The dynamic response of two-dimensional unbounded domain on the rigid bedrock in the time domain is numerically obtained. It is realized by the modified scaled boundary finite element method (SBFEM) in which the original scaling center is replaced by a scaling line. The formulation bases on expanding dynamic stiffness by using the continued fraction approach. The solution converges rapidly over the whole time range along with the order of the continued fraction increases. In addition, the method is suitable for large scale systems. The numerical method is employed which is a combination of the time domain SBFEM for far field and the finite element method used for near field. By using the continued fraction solution and introducing auxiliary variables, the equation of motion of unbounded domain is built. Applying the spectral shifting technique, the virtual modes of motion equation are eliminated. Standard procedure in structural dynamic is directly applicable for time domain problem. Since the coefficient matrixes of equation are banded and symmetric, the equation can be solved efficiently by using the direct time domain integration method. Numerical examples demonstrate the increased robustness, accuracy and superiority of the proposed method. The suitability of proposed method for time domain simulations of complex systems is also demonstrated.
This paper presents an analysis method of a forward converter, using both the finite element method considering the external circuit and a state variables equation. The converter operates at 50kHz and its one period is divided into two modes for the simplicity of the analysis. In the first mode, the switching transistor turns on and an input power is transferred into the load by the electromagnetic conversion action of a ferrite transformer. In the second mode, the switching transistor turns off and the stored energy in an inductor is delivered to the load, and the transformer core is demagnetized by the reset winding current. In this paper, time-stepping finite element method taking into account the on-state electrical circuit of the converter in used to analyze both the electrical circuit and electromagnetic field of the magnetic device during the first mode and the demagnetization period of the transformer core. Then a state variables equation for the circuit which the inductor current flows is constituted and solved during the second mode. As a result, the simulation results have been good agreement with the results obtained form experiment.
Kweon, Hyeong Do;Kim, Jin Weon;Song, Ohseop;Oh, Dongho
Nuclear Engineering and Technology
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제53권2호
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pp.647-656
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2021
Knowing a material's true stress-strain curve is essential for performing a nonlinear finite element analysis to solve an elastoplastic problem. This study presents a simple methodology to determine the true stress-strain curve of type 304 and 316 austenitic stainless steels in the full range of strain from a typical tensile test. Before necking, the true stress and strain values are directly converted from engineering stress and strain data, respectively. After necking, a true stress-strain equation is determined by iteratively conducting finite element analysis using three pieces of information at the necking and the fracture points. The Hockett-Sherby equation is proposed as an optimal stress-strain model in a non-uniform deformation region. The application to the stainless steel under different temperatures and loading conditions verifies that the strain hardening behavior of the material is adequately described by the determined equation, and the estimated engineering stress-strain curves are in good agreement with those of experiments. The presented method is intrinsically simple to use and reduces iterations because it does not require much experimental effort and adopts the approach of determining the stress-strain equation instead of correcting the individual stress at each strain point.
The finite element analysis is one of the representative methods for predicting the materials behavior for experiments that are difficult to perform empirically. Constitutive equations are essential for reducing computation time and sharing data because they enable finite element analysis simulations through simple formulae. However, it is difficult to derive accurate flow curves for all materials as most constitutive equations are not formulated based on their physical meaning. Also, even if the constitutive equation is a good representation of the flow curve to the experimental results, some fundamental issues remain unresolved, such as the effect of mesh size on the calculation results. In this study, a new constitutive equation was proposed to predict various materials by modifying the combined Swift-Voce model, and the calculation results with various mesh sizes were compared to better simulate the experimental results.
The progressive failure following strain localization in concrete can be analyzed effectively using finite element modeling of fracture process zone of concrete with a finite element embedded discontinuity. In this study, a finite element with embedded discontinuous line is utilized for the analysis of progressive failure in concrete. The finite element with embedded discontinuity is a kind of discrete crack element, but the difficulties in discrete crack approach such as remeshing or adding new nodes along with crack growth can be avoided. Using a discontinuous shape function for this element, the displacement discontinuity is embedded within an element and its constitutive equation is modeled from the modeling of fracture process zone. The element stiffness matrix is derived and its dual mapping technique for numerical integration is employed. Then, a finite element analysis program with employed algorithms is developed and failure analysis results using developed finite element program are verified through the comparison with experimental data and other analysis results.
