Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.25
no.3
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pp.195-202
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2012
Two nonlinear frame elements taking into account geometric nonlinearity is presented and compared based on the Lagrangian co-rotational formulation. The first frame element is believed to be geometrically-exact because not only tangent stiffness matrices is exactly evaluated including stiffness matrices due to initial deformation but also total member forces are directly determined from total deformations in the deformed state. Particularly two exact tangent stiffness matrices based on total Lagrangian and updated Lagrangian formulation, respectively, are verified to be identical. In the second frame element, the deformed curved shape is regarded as the polygon and current flexural deformations in iteration process are neglected in evaluating tangent stiffness matrices and total member forces. Two numerical examples are given to demonstrate the accuracy and the good performance of the first frame element compared with the second element. Furthermore it is shown that the first frame element can be used in tracing nonlinear behaviors of cable members.
In this research, the finite element analysis of piezocone penetration and dissipation tests have been conducted using the anisotropic elastoplastic-viscoplastic bounding surface model in the Updated Lagrangian reference frame for the large deformation and finite strain nu\ature of piezocone penetration. Accordingly, virtual work equation and corresponding finite element equations have been reformulated. Theory of mixtures has been incorporated to explain the behavior of the sol. It has been observed that the viscoplastic part of the soil model affected the whole formulation. The results of the finite element analysis have been compared and investigated with the experimental results. The formulations and the results are described in part 'I' and part 'II', respectively.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2003.04a
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pp.235-242
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2003
The solids and the fluids in porous media have a relative velocity to each other. Due to physically and chemically different material properties and their relative velocity, the behavior of saturated porous media is extremely complicated. Thus, in order to describe and clarify the deformation behavior of saturated porous media, constitutive models for deformation of porous media coupling several effects such as flow of the fluids or thermodynanical change need to be developed in frame of Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) description. The aim of ALE formulations is to maximize the advantages of Lagrangian and Eulerian elements, and to minimize the disadvantages. Therefore, this method is appropriate for the analysis of porous media that are considered for the behavior of the solids and the fluids. In this work, governing equations of porous media based on ALE description are obtained from governing equations in frame of updated Lagrangian description. Then, weak forms of these equations are derived using arbitrary weighting functions.
Working in an arbitrary Lorentz frame, we address the question of formulating the covariant variational principle for classical, single-particle, dissipative, relativistic mechanics. First, within a Minkowskian geometry, the basic properties of the proper time ${\tau}$ and the covariant velocity $u_{\mu}$ are recapitulated. Next, using a scalar function ${\psi}(x)$ and its negative derivatives ${\varphi}_{\mu}{^{\prime}}s$, we construct a covariant Lagrangian ${\Lambda}$ that generalizes the famous Bateman-Caldirola-Kanai Lagrangian of nonrelativistic frictional mechanics. Finally, we propose a deterministic model for ${\psi}$ (involving the drag coefficient A) whose explicit solution leads to relativistic damped Rayleigh motion in the rest frame of the medium.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2006.04a
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pp.381-388
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2006
A porous medium is composed of solids, fluids, and gas which have different physical and chemical properties. In addition, these constituents have a relative velocity between each other. So far, in order to analyze porous media using finite element method, Lagrangian or Eulerian method has been used. However, the numerical analyses for porous media have a defect that the methods do not describe the movements of constituents. In this paper, numerical analysis for unsaturated porous media was performed in frame of ALE method which has advantages of Lagrangian and Eulerian. Namely, the Lagrangian description was used in solid phase, and the Eulerian description was used in fluid or gas phase in a porous medium Then the relationship between each other was controlled by the convective term in ALE method. Finally, the numerical results of ALE were compared with tile results of Lagrangian analysis.
We present a short review for authors' previous work on direct numerical simulations for inertialess hard particle suspensions formulated either with a Newtonian fluid or with viscoelastic polymeric fluids to understand the microstructural evolution and the bulk material behavior. We employ two well-defined bi-periodic domain concepts such that a single cell problem with a small number of particles may represent a large number of repeated structures: one is the sliding bi-periodic frame for simple shear flow and the other is the extensional bi-periodic frame for planar elongational flow. For implicit treatment of hydrodynamic interaction between particle and fluid, we use the finite-element/fictitious-domain method similar to the distributed Lagrangian multiplier (DLM) method together with the rigid ring description. The bi-periodic boundary conditions can be effectively incorportated as constraint equations and implemented by Lagrangian multipliers. The bulk stress can be evaluated by simple boundary integrals of stresslets on the particle boundary in such formulations. Some 2-D example results are presented to show effects of the solid fraction and the particle configuration on the shear and elongational viscosity along with the micro-structural evolution for both particles and fluid. Effects of the fluid elasticity has been also presented.
In this study, the numerical analysis of piezocone penetration and dissipation tests has been conducted using the Modified Cam-Clay model, which is generally used in soil mechanics. The Modified Cam-Clay model and related mathematical equations in finite element derivation have been formulated in the Updated Lagrangian reference frame to take the large displacement and finite strain nature of piezocone penetration into consideration. The cone tip resistance, the pore water pressure, and the dissipation curve obtained from the finite element analysis have been compared and investigated with the experimental results from piezocone penetration test performed in Yangsan site. The numerical results showed good agreement with the experimental results; however, the better numerical simulation of the continuous and deep penetration needs further research.
In this research, the finite element analysis of piezocone penetration and dissipation tests has been conducted using the anisotropic elastoplastic-viscoplastic bounding surface model, virtual work equation, and theory of mixtures formulated in the Up[dated Lagrangian reference frame for the large deformation and finite strain nature of piezocone penetration. The formulated equations have been implemented into a finite element program. The cone resistance, excess pore water pressure, and dissipation of excess pore water pressure from the finite element analysis have been compared and investigated. An effective simulation could be performed with the use of the anisotropic and viscous soil model. The finite element formulations and the results are described in part 'I' and part 'II' respectively.
The growth of a spherical vapor bubble contained in a large body of upper convected Maxwell fluid is theoretically analyzed under the devolatilization condition of polymer by using a Galerkin FEM in the Lagrangian frame. Using the finite element technique, a fully explicit numerical scheme is developed both for the calculation of pressure distribution and for the tracking of bubble surface. Oscillatory behavior in bubble radius is observed during growth and the oscillatory behavior is found to be due to the interaction of mass transfer resistance and elasticity. It is found that the elasticity of fluid accelerates the growth and removal of volatile component. It is also found that the bubble growth in the devolatilization of polymers is affected by both mass transfer resistance and viscoelasticity of fluids.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2003.10a
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pp.375-382
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2003
Porous media consist of physically and chemically different materials and have an extremely complicated behavior due to the different material properties of each of its constituents. In addition, the internal structure of porous media has generally a complex geometry that makes the description of its mechanical behavior quite complex. Thus, in order to describe and clarify the deformation behavior of porous media, constitutive models for deformation of porous media coupling several effects such as flow of fluids of thermodynamical change need to be developed in frame of Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) description. The aim of ALE formulations is to maximize the advantages of Lagrangian and Eulerian methods, and to minimize the disadvantages. Therefore, this method is appropriate for the analysis of porous media that are considered for the behavior of solids and fluids. First of all, governing equations for saturated porous media based on ALE description are derived. Then, weak forms of these equations are obtained in order to implement numerical method using finite element method. Finally, Petrov-Galerkin method Is applied to develop finite element formulation.
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