본 논문에서는 평활화 유한요소법(Smoothed finite element method)을 도입한 응력 기반 구배 탄성론(Gradient elasticity)의 2차원 경계치 문제에 대한 연구를 수행하였다. 구배 탄성론은 기존 탄성론에서는 표현할 수 없는 미소규모의 크기 의존적인 기계적 거동을 설명하기 위해 제안되었다. 구배 탄성체론에서 고차 미분 방정식을 두 개의 2차 미분 방정식으로 분할하는 Ru-Aifantis 이론을 사용하기 때문에 평활화 유한요소법에 적용이 가능하게 된다. 본 연구에서 경계치 문제를 해결하기 위해 평활화 유한 요소 프레임워크에 스태거드 방식(Staggered scheme)을 사용하여 국부 변위장과 비국부 응력장을 평활화 영역 및 요소에서 각각 계산하였다. 구배 탄성에서 중요한 변수인 내부 길이 척도의 영향을 측정하기 위해 일련의 수치 예제를 수행하였다. 수치 해석 결과는 제안한 기법이 내부 길이 척도에 따라 균열 선단과 전위 선에 나타나는 응력 집중을 완화할 수 있음을 보여준다.
Azqandi, Mojtaba Sheikhi;Hassanzadeh, Mahdi;Arjmand, Mohammad
Advances in Computational Design
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제4권1호
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pp.15-32
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2019
One of the efficient and useful tools to achieve the optimal design of structures is employing the sensitivity analysis in the finite element model. In the numerical optimization process, often the semi-analytical method is used for estimation of derivatives of the objective function with respect to design variables. Numerical methods for calculation of sensitivities are susceptible to the step size in design parameters perturbation and this is one of the great disadvantages of these methods. This article uses complex variables method to calculate the sensitivity analysis and combine it with discrete sensitivity analysis. Finally, it provides a new method to obtain the sensitivity analysis for linear structures. The use of complex variables method for sensitivity analysis has several advantages compared to other numerical methods. Implementing the finite element to calculate first derivatives of sensitivity using this method has no complexity and only requires the change in finite element meshing in the imaginary axis. This means that the real value of coordinates does not change. Second, this method has the lower dependency on the step size. In this research, the process of sensitivity analysis calculation using a finite element model based on complex variables is explained for linear problems, and some examples that have known analytical solution are solved. Results obtained by using the presented method in comparison with exact solution and also finite difference method indicate the excellent efficiency of the proposed method, and it can predict the sustainable and accurate results with the several different step sizes, despite low dependence on step size.
Journal of the Korean Society for Industrial and Applied Mathematics
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제17권4호
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pp.221-237
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2013
In this paper an asymptotic numerical method named as Initial Value Method (IVM) is suggested to solve the singularly perturbed weakly coupled system of reaction-diffusion type second order ordinary differential equations with negative shift (delay) terms. In this method, the original problem of solving the second order system of equations is reduced to solving eight first order singularly perturbed differential equations without delay and one system of difference equations. These singularly perturbed problems are solved by the second order hybrid finite difference scheme. An error estimate for this method is derived by using supremum norm and it is of almost second order. Numerical results are provided to illustrate the theoretical results.
Journal of the Korean Society for Industrial and Applied Mathematics
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제19권1호
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pp.1-21
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2015
This paper presents two algorithms based on the Jamshidian equation which is from the Black-Scholes partial differential equation. The first algorithm is for American call options and the second one is for American put options. They compute numerically free boundary and then option price, iteratively, because the free boundary and the option price are coupled implicitly. By the upwind finite-difference scheme, we discretize the Jamshidian equation with respect to asset variable s and set up a linear system whose solution is an approximation to the option value. Using the property that the coefficient matrix of this linear system is an M-matrix, we prove several theorems in order to formulate a bisection method, which generates a sequence of intervals converging to the fixed interval containing the free boundary value with error bound h. These algorithms have the accuracy of O(k + h), where k and h are step sizes of variables t and s, respectively. We prove that they are unconditionally stable. We applied our algorithms for a series of numerical experiments and compared them with other algorithms. Our algorithms are efficient and applicable to options with such constraints as r > d, $r{\leq}d$, long-time or short-time maturity T.
