Kim, Nam-Il;Jung, Sung-Yeop;Lee, Jun-Seok;Kim, Moon-Young
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.20
no.2
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pp.113-125
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2007
Improved numerical method to obtain the exact stiffness matrices is newly proposed to perform the spatially coupled elastic and stability analyses of non-symmetric and open/closed thin-walled beam on elastic foundation. This method overcomes drawbacks of the previous method to evaluate the exact stiffness matrix for the spatially coupled stability analysis of thin-walled beam-column This numerical technique is accomplished via a generalized eigenproblem associated with 14 displacement parameters by transforming equilibrium equations to a set of first order simultaneous ordinary differential equations. Next polynomial expressions as trial solutions are assumed for displacement parameters corresponding to zero eigenvalues and the eigenmodes containing undetermined parameters equal to the number of zero eigenvalues are determined by invoking the identity condition. And then the exact displacement functions are constructed by combining eigensolutions and polynomial solutions corresponding to non-zero and zero eigenvalues, respectively. Consequently an exact stiffness matrix is evaluated by applying the member force-deformation relationships to these displacement functions. In order to illustrate the accuracy and the practical usefulness of this study, the numerical solutions are compared with results obtained from the thin-walled beam and shell elements.
Finite elements based on isoparametric formulation are known to suffer spurious stiffness properties and corresponding stress oscillations, even when care is taken to ensure that completeness and continuity requirements are enforced. This occurs frequently when the physics of the problem requires multiple strain components to be defined. This kind of error, commonly known as locking, can be circumvented by using reduced integration techniques to evaluate the element stiffness matrices instead of the full integration that is mathematically prescribed. However, the reduced integration technique itself can have a further drawback - rank deficiency, which physically implies that spurious energy modes (e.g., hourglass modes) are introduced because of reduced integration. Such instability in an existing stiffness matrix is generally detected by means of an eigenvalue test. In this paper we show that a knowledge of the dimension of the solution space spanned by the column vectors of the strain-displacement matrix can be used to identify the instabilities arising in an element due to reduced/selective integration techniques a priori, without having to complete the element stiffness matrix formulation and then test for zero eigenvalues.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2007.04a
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pp.487-492
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2007
The enhancement of the service life of damaged or cracked structures is a major issue for researchers and engineers. The hierarchical void element with the integrals of Legend polynomials is used to characterize the fracture behavior of unpatched crack as well as repaired crack with bonded composite patches by computing the stress intensity factors and stress contours at the crack tip. The numerical approach is based on the v-version degenerate shell element including the theory of anisotropic laminated composites. Since the equivalent single layer approach is adopted in this study, the proposed element is necessary to represent a discontinuous crack part as a continuum body with zero stiffness of materials. Thus the aspect ratio of this element to represent the crack should be extremely slender. The sensitivity of numerical solution with respect to energy release rate, displacement and stress has been tested to show the robustness of hierarchical void element as the aspect ratio is increased up to 2000. The stiffness derivative method and displacement extrapolation method have been applied to calculate the stress intensity factors of Mode I problem.
In this paper, dynamic stiffness and flexibility for circular membranes are analytically derived using an efficient mixed-part dual boundary element method (BEM). We employ three approaches, the complex-valued BEM, the real-part and imaginary-part BEM, to determine the dynamic stiffness and flexibility. In the analytical formulation, the continuous system for a circular membrane is transformed into a discrete system with a circulant matrix. Based on the properties of the circulant, the analytical solutions for the dynamic stiffness and flexibility are derived. In deriving the stiffness and flexibility, the spurious resonance is cancelled out. Numerical aspects are discussed and emphasized. The problem of numerical instability due to division by zero is avoided by choosing additional constraints from the information of real and imaginary parts in the dual formulation. For the overdetermined system, the least squares method is considered to determine the dynamic stiffness and flexibility. A general purpose program has been developed to test several examples including circular and square cases.
