In this paper, a meshfree-enriched finite element method (ME-FEM) is introduced for the large deformation analysis of nonlinear path-dependent problems involving contact. In linear ME-FEM, the element formulation is established by introducing a meshfree convex approximation into the linear triangular element in 2D and linear tetrahedron element in 3D along with an enriched meshfree node. In nonlinear formulation, the area-weighted smoothing scheme for deformation gradient is then developed in conjunction with the meshfree-enriched element interpolation functions to yield a discrete divergence-free property at the integration points, which is essential to enhance the stress calculation in the stage of plastic deformation. A modified variational formulation using the smoothed deformation gradient is developed for path-dependent material analysis. In the industrial metal forming problems, the mortar contact algorithm is implemented in the explicit formulation. Since the meshfree-enriched element shape functions are constructed using the meshfree convex approximation, they pose the desired Kronecker-delta property at the element edge thus requires no special treatments in the enforcement of essential boundary condition as well as the contact conditions. As a result, this approach can be easily incorporated into a conventional displacement-based finite element code. Two elasto-plastic problems are studied and the numerical results indicated that ME-FEM is capable of delivering a volumetric locking-free and pressure oscillation-free solutions for the large deformation problems in metal forming analysis.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2003.11a
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pp.977-983
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2003
Free vibration analysis of helical springs was performed by the use of the commercial finite element analysis program, ANSYS. The investigation of national frequency was focused on the effect of various parameters such as boundary conditions, spring indices, number of coil turns and helix angles which are considered to affect the free vibration of a spring. The finite element method was validated by comparison with the result of a previouosly published literature. The similarity of frequency trend was shown among three boundary conditions: clamped-clamped, free-free, simpliy supported-simply supported but there was no similarity in light of mode shapes among them. Several modes showed similar frequencies on and near the frequencies identified by the natural frequency formula of Wahl. Natural frequencies increased with spring indices and number of turns decreasing and with helix angles increasing. The results investigated by finiete element method were compared with the experemental result and theoretical result and showed a good agreement among them.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2001.11b
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pp.1260-1265
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2001
It is important to model the mechanical structure precisely and reasonably in predicting the dynamic characteristics, controlling the vibration, and designing the structural dynamics. In the finite element modeling, the errors can be contained from the physical parameters, the approximation of the boundary conditions, and the element modeling, From the dynamic test. more precise dynamic characteristics can be obtained. Model updating using parameter modification is appropriate when the design parameter is used to analyze the input parameter like finite element method. Finite element analysis for free-free-free-free(FFFF) and clamped-free-free-free(CFFF) plate with uniform area and shape change are carried out as model updating examples, Mass and stiffness matrices are updated by comparing test and analytical modal frequencies. The result shows that the updated frequencies become closer to the test frequencies.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.16
no.10
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pp.6673-6678
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2015
Recently, the free form buildings are constructed frequently. Exterior and interior components of these buildings have the free cross-section and a curved shape. So, There are many usages of classical finite element having tapered section and free-style shape. Some general commercial applications like ETABS, SAP2000, MIDAS are usually used for the safety evaluation of the free form structures. However, there are some limits in the accuracy of structural analysis and the length of analysis time because a very complicated finite element mesh have to be used. Therefore, In this study, a pre and post program module was developed to take advantage of general 3-D curved beam element which has a free-style curved shape and mathematical backgrounds. Pre-post processing module has been developed in this study was developed to control the curvature of the curved members by the NURBS control points. As a result, fast geometric modeling than was possible commercial applications. In addition, realistic depiction of the shape and behavior patterns were possible because of the free-form building allows visual check of the free form.
A high precision shear deformable triangular element has been proposed for free vibration analysis of composite trapezoidal plates. The element has twelve nodes at the three sides and four nodes inside the element. Initially the element has fifty-five degrees of freedom, which has been reduced to forty-eight by eliminating the degrees of freedom of the internal nodes through static condensation. Plates having different side ratios (b/a), boundary conditions, thickness ratios (h/a=0.01, 0.1 and 0.2), number of layers and fibre angle orientations have been analyzed by the proposed shear locking free element. Trapezoidal laminate with concentrated mass at the centre has also been analyzed. An efficient mass lumping scheme has been recommended, where the effect of rotary inertia has been included. For validation of the present element and formulation few results of isotropic trapezoidal plate and square composite laminate have been compared with those obtained from open literatures. The numerical results for composite trapezoidal laminate have been given as new results.
