Functionally graded material (FGM) has been spotlighted as an advanced composite material due to its excellent thermo-mechanical performance. And the buckling of FGM resting on elastic foundations has been a challenging subject because its behavior is directly connected to the structural safety. In this context, this paper is concerned with a numerical buckling analysis of metal-ceramic FG plates resting on a two-parameter (Pasternak-type) elastic foundation. The buckling problem is formulated based on the neutral surface and the (1,1,0) hierarchical model, and it is numerically approximated by 2-D natural element method (NEM) which provides a high accuracy even for coarse grid. The derived eigenvalue equations are solved by employing Lanczos and Jacobi algorithms. The numerical results are compared with the reference solutions through the benchmark test, from which the reliability of present numerical method has been verified. Using the developed numerical method, the critical buckling loads of metal-ceramic FG plates are parametrically investigated with respect to the major design parameters.
Functionally graded materials (FGMs) have been spotlighted as an advanced composite material, accordingly the intensive studies have focused on FGMs to examine their mechanical behaviors. Among them is thermal buckling which has been a challenging subject, because its behavior is connected directly to the safety of structural system. In this context, this paper presents the numerical analysis of thermal buckling of metal-ceramic functionally graded (FG) plates. For an accurate and effective buckling analysis, a new numerical method is developed by making use of (1,1,0) hierarchical model and 2-D natural element method (NEM). Based on 3-D elasticity theory, the displacement field is expressed by a product of 1-D assumed thickness monomials and 2-D in-plane functions which are approximated by NEM. The numerical method is compared with the reference solutions through the benchmark test, from which its numerical accuracy has been verified. Using the developed numerical method, the critical buckling temperatures of metal-ceramic FG plates are parametrically investigated with respect to the major design parameters.
An efficient and free of shear locking finite element model is developed and employed to study free vibration of tapered bidirectional functionally graded material (BFGM) beams. The beam material is assumed to be formed from four distinct constituent materials whose volume fraction continuously varies along the longitudinal and thickness directions by power-law functions. The finite element formulation based on the first-order shear deformation theory is derived by using hierarchical functions to interpolate the displacement field. In order to improve efficiency and accuracy of the formulation, the shear strain is constrained to constant and the exact variation of the cross-sectional profile is employed to compute the element stiffness and mass matrices. A comprehensive parametric study is carried out to highlight the influence of the material distribution, the taper and aspect ratios as well as the boundary conditions on the vibration characteristics. Numerical investigation reveals that the proposed model is efficient, and it is capable to evaluate the natural frequencies of BFGM beams by using a small number of the elements. It is also shown that the effect of the taper ratio on the fundamental frequency of the BFGM beams is significantly influenced by the boundary conditions. The present results are of benefit to optimum design of tapered FGM beam structures.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1992.10a
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pp.39-44
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1992
This paper is concerned with formulations of the hierarchical $C^{o}$-plate element on the basis of Reissner-Mindlin plate theory. On reason for the development of the aforementioned element is that it is still difficult to construct elements based on h-version concepts which are accurate and stable against the shear locking effects. An adaptive mesh refinement and selective p-distribution of the polynomial degree using hp-version of the finite element method we proposed to verify the superior convergence and algorithmic efficiency with the help of the clamped L-shaped plate problems.s.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2007.04a
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pp.481-486
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2007
The Zienkiewicz-Zhu(Z/Z) error estimate is slightly modified for the hierarchical p-refinement, and is then applied to L-shaped plates subjected to bending to demonstrate its effectiveness. An adaptive procedure in finite element analysis is presented by p-refinement of meshes in conjunction with a posteriori error estimator that is based on the superconvergent patch recovery(SPR) technique. The modified Z/Z error estimate p-refinement is different from the conventional approach because the high order shape functions based on integrals of Legendre polynomials are used to interpolate displacements within an element, on the other hand, the same order of basis function based on Pascal's triangle tree is also used to interpolate recovered stresses. The least-square method is used to fit a polynomial to the stresses computed at the sampling points. The strategy of finding a nearly optimal distribution of polynomial degrees on a fixed finite element mesh is discussed such that a particular element has to be refined automatically to obtain an acceptable level of accuracy by increasing p-levels non-uniformly or selectively. It is noted that the error decreases rapidly with an increase in the number of degrees of freedom and the sequences of p-distributions obtained by the proposed error indicator closely follow the optimal trajectory.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.8
no.4
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pp.81-90
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2008
This paper presents a finite element formulation for the three-dimensional hierarchical solid element using Integrals of Legendre polynomials. The proposed hexahedral solid element is composed of four different modes including vertex, edge, face, and internal mode, respectively. The eigenvalue and patch test have been carried out to confirm the zero-energy mode and constant strain condition. In addition to these, a posteriori error estimation has been studied for the p-adaptive finite element analysis that is based on a smoothing technique to compute a post-processed solution from the finite element solution. The uniform p-refinement and non-uniform p-refinement are compared in terms of convergence rate as the number of degree of freedom is increased. The simple cantilever beam is tested to show the performance of the proposed solid element.
Journal of the Architectural Institute of Korea Structure & Construction
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v.34
no.9
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pp.3-10
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2018
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.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1990.10a
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pp.40-46
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1990
This paper introduces a geometric modelling system adopted in a newly developed preprocessor for finite element analysis of three dimensional structures. The formulation is characterized by hierarchical construction of structural model which consists of control points, curves, surfaces and solids. Various surface and solid modeling schemes based on blending functions and boundary representation are systematized for finite element mesh generation. The modeling system is integrated with model synthesis and operations which facilitate modelling of complex structures.
Proceedings of the Korean Society for Technology of Plasticity Conference
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2001.10a
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pp.89-92
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2001
A rigid-viscoplastic finite element code for superplastic forming processes has been developed The material is assumed to be isotropic and a modified Coulomb friction law is adopted to explain contact between tool and sheet. This code uses the triangular element based on the membrane approximation and a hierarchical contact searching method is implemented The optimum pressure-time relationships for target strain rate are calculated by several pressure control algorithms. By the analysis, optimum pressure-time curves and deformation behavior are predicted.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.28
no.11
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pp.1288-1296
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2011
Effective elastic constants of bone-like biocomposites are investigated numerically. The bone-like materials are composed of strong layers and weak layers, and hierarchically structured. The unit cell model is employed to obtain the effective elastic constants. The effective anisotropic elastic constants of bone-like composites are obtained by using the potential energy method and finite element analysis. The effects of the Poisson's ratio, elastic modulus, hierarchical level, volume fraction and aspect ratio of the strong layer composed of the composites on the effective elastic constants are discussed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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