In the present study, the total hydrodynamic pressure exerted by the fluid on walls of rectangular tanks due to horizontal excitations of different frequencies, is investigated by pressure based finite element method. Fluid within the tanks is invisid, compressible and its motion is considered to be irrotational and it is simulated by two dimensional eight-node isoparametric. The walls of the tanks are assumed to be rigid. The total hydrodynamic pressure increases with the increase of exciting frequency and has maximum value when the exciting frequency is equal to the fundamental frequency. However, the hydrodynamic pressure has decreasing trend for the frequency greater than the fundamental frequency. Hydrodynamic pressure at the free surface is independent to the height of fluid. However, the pressure at base and mid height of vertical wall depends on height of fluid. At these two locations, the hydrodynamic pressure decreases with the increase of fluid depth. The depth of undisturbed fluid near the base increases with the increase of depth of fluid when it is excited with fundamental frequency of fluid. The sloshing of fluid with in the tank increases with the increase of exciting frequency and has maximum value when the exciting frequency is equal to the fundamental frequency of liquid. However, this vertical displacement is quite less when the exciting frequency is greater than the fundamental frequency.
This paper proposes a hybrid successive over-relaxation iterative method for the numerical solution of a nonlinear diffusion in a one-dimensional porous medium. The considered mathematical model is discretized using a computational complexity reduction scheme called half-sweep finite differences. The local truncation error and the analysis of the stability of the scheme are discussed. The proposed iterative method, which uses explicit group technique and modified successive over-relaxation, is formulated systematically. This method improves the efficiency of obtaining the solution in terms of total iterations and program elapsed time. The accuracy of the proposed method, which is measured using the magnitude of absolute errors, is promising. Numerical convergence tests of the proposed method are also provided. Some numerical experiments are delivered using initial-boundary value problems to show the superiority of the proposed method against some existing numerical methods.
A shape error of the sheet metal product made by a flexible stretch forming process is occurred by a various forming parameters. A die used in the flexible stretch forming is composed of a punch array to obtain the various objective surfaces using only one die. But gaps between the punches induce the shape error and the defect such as a scratch. Forming parameters of the punch size and the elastic pad to prevent the surface defect must be considered in the flexible die design process. In this study, tendency analysis of shape error according to the forming parameters in the flexible stretch process is conducted using a finite element method. Three forming parameters, which are the punch size, the objective curvature radius and the elastic pad thickness, are considered. Finite element modeling using the punch height calculation algorithm and the evaluation method of the shape error, which is a representative value for the formability of formed surface, are proposed. Consequently, the shape error is in proportion to the punch size and is out of proportion to the objective curvature radius and the elastic pad thickness.
유한요소해석 프로그램인 ANSYS를 이용하여 수정진동자의 진동 및 주파수특성을 해석하였다. 수정진동자의 직경을 고정하고 두께를 변화시키면서 주파수특성을 조사하였다. 전극박막을 금, 은, 알루미늄으로 적층하였을 경우, 금속의 종류에 따른 공진주파수를 구하였다. 그 결과 유한요소법을 이용하여 수정진동자의 최적조건을 예측할 수 있었다. 또 수정편 두께가 0.2mm 보다 작은 영역에서의 주공진주파수는 8.102 MHz이상의 고주파를 얻을 수 있는 것을 확인하였다. 전극박막으로 사용한 금속의 종류에 따른 수정진동자의 주공진주파수 변화를 조사한 결과, 금이나 은에 비해 알루미늄이 우수한 주파수특성을 나타내었다.
본 연구에서는 축대칭 하이드로포밍 공정을 강소성 유한요소법을 이용하여 이 론적으로 해석하여 응력분포, 변형도 분포등을 구하였다.CNC 하이드로포밍프레스를 이용하여 냉간 압연강판에 대하여 실험을 수행하고 수치해석결과와 비교하고 이로부터 하이드로포밍의 성형성에 대하여 논의하였다.
The finite element method is one of the most widely used method of structural analysis that has wide applications in diverse fields of engineering and science. The method has been proven effective and reliable in many practical problems. One of the reasons for the methods' popularity is its ease of use, but still the user has to input the finite element mesh which affects the accuracy of the results. The knowledge required to form an effective mesh for a given problem is somewhat complex and for sometime there has been research effort to automate the generation of the mesh and this is called the adaptive mesh generation scheme. A good adaptive mesh scheme seemed to require an accurate assessment of error and generally this requires some additional computation. This paper looks into the possibility of generating adaptive meshes based on representative strain values in each finite element method. The proposed adaptive scheme does not require additional computations other that looking up the data values already computed as finite element analysis results and simple manipulations of these data. Two plane stress problems, a plate with a hole and a deep beam with a concentrated load at the end are considered to show the progress of the improved generation of adaptive meshes using the scheme.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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