The purpose of this paper is to study shear locking-free analysis of thick plates using Mindlin's theory and to determine the effects of the thickness/span ratio, the aspect ratio and the boundary conditions on the linear responses of thick plates subjected to uniformly distributed loads. Finite element formulation of the equations of the thick plate theory is derived by using higher order displacement shape functions. A computer program using finite element method is coded in C++ to analyze the plates clamped or simply supported along all four edges. In the analysis, 8- and 17-noded quadrilateral finite elements are used. Graphs and tables are presented that should help engineers in the design of thick plates. It is concluded that 17-noded finite element converges to exact results much faster than 8-noded finite element, and that it is better to use 17-noded finite element for shear-locking free analysis of plates. It is also concluded, in general, that the maximum displacement and bending moment increase with increasing aspect ratio, and that the results obtained in this study are better than the results given in the literature.
This study investigates the free vibration and buckling analyses of isotropic curved plate structures fixed at all ends. The Kirchhoff-Love Plate Theory (KLPT) and Finite Element Method (FEM) are employed to model the curved structure. In order to perform the finite element analysis, a four-node quadrilateral element with 5 degrees of freedom (DOF) at each node is utilized. Additionally, the drilling effect (θz) is considered as minimal to satisfy the DOF of the structure. Lagrange's equation of motion is used in order to obtain the first ten natural frequencies and the critical buckling values of the structure. The effects of various radii of curvatures and aspect ratio on the natural frequency and critical buckling load values for the single-bay and two-bay curved frames are investigated within this scope. A computer code based on finite element analysis is developed to perform free vibration and buckling analysis of curved plate frames. The natural frequency and critical buckling load values of the present study are compared with ANSYS R18.2 results. It has been concluded that the results of the present study are in good agreement with ANSYS results for different radii of curvatures and aspect ratio values of both single-bay and two-bay structures.
The purpose of this paper is to study shear locking-free parametric earthquake analysis of thick and thin plates using Mindlin's theory, to determine the effects of the thickness/span ratio, the aspect ratio and the boundary conditions on the linear responses of thick and thin plates subjected to earthquake excitations. In the analysis, finite element method is used for spatial integration and the Newmark-${\beta}$ method is used for the time integration. Finite element formulation of the equations of the thick plate theory is derived by using higher order displacement shape functions. A computer program using finite element method is coded in C++ to analyze the plates clamped or simply supported along all four edges. In the analysis, 17-noded finite element is used. Graphs are presented that should help engineers in the design of thick plates subjected to earthquake excitations. It is concluded that 17-noded finite element can be effectively used in the earthquake analysis of thick and thin plates. It is also concluded that, in general, the changes in the thickness/span ratio are more effective on the maximum responses considered in this study than the changes in the aspect ratio.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.30
no.1
s.244
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pp.18-25
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2006
The purpose of this research work is to demonstrate a successful application of hybrid-mixed formulation and nodeless degrees of freedom in developing a very accurate in-plane curved beam element for free vibration analysis. To resolve the numerical difficulties due to the spurious constraints, the present element, based on the Hellinger-Reissner variational principle and considering the effect of shear deformation, employed consistent stress parameters corresponding to cubic displacement polynomials with additional nodeless degrees. The stress parameters were eliminated by the stationary condition, and the nodeless degrees were condensed by Guyan Reduction. Several numerical examples indicated that the property of the mass matrix as well as that of the stiffness matrix have a great effect on the numerical performance. The element with consistent mass matrix produced best results on convergence and accuracy in the numerical analysis of Eigenvalue problems. Also, the higher-order mixed curved beam element showed a superior numerical behavior for the free vibration analyses.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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