Because of the high stress concentration near the toe of a welded joint, the calculation of local stress using the finite element method which is relevant to the fatigue strength of the weld toe crack, is a challenging task. This is mainly caused by the sensitivity of finite element analysis, which usually occurs near the area of a dramatically changing stress field. This paper presents a novel numerical method through which a less mesh-sensitive local stress calculation can be achieved based on the 3D solid finite element, strictly sticking to the original definition of hot spot stress. In order to achieve the goal, a traction stress, defined at 0.5t and 1.5t away from the weld toe, was calculated using either a force-equivalent or work-equivalent approach, both of which are based on the internal nodal forces on the imaginary cut planes. In the force-equivalent approach, the traction stress on the imaginary cut plane was calculated using the simple force and moment equilibrium, whereas the equivalence of the work done by both the nodal forces and linearized traction stress was employed in the work-equivalent approach. In order to confirm the validity of the proposed method, five typical welded joints widely used in ships and offshore structures were analyzed using five different solid element types and four different mesh sizes. Finally, the performance of the proposed method was compared with that of the traditionally used surface stress extrapolation method. It turned out that the sensitivity of the hot spot stress for the analyzed typical welded joints obtained from the proposed method outperformed the traditional extrapolation method by far.
The present paper presents multiscale modelling via coupling of the discrete and finite element methods. Theoretical formulation of the discrete element method using spherical or cylindrical particles has been briefly reviewed. Basic equations of the finite element method using the explicit time integration have been given. The micr-macro transition for the discrete element method has been discussed. Theoretical formulations for macroscopic stress and strain tensors have been given. Determination of macroscopic constitutive properties using dimensionless micro-macro relationships has been proposed. The formulation of the multiscale DEM/FEM model employing the DEM and FEM in different subdomains of the same body has been presented. The coupling allows the use of partially overlapping DEM and FEM subdomains. The overlap zone in the two coupling algorithms is introduced in order to provide a smooth transition from one discretization method to the other. Coupling between the DEM and FEM subdomains is provided by additional kinematic constraints imposed by means of either the Lagrange multipliers or penalty function method. The coupled DEM/FEM formulation has been implemented in the authors' own numerical program. Good performance of the numerical algorithms has been demonstrated in a number of examples.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.29
no.9
s.240
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pp.1225-1234
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2005
Mode I stress intensity factor $(K_I)$ of Notched Ring Test(NRT) specimen for measuring slow crack growth resistance was found using finite-element method. The theoretical $K_I$ value of NRT was not available in any references and could not be solved analytically. At first, in order to verify the accuracy of the finite-element approach, published $K_I$ values of several cracks were calculated and compared with finite-element results. The results were in good agreement within inherent errors of theoretical $K_I$. Finally the mode I stress intensity factor of NRT was found using 2- and 3-dimensional finite-element methods and expressed as a function of the applied load. This enabled direct comparison of resistance to slow crack growth between NRT and Notched Pipe Test(NPT), which employ different loading regime.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.30
no.12
s.255
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pp.1518-1525
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2006
Finite element analyses of structures made of the fiber reinforced composites require an adequate method to characterize the high anisotropic behavior induced by one or several layers of fiber cords with different spatial orientation embedded in a rubber matrix. This paper newly proposes a continuum based rebar element considering change of the orientation of the fiber during deformation of the composite. The mechanical behavior of the embedded fiber is modeled using two-node bar elements in order to consider the relative deformation and spatial orientation of the embedded fiber. For improvement of the analysis accuracy, the load-displacement curve of fiber is applied to the stiffness matrix of fiber. A finite element program is constructed based on the total Lagrangian formulation considering both geometric and material nonlinearity. Finite element analyses of the tensile test are carried out in order to evaluate the validity of the proposed method. Analysis results obtained with the proposed method provides realistic representation of the fiber reinforced rubber composite compared to results of other two models by the Halpin-Tsai equation and a rebar element in ABAQUS/Standard.
The strengthening of reinforced concrete structures using externally bonded steel or advanced fibre reinforced plastic (FRP) composites is becoming increasingly common. A key factor affecting the behaviour and reliability of such strengthened structures is the bond strength between the steel or FRP plate and the concrete substrate. Several different experimental set-ups have previously been used to determine bond strength. This paper presents a careful finite element analysis of the stress distributions in these test set-ups. Results show that stress distributions can be significantly different for different set-ups, for similar materials and geometry.
