Azqandi, Mojtaba Sheikhi;Hassanzadeh, Mahdi;Arjmand, Mohammad
Advances in Computational Design
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v.4
no.1
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pp.15-32
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2019
One of the efficient and useful tools to achieve the optimal design of structures is employing the sensitivity analysis in the finite element model. In the numerical optimization process, often the semi-analytical method is used for estimation of derivatives of the objective function with respect to design variables. Numerical methods for calculation of sensitivities are susceptible to the step size in design parameters perturbation and this is one of the great disadvantages of these methods. This article uses complex variables method to calculate the sensitivity analysis and combine it with discrete sensitivity analysis. Finally, it provides a new method to obtain the sensitivity analysis for linear structures. The use of complex variables method for sensitivity analysis has several advantages compared to other numerical methods. Implementing the finite element to calculate first derivatives of sensitivity using this method has no complexity and only requires the change in finite element meshing in the imaginary axis. This means that the real value of coordinates does not change. Second, this method has the lower dependency on the step size. In this research, the process of sensitivity analysis calculation using a finite element model based on complex variables is explained for linear problems, and some examples that have known analytical solution are solved. Results obtained by using the presented method in comparison with exact solution and also finite difference method indicate the excellent efficiency of the proposed method, and it can predict the sustainable and accurate results with the several different step sizes, despite low dependence on step size.
Kim, Kunhwi;Park, Jong Min;Bolander, John E.;Lim, Yun Mook
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.30
no.4A
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pp.353-359
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2010
Cementitious matrix based composites are vulnerable to the drying shrinkage crack during the curing process. In this study, the drying shrinkage induced fracture behavior of the fiber reinforced concrete is simulated and the effects of the fiber reinforcement conditions on the fracture characteristics are analysed. The numerical model is composed of conduit elements and rigid-body-spring elements on the identical irregular lattice topology, where the drying shrinkage is presented by the coupling of nonmechanical-mechanical behaviors handled by those respective element types. Semi-discrete fiber elements are applied within the rigid-body-spring network to model the fiber reinforcement. The shrinkage parameters are calibrated through the KS F 2424 free drying shrinkage test simulation and comparison of the time-shrinkage strain curves. Next, the KS F 2595 restrained drying shrinkage test is simulated for various fiber volume fractions and the numerical model is verified by comparison of the crack initiating time with the previous experimental results. In addition, the drying shrinkage cracking phenomenon is analysed with change in the length and the surface shape of the fibers, the measurement of the maximum crack width in the numerical experiment indicates the judgement of the crack controlling effect.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.29
no.2
s.233
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pp.293-302
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2005
In this paper, the thick-walled laminated, orthotropic as well as bimaterial, composite hollow spheres under impact pressure are analyzed in detail by using the semi-discrete finite element method with the Houbolt time-integration scheme which results in unconditionally stable transient numerical results. Numerical results are obtained by using the self-constructed spherically symmetric (one-dimensional) and axially symmetric (two-dimensional) finite element programs, and compared with the previous solutions by other researchers, being shown some of which are incorrect. The finite element package Nastran is also adopted for numerical comparison.
The objective of this study was to develop a simple and efficient numerical modeling technique for dynamic crack propagation using the finite element method. The study focused on the analysis of a rapidly propagation crack in an elastic body. As already known, discrete crack tip advance with the stationary node procedure results in spurious oscillation in the calculated energy terms. To reduce the spurious oscillation, a simple and efficient moving node procedure is proposed. The procedure does require neither remeshing the discretization nor distorting the original mesh. Two different central difference schemes are also evaluated and compared for dynamic crack propagation problem.
