Non-stationary random vibration of linear structures with uncertain parameters is investigated in this paper. A time-domain explicit formulation method is first presented for dynamic response analysis of deterministic structures subjected to non-stationary random excitations. The method is then employed to predict the random responses of a structure with given values of structural parameters, which are used to fit the conditional expectations of responses with relation to the structural random parameters by the response surface technique. Based on the total expectation theorem, the known conditional expectations are averaged to yield the random responses of stochastic structures as the total expectations. A numerical example involving a frame structure is investigated to illustrate the effectiveness of the present approach by comparison with the power spectrum method and the Monte Carlo simulation method. The proposed method is also applied to non-stationary random seismic analysis of a practical arch bridge with structural uncertainties, indicating the feasibility of the present approach for analysis of complex structures.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.17
no.2
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pp.193-200
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2000
In the sheet metal forming process, the drawbead is used to control the flow of material during the forming process. The drawbead provides proper restraining force to the material and prevents defects such as wrinkling or breakage. For these reasons, many studies for designing the effective drawbead have been conducted. In this paper, the influence of the number of drawbead during the blank forming process will be introduced. For the analysis, the numerical method called the static-explicit finite element method was used. The finite element analysis code for this method has been developed and applied to the drawbead process problems. It is expected that this static-explicit finite element method could overcome heavy computation time and convergence problem due to the increase of drawbeads.
In the previous development of the recursive thermostat chained fully flexible cell molecular dynamics simulation, implicit time integration method such as generalized leapfrog integration is used. The implicit algorithm is very much complicated and not easy to show time reversibility because it is solved by the nonlinear iterative procedure. Thus we develop simple, explicit symplectic time integration formula for the recursive thermostat chained fully flexible unit cell simulation. Uniaxial tension test is performed to verify the present explicit algorithm. We check that the present simulation satisfies the ergodic hypothesis for various values of fictitious mass and coefficient of multiple thermostat system. The proposed method should be helpful to predict mechanical and thermal behavior of nano-scale structure.
Optimized high-order compact(OHOC) schemes were proposed, which have high spatial order of truncation and resolution to simulate the aeroacoustic problems due to unsteady compressible flows. Generally, numerical schemes are categorized explicit or implicit by time-marching method. In this research, OHOC differences which were developed with explicit time-marching method is used to have implicit formulation and the implicit OHOC differences result in block hepta-diagonal matrix. This paper presents the comparisons between the explicit and implicit OHOC schemes with a second order accuracy of time in the 1-d linear wave convection problem, and between the explicit OHOC scheme of 4th-order accuracy in time and the implicit OHOC scheme of 1st-order accuracy in tine for the 1-d nonlinear wave convection problem. With these comparisons, the characteristics of implicit OHOC scheme are shown in the point of CFL number.
In this paper, semi-rigid elasto-plastic post-buckling analysis of a space frame was performed using various explicit arc-length methods. Various explicit arc-length methodsand a large-deformation and small-strain elasto-plastic 3D space frame element with semi-rigid connections and plastic hinges were developed. This element can be appliedto both explicit and implicit numerical algorithms. In this study, the Dynamic Relaxation method was adopted in the predictor and corrector processesto formulate an explicit arc-length algorithm. The developed "explicit-predictor" or "explicit-corrector" were used in the elasto-plastic post-buckling analysis. The Eulerian equations for a beam-column with finite rotation, which considers the bowing effects, were adopted for the elastic system and extended to theinelastic system with a plastic hinge concept. The derived tangent stiffness matrix was asymmetrical due to the finite rotation. The joint connection elements were introduced for semi-rigidity using a static condensation technique. Semi-rigid elasto-plastic post-buckling analyses were carried out to demonstrate the potential of the developed explicit arc-length method and advanced space frame element in terms of accuracy and efficiency.