The finite volume method was utilized for computation of convection heat transfer in a two-dimensional enclosure with an inflow opening and an outflow opening. The objective of this study is to investigate temperature distribution on ceiling for different locations and sizes of the outflow opening. The inflow opening was set to be H$_{i}$=0 and U=50. The results fur different sizes of the opening H$_{0}$=0.1, 0.2, 0.3, and 0.4 shooed similar flow patterns and temperature distribution. Location of the outflow opening, however, influenced significantly on the temperature distribution on the ceiling.ing.
In finite element analysis of mechanical behavior of weld, typical process is first to obtain a finite element model containing residual stress by conducting welding analysis and then to examine the computational specimen for various external loading. The numerical specimen with residual stress has irregular boundary lines since one usually begins the welding analysis from a body having regular straight boundary lines and large thermal contraction takes place during cooling of weld metal. We notice that these numerical weld specimens are different from the real weld specimens as the real specimens are usually cut from a bigger weld part and consequently have straight boundaries neglecting elastic relaxation associated with the cutting. In this paper, an iterative finite element method is described to obtain a weld specimen which is bounded by straight lines. The stress distributions of two types of weld specimen, one with regular and the other with irregular boundaries, are compared to check the effect of the boundary shape. Results show that the stress distribution can be different when large plastic deformation is induced by the application of external loading. In case of elastic small deformation, the difference turns out almost negligible.
In the current study, a rate-dependent crystal plasticity finite element method (CPFEM) was used to simulate flow stress behavior and texture evolution of a body-centered cubic (BCC) crystalline material during plastic deformation at room temperature. To account for crystallographic slip and rotation, a rate-dependent crystal constitutive law with a hardening model was incorporated into an in-house finite element program, CAMPform3D. Microstructural heterogeneity and anisotropy were handled by assigning a crystallographic orientation to each integration point of the element and determining the stiffness matrix of the individual crystal. Uniaxial tensile tests of single crystals with different crystallographic orientations were simulated to determine the material parameters in the hardening model. The texture evolution during four different deformation modes - uniaxial tension, uniaxial compression, channel die compression, and simple shear deformation - was investigated based on the comparison with experimental data available in the literature.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2005.03a
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pp.633-640
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2005
Most existing methods for the footing settlement estimation are for either isolated or strip footings. No sufficient details are available for settlement calculation of footings with different shapes and multiple footing conditions, which are commonly adopted in actual construction projects. In this paper, estimation of footing settlements for various footing conditions of different shapes and multiple conditions is investigated based on Schmertmann's method with focus on values of the strain influence factor $I_z$. In order to examine the effect of multiple footing conditions, field plate load tests are performed in sands using single and double plates. 3D non-linear finite element analyses are also performed for various footing conditions with different footing shape and distance ratios. Results obtained in this study indicate that there are two significant components in the strain influence diagram that need to be taken into account for settlement estimation of rectangular and multiple footings: depth of $I_{zp}$ and depth of strain influence zone. Based on results from experimental and 3D non-linear finite element analyses, improved strain influence diagrams available for various footing conditions are proposed.
The non-linear static analysis of reinforced concrete (RC) structures using the three-dimensional (3D) finite element method is a time-consuming and challenging task. Moreover, this type of analysis encounters numerical problems such as the lack of convergence of results in the stages of growth and propagation of cracks in the structure. The time integration analysis along with the mass scaling (MS) technique is usually used to overcome these limitations. Despite the use of this method in the 3D finite element analysis of RC structures, a comprehensive study has not been conducted so far to assess the effects of the MS method on the accuracy of results. This study aims to evaluate the accuracy of the MS method in the non-linear quasi-static finite element analysis of RC structures. To this aim, different types of RC structures were simulated using the finite element approach based on the implicit time integration method and the mass scaling technique. The influences of effective parameters of the MS method (i.e., the allowable values of increase in the mass of the RC structure, the relationship between the duration of the applied load and fundamental vibration period of the RC structure, and the pattern of applied loads) on the accuracy of the simulated results were investigated. The accuracy of numerical simulation results has been evaluated through comparison with existing experimental data. The results of this study show that the achievement of accurate structural responses in the implicit time integration analyses using the MS method involves the appropriate selection of the effective parameters of the MS method.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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