A numerical stepwise approach for cavity expansion problem in strain-softening rock or soil mass is investigated, which is compatible with Mohr-Coulomb and generalized Hoek-Brown failure criteria. Based on finite difference method, plastic region is divided into a finite number of concentric rings whose thicknesses are determined internally to satisfy the equilibrium and compatibility equations, the material parameters of the rock or soil mass are assumed to be the same in each ring. For the strain-softening behavior, the strength parameters are assumed to be a linear function of deviatoric plastic strain (${\gamma}p^*$) for each ring. Increments of stress and strain for each ring are calculated with the finite difference method. Assumptions of large-strain for soil mass and small-strain for rock mass are adopted, respectively. A new numerical stepwise approach for limited pressure and plastic radius are obtained. Comparisons are conducted to validate the correctness of the proposed approach with Vesic's solution (1972). The results show that the perfectly elasto-plastic model may underestimate the displacement and stresses in cavity expansion than strain-softening coefficient considered. The results of limit expansion pressure based on the generalised H-B failure criterion are less than those obtained based on the M-C failure criterion.
The postbuckling behavior of laminated composite plates and shells, subjected to various shear loadings, is presented, using a modified 8-ANS method. The finite element, based on a modified first-order shear deformation theory, is further improved by the combined use of assumed natural strain method. We analyze the influence of the shell element with the various location and number of enhanced membrane and shear interpolation. Using the assumed natural strain method with proper interpolation functions, the present shell element generates neither membrane nor shear locking behavior even when full integration is used in the formulation. The effects of various types of lay-ups, materials and number of layers on initial buckling and postbuckling response of the laminated composite plates and shells for various shear loading have been discussed. In addition, the effect of direction of shear load on the postbuckling behavior is studied. Numerical results and comparisons of the present results with those found in the literature for typical benchmark problems involving symmetric cross-ply laminated composites are found to be excellent and show the validity of the developed finite element model. The study is relevant to the simulation of barrels, pipes, wing surfaces, aircrafts, rockets and missile structures subjected to intense complex loading.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.14
no.3
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pp.349-359
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2001
An enhanced four-node plate element, which has been developed for explicit dynamic analysis of plate, is described in this paper. Reissner-Mind1in(RM) assumptions are adopted to consider transverse shear deformation effects in the present plate element. RM plate element produces a shear locking phenomena in thin plate so that the substitute natural strains based on assumed strain method are explicitly derived. The present plate element is applied into the explicit transient algorithm and the mass matrix of plate is formulated by using special lumping method proposed by Hinton et al. The performance of the element is verified with numerical examples.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.14
no.4
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pp.481-494
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2001
An enhanced degenerated shell finite element (FE), which has been developed for inelastic analysis of reinforced concrete structures is described in this paper. Generally, Reissner-Mindlin (RM) assumptions are adopted to develop the degenerated shell FE so that transverse shear deformation effects is considered. However, it is found that there are serious defects such as locking phenomena in RM degenerated shell FE since the stiffness matrix has been overestimated in some situations. As remedies of locking phenomena, reduced integration, incompatible mode and assumed strain method have been used. Especially, the assumed strain method has been successfully used in many FEs. But contrarily, there is a few investigation on the performance of the assumed strains in the inelastic analysis of concrete structures. Therefore, shell formulation is provided in this paper with emphasis on the terms related to the stiffness matrix based on assumed strain method and microscopic concrete material model. Finally, the performance of the present shell element is tested and demonstrated with several numerical examples. From the numerical tests, the present result shows a good agreement with experimental data or other numerical results.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.11
no.12
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pp.5199-5206
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2010
In this paper, we investigate the buckling analysis of laminated composite plates, using a improved assumed natural strain shell element. In order to overcome membrane and shear locking phenomena, the assumed natural strain method is used. The eigenvalues of the laminated composite plates are calculated by varying the width-thickness ratio and angle of fiber. To improve an shell element for buckling analysis, the new combination of sampling points for assumed natural strain method was applied and the refined first-order shear deformation theory which allows the shear deformation without shear correction factor. In order to validate the present solutions, the reference solutions are used and discussed. The results of laminated composite plates under the in-plane shear loading may be the benchmark test for the buckling analysis.
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures
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v.2
no.2
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pp.13-19
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2011
This paper presents the stress distribution of the damaged butt joint of steel plate using CFRP laminates when the flange in tension zone of steel box girder is welded by butt welding. When CFRP sheets are patched on tension flange of steel-box girder, the stress distribution of a vertical and normal direction on damaged welding part is shown as parameters such as a variation of the thickness of adhesive, the overlap length with steel, and the modulus of elasticity of CFRP sheets. For the study, we wrote the computer program using the EAS(Enhanced assumed strain) finite element method for plane strain that has a very fast convergency and exact stress for distorted shape.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.41
no.6
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pp.65-74
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2004
The inherent strain method is known to be very efficient in predicting the deformation of steel plate by line heating. However, in the actual line heating process in shipyard, the rapid quenching changes the phase of steel. In this study, In order to consider additional effects under phase transformation, inherent strain regions were assumed to expand. Also, when calculating inherent strain, material properties of steel in heating and cooling are applied differently considering phase transformation. In this process, a new method which can reflect thermal volume expansion of martensite is suggested.8y the suggested method, it was possible to predict the plate deformations by line heating more precisely.
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.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.6
no.4
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pp.763-774
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2014
A simple and efficient vibration analysis procedure for stiffened panels with openings and arbitrary boundary conditions based on the assumed mode method is presented. Natural frequencies and modes are determined by solving an eigenvalue problem of a multi-degree-of-freedom system matrix equation derived by using Lagrange's equations of motion, where Mindlin theory is applied for plate and Timoshenko beam theory for stiffeners. The effect of stiffeners on vibration response is taken into account by adding their strain and kinetic energies to the corresponding plate energies whereas the strain and kinetic energies of openings are subtracted from the plate energies. Different stiffened panels with various opening shapes and dispositions for several combinations of boundary conditions are analyzed and the results show good agreement with those obtained by the finite element analysis. Hence, the proposed procedure is especially appropriate for use in the preliminary design stage of stiffened panels with openings.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2007.04a
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pp.694-697
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2007
In this paper, a nonlinear finite element analysis program NUCAS, which has been developed for assessment of pressure capacity and failure mode for nuclear containment building is described. Degenerated shell element with assumed strain method and low-order solid element with enhanced assumed strain method is adapted to microscopic material and elasto-plastic material model, respectively. Finally, the performance of the developed program is tested and demonstrated with several examples. From the numerical tests, the present results show a good agreement with experimental data or other numerical results.
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