In the sheet metal forming process, the drawbead is used to control the flow of material during the forming process. The drawbead provides proper restraining force to the material and prevents defects such as wrinkling or breakage. For these reasons, many studies for designing the effective drawbead have been conducted. For the analysis, the numerical method called the static-explicit finite element method was used. The finite element analysis code for this method has been developed and applied to the drawbead process problems. In result, convergence problem and computation time due to large non-linearity in the existing numerical analysis methods were no longer a critical problem. Futhermore, this approach could treat the contact friction problem easily by applying very small time intervals. It is expected that various results from the numerical analysis will give very useful information for the design of tools in sheet metal forming process.
A new method is proposed for random vibration anaylsis of hysteretic systems subjected to non-stationary random excitations. With the Bouc-Wen model, motion equations of hysteretic systems are first transformed into quasi-linear equations by applying the concept of equivalent excitations and decoupling of the real and hysteretic displacements, and the derived equation system can be solved by either the precise time integration or the Newmark-${\beta}$ integration method. Combining the numerical solution of the auxiliary differential equation for hysteretic displacements, an explicit iteration algorithm is then developed for the dynamic response analysis of hysteretic systems. Because the computational cost for a large number of deterministic analyses of hysteretic systems can be significantly reduced, Monte-Carlo simulation using the explicit iteration algorithm is now viable, and statistical characteristics of the non-stationary random responses of a hysteretic system can be obtained. Numerical examples are presented to show the accuracy and efficiency of the present approach.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.15
no.1
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pp.1-10
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1991
Two-dimensional explicit finite element code was developed. The transient dynamics code can analyse large deformations of non-linear materials subjected to extremely high strain rates. The Lagrangian finite element program uses an explicit time integration operator to integrate the equations of motion, thus the stiffness matrix is not introduced. Cylinder upsetting and ring compression problems are simulated to check the effects of friction and inertia force. It is shown that (1) calculated results agree very well with experimental results, (2) constant shear friction method overestimates the decrease of inner ring radius and then underestimates after on in comparison with the Coulomb friction method, and (3) the effect of the increase in initial strain rate is similar to the effect of higher frictional coefficient.
A novel family of controllable, dissipative structure-dependent integration methods is derived from an eigen-based theory, where the concept of the eigenmode can give a solid theoretical basis for the feasibility of this type of integration methods. In fact, the concepts of eigen-decomposition and modal superposition are involved in solving a multiple degree of freedom system. The total solution of a coupled equation of motion consists of each modal solution of the uncoupled equation of motion. Hence, an eigen-dependent integration method is proposed to solve each modal equation of motion and an approximate solution can be yielded via modal superposition with only the first few modes of interest for inertial problems. All the eigen-dependent integration methods combine to form a structure-dependent integration method. Some key assumptions and new techniques are combined to successfully develop this family of integration methods. In addition, this family of integration methods can be either explicitly or implicitly implemented. Except for stability property, both explicit and implicit implementations have almost the same numerical properties. An explicit implementation is more computationally efficient than for an implicit implementation since it can combine unconditional stability and explicit formulation simultaneously. As a result, an explicit implementation is preferred over an implicit implementation. This family of integration methods can have the same numerical properties as those of the WBZ-α method for linear elastic systems. Besides, its stability and accuracy performance for solving nonlinear systems is also almost the same as those of the WBZ-α method. It is evident from numerical experiments that an explicit implementation of this family of integration methods can save many computational efforts when compared to conventional implicit methods, such as the WBZ-α method.
The explicit and implicit time integration methods are applied effectively to analyze sheet metal stamping processes, which include the forming stage and the springback stage consecutively. The explicit time integration method has better merits in the forming stage including highly complicated three-dimensional contact conditions. By contrary, the implicit time integration method is better for analyzing springback since the complicated contact conditions are removed and the computing time to get the final static state is short. In this work, brief descriptions of the formulation and the factor study for springack simulations are presented. Further, the simulated results for the S-rail and the roof panel stamping processes are shown and discussed.
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