A variable-node-flat shell element designated as CLS which has variable mid-side nodes with drilling freedom has been presented in this paper. The shell element to be applied in finite element analysis has been developed by combining a membrane element named as CLM with drilling rotation d.o.f. and plate bending element. The combined shell element possess six degrees of freedom per node. By introducing the variable-node elements which have physical midside nodes, some difficulties associated with imposing displacement constraints on irregular nodes to enforce interelement compatibility in common adaptive h-refinement on quadrilateral mesh are easily overcome. Detailed numerical studies show the excellent performance of the new shell elements developed in this study.
This paper deals with the variable-node element for fluid flow and the adaptive h-version mesh refinement algorithm. The transient element has been formulated by the Galerkin approach in which the pressure term is replaced with the penalty function. The present element having variable mid-side node and is suitable for constructing a locally refined mesh avoiding the use of the highly distorted elements. A modified Gauss quadrature is needed to integrate the element matrices to solve the trouble associated with the discontinuity of derivatives of shape functions. Several numerical examples show that the proposed element can be effectively used in the h-version adapt ive mesh refinement
An automated procedure which allows adaptation of spatial and time discretization simultaneously in finite element analysis of linear elastodynamic problems is presented. For dynamic problems having responses dominated by high frequency modes, such as those with impact, explosive, traveling and earthquake loads high gradient stress regions change their locations from time to time. And the time step size may need to vary in order to deal with whole process ranging from transient phase to steady state phase. As the sizes of elements in space vary in different regions, the procedure also permits different time stepping. In such a way, the best performance attainable by the finite element method can be achieved. In this study, we estimate both of the kinetic energy error and stran energy error induced by spatial and time discretization in a consistent manner. Numerical examples are used to demonstrate the performance of the procedure.
Laminated composite plates are utilized extensively in different fields of construction and industry thanks to their advantages such as high stiffness-to-weight ratio. Additionally, they are characterized by their directional properties that permit the designer to optimize their stiffness for specific applications. This paper presents a numerical analysis and optimization study of plates made of composite subjected to low velocity impact. The main aim is to identify the optimum fiber orientations of the composite plates that resist low velocity impact load. First, a three-dimensional finite element model is built using LS DYNA computer software package to perform the impact analyses. The composite plate has been modeled using solid elements. The failure criteria of Tsai-Wu's criterion have been used to control the strength of the composite material. A good agreement has been found between the predicted numerical results and experimental results in the literature which validate the finite element model. Then, an Adaptive Simulated Annealing (ASA) has been used to optimize the response of impacted composite laminate where its objective is to maximize the safety factor by varying the ply angles. The results show that the ASA is robust in the sense that it is capable of predicting the best optimal designs.
Newly proposed RG-MADS (Randomly Guided Mesh Adaptive Direct Search) has been applied to the optimal design of Interior Permanent Magnet Synchronous Motor (IPMSM) which has the distinctive features of magnetic saturation. RG-MADS, advanced from classical MADS algorithm, has the superiority in computational time and reliable convergence accuracy to the optimal solution, thus it is appropriate to the optimal design of IPMSM coupled with time-consuming Finite Element Analysis (FEA), necessary to the nonlinear magnetic application for better accuracy. Effectiveness of RG-MADS has been verified through the well-known benchmark-functions beforehand. In addition, the proposed RG-MADS has been applied to the optimal design of IPMSM aiming at maximizing the Maximum Torque Per Ampere (MTPA), which is regarded as representative design goal of IPMSM.
In this paper an electromechanically coupled isogeometric finite element is utilized to analyse Lamb wave excitation with piezoceramic actuators. An effective actuator design reduces the energy needed for Lamb wave excitation, which is beneficial if a structural health monitoring system should be applied for a structure. For a better understanding of the actuator behavior the piezoeceramics are studied both free and bonded at a structure. The numerical part of the analysis is performed utilizing isogeometric finite elements. To obtain the optimal performance for the numerical analysis the effect of k-refinement of the isogeometric element with respect to the convergence is studied and discussed. The optimal numerical setup with the best convergence rate is proposed and is validated with free piezoeceramic actuators. The validated model is then utilized to study the impact of actuator shape and adhesive bondline effect to the wave amplitude. The study shows that simplified analytical equations do not predict the optimal excitation frequencies for all piezoceramic designs accurately.
The structural analysis module is an essential part of any integrated structural system. Diverse integrated systems today require, from the analysis module, efficient real-time responses to real-time input such as earthquake signals, extreme weather-related forces, and man-made accidents. An integrated system may also be for the entire life span of a civil structure conceived during the initial conception, developed throughout various design stages, effectively used in construction, and utilized during usage and maintenance. All these integrated systems' essential part is the structural analysis module, which must be automated and computationally efficient so that responses may be almost immediate. The finite element method is often used for structural analysis, and for automation, many effective finite element meshes must be automatically generated for a given analysis. A computationally efficient finite element mesh generation scheme based on the r-h method of mesh refinement using strain deviations from the values at the Gauss points as error estimates from the previous mesh is described. Shape factors are used to sort out overly distorted elements. A standard cantilever beam analyzed by four-node plane stress elements is used as an example to show the effectiveness of the automated algorithm for a time-domain dynamic analysis. Although recent developments in computer hardware and software have made many new applications in integrated structural systems possible, structural analysis still needs to be executed efficiently in real-time. The algorithm applies to diverse integrated systems, including nonlinear analyses and general dynamic problems in earthquake engineering.
Optimum nozzle design exploiting the method of characteristic(M.O.C) has been in application as an efficient design methodology targeting a less weighted and short expansion nozzle. This paper treats the optimum nozzle design and the analysis of the inviscid compressible flow inside. Based on traditional Rao's method, the optimum nozzle design is coded with minor modifications for the identification of the control surface across which the mass flux should be conserved. Internal flow field is simulated numerically by M.O.C and implicit/explicit Taylor-Galerkin finite element method(F.E.M) with the aid of adaptive remeshing to capture the shock wave, hence improve the accuracy. Designed and calculated flow fields due to the separate analyses show that the mass flux predicted by optimum nozzle design with M.O.C is not conserved across the control surface and the sonic line should be located upstream of the nozzle throat. Rao's optimum nozzle design methodology exaggerates the momentum thrust and tends to overemphasize the engine performance loss.
In a finite element analysis of the metal forming processes having large plastic deformation, largely distorted elements are unstable and hence they influence upon the result toward negative way so that adaptive remeshing is required to avoid a failure in the numerical computation. Therefore automatic mesh generation and regeneration is very important to avoid a numerical failure in a finite element analysis. In case of generating quadrilateral mesh, the automation is more difficult than that of triangular mesh because of its geometric complexity. However its demand is very high due to the precision of analysis. Thus, in this study, an automatic quadrilateral mesh generation and regeneration method using grid-based approach is developed. The developed method contains decision of grid size to generate initial mesh inside a two dimensional domain, classification of boundary angles and inner boundary nodes to improve element qualities in case of concave domains, and boundary projection to construct the final mesh.
In this paper a simple mesh refinement technique for finite element method is proposed using error estimation only on the material boundaries. The boundary errors are estimated by the continuity conditions of normal B field and tangential B field. From the error estimation fine meshes are accomplished on the boundary and propagate to the near region by Delanunay mesh tessellation. This adaptive mesh refinement technique is applied to the force calculation of magnetic clutch composed by several material regions and makes good convergence.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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