formulation for the geometrical nonlinear analysis of three-dimensional frames. We suggested a new concept called the Zero-Twist-Section Condition (ZTSC) to decide the element coordinate system consistently. According to the ZTSC procedure, it is possible to obtain an element coordinate system and natural deformations consistently when finite displacements and rotations are induced in an element. Based on the developed procedure, numerical examples are investigated to calculate natural rotations while finite displacements are imposed on an element. Also, the developed co-rotational procedure gives accurate results in the analysis of post-buckling problems with finite rotations.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.30
no.3
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pp.255-263
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2017
This paper presents a beam element capable of conducting material and geometric nonlinear analysis for applications requiring the ultimate behavioral analysis of structures with composite cross-sections. The element formulation is based on co-rotational kinematics to simulate geometrically nonlinear behaviors, and it uses the fiber section method to calculate the stiffness and internal forces of the element. The proposed element was implemented using an in-house numerical program in which an arc-length method was adopted to trace severe nonlinear responses(such as snap-through or snapback), as well as ductile behavior after the peak load. To verify the proposed method of element formulation and the accuracy of the program that was used to employ the element, several numerical studies were conducted and the results from these numerical models were compared with those of three-dimensional continuum models and previous studies, to demonstrate the accuracy and computational efficiency of the element. Additionally, by evaluating an example case of a frame structure with a composite member, the effects of differences between composite material properties such as the elastic modulus ratio and strength ratio were analyzed. It was found that increasing the elastic modulus of the external layer of a composite cross-section caused quasi-brittle behavior, while similar responses of the composite structure to those of homogeneous and linear materials were shown to increase the yield strength of the external layer.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.25
no.3
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pp.195-202
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2012
Two nonlinear frame elements taking into account geometric nonlinearity is presented and compared based on the Lagrangian co-rotational formulation. The first frame element is believed to be geometrically-exact because not only tangent stiffness matrices is exactly evaluated including stiffness matrices due to initial deformation but also total member forces are directly determined from total deformations in the deformed state. Particularly two exact tangent stiffness matrices based on total Lagrangian and updated Lagrangian formulation, respectively, are verified to be identical. In the second frame element, the deformed curved shape is regarded as the polygon and current flexural deformations in iteration process are neglected in evaluating tangent stiffness matrices and total member forces. Two numerical examples are given to demonstrate the accuracy and the good performance of the first frame element compared with the second element. Furthermore it is shown that the first frame element can be used in tracing nonlinear behaviors of cable members.
An explicit finite element nonlinear formulation for very large deformations of plane frame structures is developed. The formulation is based on an updated material reference frame and hence a true stress-strain relationship can be directly applied to characterize the properties of material which is subjected to very large deformations. In the formulation, a co-rotational approach is applied to deal with the large rotations but small strain problems. Straight beam element is considered when the strain of an element is large. The element formulation is based on the small deflection beam theory but with the inclusion of the effect of axial force. The element equations are constructed in an element local coordinate system which rotates and translates with the element, and then transformed to the global coordinate system. Several numerical examples are analyzed to validate the presented formulation.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.28
no.5
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pp.467-475
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2015
In this paper, the behaviour of a cantilevered beam was predicted to examine the difference between linear and non-linear static, dynamic analysis for a structure by using CR nonlinear formulation. Then, external transverse static and dynamic loads were applied at the free tip of the beam. Classical theories were used for the present linear analysis and co-rotational dynamic FEM program was used for the present nonlinear analysis. In the static analysis, effects of the load for the beam deflection were observed in both linear and nonlinear analysis. Then, normalized displacement at the tip of the beam was predicted for different frequency ratio and a significant difference was obtained in the vicinity of the resonant frequency. In addition, effects of frequency and time for the beam deflection were investigated to find the frequency delay.
A co-rotational quasi-conforming formulation of four- node stress resultant shell elements using Ivanov-Ilyushin yield criteria are presented for the nonlinear analysis of plate and shell structure. The formulation of the geometrical stiffness is defined by the full definition of the Green strain tensor and it is efficient for analyzing stability problems of moderately thick plates and shells as it incorporates the bending moment and transverse shear resultant force. As a result of the explicit integration of the tangent stiffness matrix, this formulation is computationally very efficient in incremental nonlinear analysis. This formulation also integrates the elasto-plastic material behaviour using Ivanov Ilyushin yield condition with isotropic strain hardening and its asocia ted flow rules. The Ivanov Ilyushin plasticity, which avoids multi-layer integration, is computationally efficient in large-scale modeling of elasto-plastic shell structures. The numerical examples herein illustrate a satisfactory concordance with test ed and published references.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.26
no.3A
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pp.447-455
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2006
A general purpose of 4-node co-rotational resultant shell element is developed for the solution of nonlinear problems of reinforced concrete, steel and fiber-reinforced composite structures. The formulation of the geometrical stiffness presented here is defined on the mid-surface by using the second order kinematic relations and is efficient for analyzing thick plates and shells by incorporating bending moment and transverse shear resultant forces. The present element is free of shear locking behavior by using the ANS (Assumed Natural Strain) method such that the element performs very well as thin shells. Inelastic behaviour of concrete material is based on the plasticity with strain hardening and elasto-plastic fracture model. The plasticity of steel is based on Von-Mises Yield and Ivanov Yield criteria with strain hardening. The transverse shear stiffness of laminate composite is defined by an equilibrium approach instead of using the shear correction factor. The proposed formulation is computationally efficient and versitile for most civil engineering application and the test results showed good agreement.
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