S. Arul Veda Manickam;Moudgalya, Nannan-K.;Pani, Amiya-K.
Journal of applied mathematics & informatics
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v.15
no.1_2
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pp.1-28
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2004
We first apply a first order splitting to a semilinear reaction-diffusion equation and then discretize the resulting system by an $H^1$-Galerkin mixed finite element method in space. This semidiscrete method yields a system of differential algebraic equations (DAEs) of index one. A priori error estimates for semidiscrete scheme are derived for both differ-ential as well as algebraic components. For fully discretization, an implicit Runge-Kutta (IRK) methods is applied to the temporal direction and the error estimates are discussed for both components. Finally, we conclude the paper with a numerical example.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.25
no.4
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pp.574-581
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2001
Transient linear elastodynamic problems are numerically analyzed in a time-domain by the Finite Element Method, for which the variational formulation based upon the equations of motion in convolution integral is newly derived. This formulation is implicit and does not include the time derivative terms so that the computation procedure is simple and less assumptions are required comparing to the conventional time-domain dynamic numerical algorithms, being able to get the improved numerical accuracy and stability. That formulation is expanded using the semi-discrete approximation to obtain the finite element equations. In the temporal approximation, the time axis is divided equally and constant and linear time variations are assumed in those intervals. It is found that unconditionally stable numerical results are obtained in case of the constant time variation. Some numerical examples are given to show the versatility of the presented formulation.
The rotating Rayleigh-Timoshenko beam element based on B-spline wavelet on the interval (BSWI) is constructed to discrete short shaft and stiffness disc. The crack is represented by non-dimensional linear spring using linear fracture mechanics theory. The wavelet-based finite element model of rotor system is constructed to solve the first three natural frequencies functions of normalized crack location and depth. The normalized crack location, normalized crack depth and the first three natural frequencies are then employed as the training samples to achieve the neural networks for crack diagnosis. Measured natural frequencies are served as inputs of the trained neural networks and the normalized crack location and depth can be identified. The experimental results of fatigue crack in short shaft is also given.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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2005.10a
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pp.409-414
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2005
In the literatures, the FFT-based SAM has been well applied to the computation of the steady-state responses of discrete dynamic systems. In this paper, a fast fourier transforms (FFT)-based spectral analysis method (SAM) is proposed fur the dynamic analysis of spectral element models subjected to the non-zero initial conditions. However, the FFT-based SAM has not yet been developed for the continuous systems represented by the spectral element model.
Journal of the Korean Society of Industry Convergence
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v.3
no.4
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pp.329-336
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2000
A geometric and material nonlinear finite element analysis is developed for the layered elastomeric bearings. In this study, a mixed variational approach with separate variables is used to describe the displacement and volume change of rubber. To represent finely deformed behavior, Kirchoff stress tensors are used and converted Eulerian stress tensors to describe real physical meanings. Newton's method is utilized to solve the governing nonlinear finite element equations. Numerical test are performed in the case of compression and shear to verify the theory and to illustrate the application of this analysis. And the results of this study were compared to the results of Moore's discrete finite element analysis.
In ballasted railway tracks, ballast fouling due to finer material intrusion has been identified as a challenging issue in track maintenance works. In this research, deformation characteristics of crushed stone-sand mixtures, simulating fresh and fouled ballasts were studied from laboratory and a 3-D discrete element method (DEM) triaxial compression tests. The DEM simulation was performed using a recently developed DEM approach, named, Yet Another Dynamic Engine (YADE). First, void ratio characteristics of crushed stone-sand mixtures were studied. Then, triaxial compression tests were conducted on specimens with 80 and 50% of relative densities simulating dense and loose states respectively. Initial DEM simulations were conducted using sphere particles. As stress-strain behaviour of crushed stone-sand mixtures evaluated by sphere particles were different from laboratory specimens, in next DEM simulations, the particles were modeled by a clump particle. The clump shape was selected using shape indexes of the actual particles evaluated by an image analysis. It was observed that the packing behaviour of laboratory crushed stone-sand mixtures were matched well with the DEM simulation with clump particles. The results also showed that the strength properties of crushed stone deteriorate when they are mixed by 30% or more of sand, specially under dense state. The results also showed that clump particles give closer stress-strain behaviour to laboratory specimens than sphere particles.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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