Three structure-dependent integration methods with no numerical dissipation have been successfully developed for time integration. Although these three integration methods generally have the same numerical properties, such as unconditional stability, second-order accuracy, explicit formulation, no overshoot and no numerical damping, there still exist some different numerical properties. It is found that TLM can only have unconditional stability for linear elastic and stiffness softening systems for zero viscous damping while for nonzero viscous damping it only has unconditional stability for linear elastic systems. Whereas, both CEM and CRM can have unconditional stability for linear elastic and stiffness softening systems for both zero and nonzero viscous damping. However, the most significantly different property among the three integration methods is a weak instability. In fact, both CRM and TLM have a weak instability, which will lead to an adverse overshoot or even a numerical instability in the high frequency responses to nonzero initial conditions. Whereas, CEM possesses no such an adverse weak instability. As a result, the performance of CEM is much better than for CRM and TLM. Notice that a weak instability property of CRM and TLM might severely limit its practical applications.
This paper presents an analysis of stochastic eigenvalue problem of plane bar structures. Particular attention is paid to the effect of spatial variations of the flexural properties of the structure on the first four eigenvalues. The problem of spatial variations of the structure properties and their effect on the first four eigenvalues is analyzed in detail. The stochastic eigenvalue problem was solved independently by stochastic finite element method (stochastic FEM) and Monte Carlo techniques. It was revealed that the spatial variations of the structural parameters along the structure may substantially affect the eigenvalues with quite wide gap between the two extreme cases of zero- and full-correlation. This is particularly evident for the multi-segment structures for which technology may dictate natural bounds of zero- and full-correlation cases.
An accurate and efficient shell element is presented. The stiffness of the shell element is decomposed into two parts with one part corresponding to stretching and bending deformation and the other part corresponding to shear deformation of the shell. Both parts of the stiffness are calculated with reduced integration rules, thereby improving computational efficiency. Shear strains are averaged on the reference surface such that neither locking phenomena nor any zero energy mode can occur. The satisfactory behaviour of the element is demonstrated in several numerical examples.
In this study, a damage detection method that uses sensitivity-based finite (FE) element model updating with the natural frequency and zero frequency was proposed. The stiffness matrix for a structure was modified using the sensitivity-based FE model updating method. A sensitivity analysis was used to update the FE model, and the natural frequencies and zero frequencies were considered as target parameters to supplement the information on the vibration characteristics. The locations and values of the damages were estimated from the modified stiffness matrix. Several numerical examples were considered to verify the performance of the proposed method.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.13
no.3
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pp.317-322
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1989
Effective computational strategies have been proposed in the evaluation of stiffness matrices of rigid-plastic finite element method widely used in simulation of metal forming processes. The stiffness matrices are expressed as the sum of stiffness matrices evaluated by reduced integration and Liu's stabilization matrices which control the occurrence os zero-energy mode due to excessive reduced integration. The proposed method has been applied to the solution of fundamental 3-dimensional problems. The results clarified that the deformed mesh configuration was remarkably stabilized and computation speed attained about 3 times as fast as that of conventional 3-dimensional analyses. Furthermore, computation speed increases by a factor 60 when parallel computation is introduced. This speed has a tendency to increase as the total degree of freedom increases. As a result, this rigid-plastic finite element method enables us to analyze real 3-dimensional forming processes with practically acceptable computation time.
Magazine of the Korean Society of Agricultural Engineers
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v.27
no.2
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pp.38-46
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1985
The reinforced concrete farm silos on the elastic foundatin are widely used in agricultural engineering because of their superior structural performance, economy and attractive appearance. Various methods for the analysis and design of farm silo, such as the analytical method, the finite difference method, and the finite element methods, can be used. But the analytical procedure can not be applied for the intricate conditions in practice. Therefore lately the finite element method has been become in the structural mechanics. In this paper, a method of finite element analysis for the cylindrical farm silo on ffness matrix for the elastic foundation governed by winkler's assumption. A complete computer programs have been developed in this paper can be applicable not only to the shell structures on elastic foundation but also to the arbitrary three dimensional structures. Assuming the small deflection theory, the membrane and plate bending behaviours of flat plate element can be assumed mutually uncoupled. In this case, the element has 5 degrees of freedom per node when defined in the local coordinate system. However, when the element properties are transformed to the global coordinates for assembly, the 6th degree of freedom should be considered. A problem arises in this procedure the resultant stiffness in the 6th degree of freedom at this node will be zero. But this singularity of the stiffness matrix can be eliminated easily by merely replacing the zero diagonal by dummy stiffness.
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