When we numerically model the bridge under seismic condition, the full model combining the super-structure and the sub-structure is considered for the more accurate results than the separate model. In this case, the super-structure is connected with the sub-structure by the elastic pad shoe that is difficult to model, because it has the three translational elastic stiffness and the three rotational elastic stiffness. The two-node General Link element is derived in finite element equation representing such a pad shoe, and it is verified by comparing the one General Link element model with the corresponding three legacy spring element model. It is easy to model the pad shoe, if the General Link finite element is used. And the seismic analysis result of the bridge full model structure, which is modeled with the General Link element, has been compared with the one of the separate model structure. The present study gives. more conservative result than that of the separate model, which does not consider the dynamic behaviour of the sub-structure.
An analytical method is presented to solve the elastodynamic problem of finitely long hollow cylinder subjected to torsional impact often occurs in engineering mechanics. The analytical solution is composed of a solution of quasi-static equation satisfied with the non-homogeneous boundary condition and a solution of dynamic equation satisfied with homogeneous boundary condition. The quasi-static solution is obtained directly by solving the quasi-static equation satisfied with the non-homogeneous boundary condition. The solution of the non-homogeneous dynamic equation is obtained by means of finite Hankel transform on the radial variable, r, Laplace transform on time variable, t, and finite Fourier transform on axial variable, z. Thus, the solution for finitely long, hollow cylinder subjected to torsion impact is obtained. In the calculating examples, the response histories and distributions of shear stress in the finitely long hollow cylinder subjected to an exponential decay torsion load are obtained, and the results have been analyzed and discussed. Finally, a dynamic finite element for the same problem is carried out by using ABAQUS finite element analysis. Comparing the analytical solution with the finite element solution, it can be found that two kinds of results obtained by means of two different methods agree well. Therefore, it is further concluded that the analytical method and computing process presented in the paper are effective and accurate.
While computer environments have been dramatically developed in recent years, as the building structures become larger, the structural analysis models are also becoming more complex. So there is still a need to model one shear wall with one finite element. From the viewpoint of the concept of FEA, if one shear wall is modeled by one finite element, the result of analysis is not likely accurate. Shear wall may be modelled with various finite elements. Among them, considering the displacement compatibility condition with the beam element connected to the shear wall, plane stress element with in-plane rotational stiffness is preferred. Therefore, in order to analyze one shear wall with one finite element accurately, it is necessary to evaluate finite elements developed for the shear wall analysis and to develop various plane stress elements with rotational stiffness continuously. According to the above mentioned need, in this study, the theory about a plane stress element using hierarchical interpolation equation is reviewed and stiffness matrix is derived. And then, a computer program using this theory is developed. Developed computer program is used for numerical experiments to evaluate the analysis results using commercial programs such as SAP2000, ETABS, PERFORM-3D and MIDAS. Finally, the deflection equation of a cantilever beam with narrow rectangular section and bent by an end load P is derived according to the elasticity theory, and it is used to for comparison with theoretical solution.
The problem analyzed here is a sheet metal forming process which requires a drawbead. The drawbead provides the sheet metal enough tension to be deformed plastically along the punch face and consequently, ensures a proper shape of final products by fixing the sheet to the die. Therefore, the optimum design of drawbead is indispensable in obtaining the desired formability. A static-explicit finite element analysis is carried out to provide a perspective tool for designing the drawbead. The finite element formulation is constructed from static equilibrium equation and takes into account the boundary condition that involves a proper contact condition. The deformation behavior of sheet material is formulated by the elastic-plastic constitutive equation. The finite element formulation has been solved based on an existing method that is called the static-explicit method. The main features of the static-explicit method are first that there is no convergence problem. Second, the problem of contact and friction is easily solved by application of very small time interval. During the analysis of drawbead processes, the strain distribution and the drawing force on drawbead can be analyzed. And the effects of bead shape and number of beads on sheet forming processes were investigated. The results of the static explicit analysis of drawbead processes show no convergence problem and comparatively accurate results even though severe high geometric and contact-friction nonlinearity. Moreover, the computational results of a static-explicit finite element analysis can supply very valuable information for designing the drawbead process in which the defects of final sheet product can be removed.
본 연구에서는 완경사 방정식을 이용한 유한요소모형에서 경사 경계면을 효율적으로 처리할 수 있는 수치기법을 소개하였다. 유한요소법은 다른 수치기법과 다르게 불규칙한 지형에도 적용이 가능하다는 장점을 가지고 있어 복잡한 지형 형태를 갖는 연안에서 발생하는 수리현상을 해석하기 위하여 빈번히 사용되었다. 그러나 유한요소모형에 사용된 지배방정식이 타원형 미분방정식인 경우에는 연직방향으로 경사진 경계면에서의 경계처리가 쉽지 않다는 단점이 있다. 본 연구에서는 Bessel 함수를 이용하여 경사진 경계면을 처리하는 방법을 소개하고 얻어진 결과를 해석해와 비교하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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