The formulation of a non-linear shear deformable shell element is presented for the solution of stability problems of stiffened plates and shells. The formulation of the geometrical stiffness presented here is exactly defined on the midsurface and is efficient for analyzing stability problems of thick plates and shells by incorporating bending moment and transverse shear resultant force. As a result of the explicit integration of the tangent stiffness matrix, this formulation is computationally very efficient in incremental nonlinear analysis. The element is free of both membrane and shear locking behaviour by using the assumed strain method such that the element performs very well in the thin shells. By using six degrees of freedom per node, the present element can model stiffened plate and shell structures. The formulation includes large displacement effects and elasto-plastic material behaviour. The material is assumed to be isotropic and elasto-plastic obeying Von Mises's yield condition and its associated flow rules. The results showed good agreement with references and computational efficiency.
An assumed strain finite strip method(FSM) using the non-periodic B-spline for a shell is presented. In the present method, the shape function based on the non-periodic B-splines satisfies the Kronecker delta properties at the boundaries and allows to introduce interior supports in much the same way as in a conventional finite element formulation. In the formulation for a shell, the geometry of the shell is defined by non-periodic B3-splines without any tangential vectors at the ends and the penalty function method is used to incorporate the drilling degrees of freedom. In this study, new assumed strain fields using the non-periodic B-spline function are proposed to overcome the locking problems. The strip formulated in this way does not posses any spurious zero energy modes. The versatility and accuracy of the new approach are demonstrated through a series of numerical examples.
This paper proposes a new four node degenerated shell element. In the formulation of the new element, the assumed covariant shear strains are used to avoid the shear locking problem, and the assumed covariant membrane strains are applied to alleviate the membrane locking problem and also to improve the membrane bending performance. The assumed covariant strains are obtained from the covariant strain field defined with respect to the element natural coordinate system. This formulation enables us to obtain a shell element, which does not produce spurious singular modes, avoids locking phenomena, and excels in calculation efficiency. Several examples in this paper indicate that, despite its simplicity, the achieved accuracy and convergence are satisfactory.
This paper presents a four-noded quadrilateral $C^0$ strain plate element for the analysis of thick laminated composite plates. The element formulation is based on: 1) the third-order shear deformation theory; 2) assumed strain element formulation; and 3) interrelated edge displacements and rotations along element boundaries. Unlike the existing displacement-type composite plate elements based on the third-order theory, which rely on the $C^1$-continuity formulation, the present plate element is of $C^0$-continuity, and its element stiffness matrix is evaluated explicitly. Because of the third-order expansion of the in-plane displacements through the thickness, the resulting theory and hence elements do not need shear correction factors. The explicit element stiffness matrix makes the present element more computationally efficient than the composite plate elements using numerical integration for the analysis of thick layered composite plates.
A mixed eight-node hexahedral element formulated via the Hu-Washizu principle as well as the field extrapolation technique is presented. The mixed element with only three translational degrees of freedom at each node can provide extremely accurate and reliable performance for popular benchmark problems such as spacial beams, plates, shells as well as general three-dimensional elasticity problems. Numerical calculations also show that when extremely skewed and coarse meshes and nearly incompressible materials are used, the proposed mixed element can still possess excellent behaviour. The mixed formulation starts with introduction of a parallelepiped domain associated with the given general eight-node hexahedral element. Then, the assumed strain field at the nodal level is constructed via the Hu-Washizu variational principle for that associated parallelepiped domain. Finally, the assumed strain field at the nodal level of the given hexahedral element is established by using the field extrapolation technique, and then by using the trilinear shape functions the assumed strain field of the whole element domain is obtained. All matrices involved in establishing the element stiffness matrix can be evaluated analytically and expressed explicitly; however, a 24 by 24 matrix has to be inverted to construct the displacement extrapolation matrix. The proposed hexahedral element satisfies the patch test as long as the element with a shape of parallelepiped.
보강된 판 및 쉘구조의 기하학적 비선형해석을 수행하기 위하여, total lagrangian formulation에 근거한 증분 평형방정식을 적용하고, 강도행렬 산정시 회전각의 2차항을 포함시켜 기하학적 비선형 해석시 해의 수렴성을 향상시켰으며, 보강된 쉘 구조의 해석시 보강재를 쉘 요소로 모델링하고 주부재와 보강재의 연결점에서 일반적인 변환관계를 이용하였다. 등매개 쉘 유한요소의 단점인 locking 현상을 극복하기 위하여 가정 변형률장을 적용하여 감차적분 또는 선택적분시 나타날 수 있는 제로 에너지 모드를 제거하였다. 수치해석 예제를 통하여 가정 변형률장에 근거한 쉘유한요소에 대한 효율성 및 적용성을 확인하였다.
Formulation of an 8 nodes assumed strain shell element is presented for the analysis of shells. The stiffness matrix based on the Mindlin-Reissner theory is analytically integrated through the thickness. The element is free of membrane and shear locking behavior by using the assumed strain method such that the element performs very well in modeling of thin shell structures. The material is assumed to be isotropic and laminated composite. The element has six degrees of freedom per node and can model the stiffened plates and shells. A great number of numerical testing carried out for the validation of present 8 node shell element are in good agreement with references.
The Element-Based Lagrangian Formulation of a 9-node resultant-stress shell element is presented for the isotropic and anisotropic composite material. The effect of the coupling term between the bending strain and displacement has been investigated in the warping problem. The strains, stresses and constitutive equations based on the natural co-ordinate have been used throughout the Element-Based Lagrangian Formulation of the present shell element which offers an advantage of easy implementation compared with the traditional Lagrangian Formulation. The element is free of both membrane and shear locking behavior by using the assumed natural strain method such that the element performs very well in thin shell problems. In composite plates and shells, the transverse shear stiffness is defined by an equilibrium approach instead of using the shear correction factor. The arc-length control method is used to trace complex equilibrium paths in thin shell applications. Several numerical analyses are presented and discussed in order to investigate the capabilities of the present shell element. The results showed very good agreement compared with well-established formulations in the literature.
In the present study, an Element-Based Lagrangian Formulation for the nonlinear analysis of shell structures is presented. The strains, stresses and constitutive equations based on the natural co-ordinate have been used throughout the Element-Based Lagrangian Formulation of the present shell element which offers an advantage of easy implementation compared with the traditional Lagrangian Formulation. The Element-Based Lagrangian Formulation of a 9-node resultant-stress shell element is presented for the anisotropic composite material. The element is free of both membrane and shear locking behavior by using the assumed natural strain method such that the element performs very well in thin shell problems. The arc-length control method is used to trace complex equilibrium paths in thin shell applications. Numerical examples for laminated composite curved shells presented herein clearly show the validity of the present approach and the accuracy of the developed shell element.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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