In this paper, we propose a continuum mechanics based 3-D beam finite element with cross-sectional discretization allowing for warping displacements. The beam element is directly derived from the assemblage of 3-D solid elements, and this approach results in inherently advanced modeling capabilities of the beam element. In the beam formulation, warping is fully coupled with bending, shearing, and stretching. Consequently, the proposed beam elements can consider free and constrained warping conditions, eccentricities, curved geometries, varying sections, as well as arbitrary cross-sections (including thin/thick-walled, open/closed, and single/multi-cell cross-sections). We then study the modeling and predictive capabilities of the beam elements in twisting beam problems according to geometries, boundary conditions, and cross-sectional meshes. The results are compared with reference solutions obtained by analytical methods and solid and shell finite element models. Excellent modeling capabilities and solution accuracy of the proposed beam element are observed.
In this paper, we present a new method to calculate interface warping functions for the analysis of beams with geometric and material discontinuities in the longitudinal direction. The classical Saint Venant torsion theory is extended to a three-dimensional domain by considering the longitudinal direction. The interface warping is calculated by considering both adjacent cross-sections of a given interface. We also propose a finite element procedure to simultaneously calculate the interface warping function and the corresponding twisting center. The calculated interface warping functions are employed in the continuum-mechanics based beam formulation to analyze arbitrary shape cross-section beams with longitudinal discontinuities. Compared to the previous work by Yoon and Lee (2014a), both geometric and material discontinuities are considered with fewer degrees of freedom and higher accuracy in beam finite element analysis. Through various numerical examples, the effectiveness of the proposed interface warping function is demonstrated.
Seismic analysis for steel frame structure with brace configuration using topology optimization based on truss-like material model is studied. The initial design domain for topology optimization is determined according to original steel frame structure and filled with truss-like members. Hence the initial truss-like continuum is established. The densities and orientation of truss-like members at any point are taken as design variables in finite element analysis. The topology optimization problem of least-weight truss-like continuum with stress constraints is solved. The orientations and densities of members in truss-like continuum are optimized and updated by fully-stressed criterion in every iteration. The optimized truss-like continuum is founded after finite element analysis is finished. The optimal bracing system is established based on optimized truss-like continuum without numerical instability. Seismic performance for steel frame structures is derived using dynamic time-history analysis. A numerical example shows the advantage for frame structures with brace configuration using topology optimization in seismic performance.
In this paper, design sensitivity of vibration displacement and acceleration is computed and design sensitivity, the derivative information of responses with respect to design perameters, is used as a design guidance tool to reduce the vibration. First, the harmonic vibration analysis of deck and simplified ship structures is performed by finite element method and secondly continuum disign sensityivity for excessive dynamic response is computed by continuum method. Both the direct and modal frequency response methods for the finite element analysis are adopted. Sensitivities of structural components such as upper plate, side wall, bilge, bottom plate are compared and the reductionof vibration is obtained by the proper increase of thickness of each component.
Numerical methods to estimate behaviors of jointed rock mass can be roughly divided into two method : discontinuous model and continuum model. Generally, distinct element method (DEM) is applied in discontinuous model, and finite element method (FEM) or finite difference method (FDM) is utilized in continuum model. To predict a behavior of discontinuous model by DEM, it is essential to understand characteristics of joints developed in rock mass through field tests. However, results of field tests can not provide full information about rock mass because field tests is conducted in limited area. In this paper, discontinuous analysis by UDEC and continuous analysis by FLAC is utilized to estimate a behavior of a tunnel in jointed rock mass. For including discontinuous analysis in continuous analysis, joints in rock mass is considered by reducing rock mass properties obtained by RMR and decreasing shear strength of rock mass. By comparing and revising two analysis results, analysis results similar with practical behavior of a tunnel can be induced and appropriate support system is decided.
In this paper a 3-D continuum damage mechanics formulation for composite laminates and its implementation into a finite element model that is based on the layer-wise laminate plate theory are described. In the damage formulation, each composite ply is treated as a homogeneous orthotropic material exhibiting orthotropic damage in the form of distributed microscopic cracks that are normal to the three principal material directions. The progressive damage of different angle ply composite laminates under quasi-static loading that exhibit the free edge effects are investigated. The effects of various numerical modeling parameters on the progressive damage response are investigated. It will be shown that the dominant damage mechanism in the lay-ups of [+30/-30]s and [+45/-45]s is matrix cracking. However, the lay-up of [+15/-15] may be delaminated in the vicinity of the edges and at $+{\theta}/-{\theta}$ layers interfaces.
This paper deals with numerical modeling of dynamic failure phenomena in rate-sensitive brittle and/or ductile materials. To this end, a two-dimensional continuum viscodamage-embedded discontinuity model, which is based on our previous work (see Do et al. 2017), is developed. More specifically, the pre-peak nonlinear and rate-sensitive hardening response of the material behavior, representing the fracture-process zone creation, is described by a rate-dependent continuum damage model. Meanwhile, an embedded displacement discontinuity model is used to formulate the post-peak response, involving the macro-crack creation accompanied by exponential softening. The numerical implementation in the context of the finite element method exploiting the second-order mid-point scheme is discussed in detail. In order to show the performance of the model several numerical examples are included.
Based on continuum mechanics and the principle of virtual displacements, incremental total Lagrangian formulation (T.L.) and incremental updated Lagrangian formulation (U.L.) were presented. Both T.L. and U.L. considered the large displacement stiffness matrix, which was modified to be symmetrical matrix. According to the incremental updated Lagrangian formulation, small strain, large displacement, finite rotation of three dimensional Timoshenko fiber beam element tangent stiffness matrix was developed. Considering large displacement and finite rotation, a new type of tangent stiffness matrix of the beam element was developed. According to the basic assumption of plane section, the displacement field of an arbitrary fiber was presented in terms of nodal displacement of centroid of cross-area. In addition, shear deformation effect was taken account. Furthermore, a nonlinear finite element method program has been developed and several examples were tested to demonstrate the accuracy and generality of the three dimensional beam element.
In this paper, a finite element analysis based on the local approach concept to fracture in the continuum damage mechanics is performed to analyze ductile fracture in two dimensional quasi-static state. First an isotropic damage model based on the generalized concept of effective stress is proposed for structural materials in the context of large deformation. In this model, the stiffness degradation is taken as a measure of damage and so, the fracture phenomenon can be explained as the critical deterioration of stiffness at a material point. The modified Riks' continuation technique is used to solve incremental iterative equations. Crack propagation is achieved by removing critically damaged elements. The mesh size sensitivity analysis and the simulation of the well known shearing mode failure in plane strain state are carried out to verify the present formulation. As numerical examples, an edge cracked plate and the specimen with a circular hole under plane stress are taken. Load-displacement curves and successively fractured shapes are shown. From the results, it can be concluded that the proposed model based on the local approach concept in the continuum damage mechanics may be stated as a reasonable tool to explain ductile fracture initiation and crack propagation.
A circular tank foundation resting on the ground and subjected to axisymmetric horizontal and vertical loads and moments is analyzed using the variational principles of mechanics. The circular foundation is assumed to behave as a Kirchhoff plate with in-plane and transverse displacements. The soil beneath the foundation is assumed to be a multi-layered continuum in which the horizontal and vertical displacements are expressed as products of separable functions. The differential equations of plate and soil displacements are obtained by minimizing the total potential energy of the plate-soil system and are solved using the finite element and finite difference methods following an iterative algorithm. Comparisons with the results of equivalent two-dimensional finite element analysis and other researchers establish the accuracy of the method.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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