Finite element methods have often been used for structural analyses of various mechanical problems. When finite element analyses are utilized to resolve mechanical systems, numerical uncertainties in the initial data such as structural parameters and loading conditions may result in uncertainties in the structural responses. Therefore the initial data have to be as accurate as possible in order to obtain reliable structural analysis results. The typical finite element method may not properly represent discrete systems when using uncertain data, since all input data of material properties and applied loads are defined by nominal values. An interval finite element analysis, which uses the interval arithmetic as introduced by Moore (1966) is proposed as a non-stochastic method in this study and serves a new numerical tool for evaluating the uncertainties of the initial data in structural analyses. According to this method, the element stiffness matrix includes interval terms of the lower and upper bounds of the structural parameters, and interval change functions are devised. Numerical uncertainties in the initial data are described as a tolerance error and tree graphs of uncertain data are constructed by numerical uncertainty combinations of each parameter. The structural responses calculated by all uncertainty cases can be easily estimated so that structural safety can be included in the design. Numerical applications of truss and frame structures demonstrate the efficiency of the present method with respect to numerical analyses of structural uncertainties.
Zuohua Li;Jiafei Ning;Qingfei Shan;Hui Pan;Qitao Yang;Jun Teng
Computers and Concrete
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v.31
no.3
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pp.223-239
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2023
Geometric nonlinear performance simulation and analysis of complex modern buildings and industrial products require high-performance shell elements. Balancing multiple aspects of performance in the one geometric nonlinear analysis element remains challenging. We present a new shell element, flat shell DKMGQ-CR (Co-rotational Discrete Kirchhoff-Mindlin Generalized Conforming Quadrilateral), for linear and geometric nonlinear analysis of both thick and thin shells. The DKMGQ-CR shell element was developed by combining the advantages of high-performance membrane and plate elements in a unified coordinate system and introducing the co-rotational formulation to adapt to large deformation analysis. The effectiveness of linear and geometric nonlinear analysis by DKMGQ-CR is verified through the tests of several classical numerical benchmarks. The computational results show that the proposed new element adapts to mesh distortion and effectively alleviates shear and membrane locking problems in linear and geometric nonlinear analysis. Furthermore, the DKMGQ-CR demonstrates high performance in analyzing thick and thin shells. The proposed element DKMGQ-CR is expected to provide an accurate, efficient, and convenient tool for the geometric nonlinear analysis of shells.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.22
no.4
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pp.383-399
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2020
Optimizing the spacing of the disc cutter is a key element in the design of the TBM cutter head, which determines the drilling performance of the TBM. The full-scale linear cutting test is known as the most reliable and accurate test for calculating the spacing of the disc cutter, but it has the disadvantage of costly and time-consuming for the full-scale experiment. In this study, through the numerical analysis study based on the discrete element method, the tendency between Specific Energy-S/P ratio according to uniaxial compression strength and penetration depth of rock was analyzed, and the optimum spacing of 17-inch disc cutter was derived. To examine the appropriateness of the numerical analysis model, the rolling force acting on the disc cutter was compared and reviewed with the CSM model. As a result of numerical analysis for the linear cutting test, the rolling force acting on the disc cutter was analyzed to be similar to the rolling force derived from the theoretical formula of the CSM model. From the numerical analysis on 5 UCS cases (50 MPa, 70 MPa, 100 MPa, 150 MPa, 200 MPa), it is found that the range of the optimum spacing of the disc cutter decreases as the rock strength increases. And it can be concluded that 80~100 mm of disc cutter spacing is the optimum range having minimum specific energy regardless of rock strength. This tends to coincide with the optimal spacing of previously reported disk cutters, which underpins the disk cutter spacing calculated through this study.
Pu-Reun Jeon;Gyeong-Jo Min;Daisuke Fukuda;Hoon Park;Chul-Gi Suk;Tae-Hyeob Song;Kyong-Pil Jang;Sang-Ho Cho
Explosives and Blasting
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v.41
no.3
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pp.62-72
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2023
The aging of plant structures due to industrialization in the 1970s has increased the demand for blast demolition. While blasting can reduce exposure to environmental pollution by shortening the demolition period, improper blasting design and construction plans pose significant safety risks. Thus, it is vital to consider optimal blasting demolition conditions and other factors through collapse behavior simulation. This study utilizes a 3-D combined finite-discrete element method (FDEM) code-based 3-D DFPA to simulate the collapse of a chimney structure in a thermal power plant in Seocheon, South Korea. The collapse behavior from the numerical simulation is compared to the actual structure collapse, and the numerical simulation result presents good agreement with the actual building demolition. Additionally, various numerical simulations have been conducted on the chimney models to analyze the impact of the duct size in the pre-weakening area. The no-duct, duct, and double-area duct models were compared in terms of crack pattern and history of Z-axis displacement. The findings show that the elapse-time for demolition decreases as the area of the duct increases, causing collapse to occur quickly by increasing the load-bearing area.
In this paper, we propose a new mixed finite element method, called the characteristics-mixed method, for approximating the solution to Burgers' equation. This method is based upon a space-time variational form of Burgers' equation. The hyperbolic part of the equation is approximated along the characteristics in time and the diffusion part is approximated by a mixed finite element method of lowest order. The scheme is locally conservative since fluid is transported along the approximate characteristics on the discrete level and the test function can be piecewise constant. Our analysis show the new method approximate the scalar unknown and the vector flux optimally and simultaneously. We also show this scheme has much smaller time-truncation errors than those of standard methods. Numerical example is presented to show that the new scheme is easily implemented, shocks and boundary layers are handled with almost no oscillations. One of the contributions of the paper is to show how the optimal error estimates in $L^2(\Omega)$ are obtained which are much more difficult than in the standard finite element methods. These results seem to be new in the literature of finite element methods.
Bulletin of the Society of Naval Architects of Korea
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v.25
no.4
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pp.47-57
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1988
A new discrete method using idealized rigid body-spring model is introduced. This rigid element method is known to be more efficient and accurate than the finite element method in the inelastic range of structural analysis owing to simplified stress-strain and strain-displacement relations This kind of physical concept using idealized rigid model has been already applied among structural engineers to some problems such as rigid-plastic analysis or plastic design considering rigid bodies and plastic hinges. However the most rigorous and systematic research has been recently performed by T. Kawai et al.[1]. In this paper, an attempt is made to analyze the collapse behavior of stiffened plates under lateral loading by some modification and expansion of Kawai's rigid element approach to the collapse of plates without stiffener. Stiffened plates are treated as orthotropic plates which have equivalent bending rigidities. By employing Morley's plate element resubdivision technique, variety is given to mesh-division styles which have greate effect on the accuracy of numerical results. Some examples are shown to verify the validity of applying rigid element method to the ultimate strength analysis of stiffened plates. It is clarified that lateral deflections and detailed collapse patterns up to the ultimate state of stiffened plates can be easily obtained by the present approach.
In this paper, a method for improving the defect classification performance in steel plate surface has been studied, based on DWT(discrete wavelet transform) and SVM(support vector machine). Surface images of the steel plate have low contrast, uneven, and featureless, so that the contrast between defect and defect-free regions is not discriminated. These characteristics make it difficult to extract the feature of the surface defect image. In order to improve the characteristics of these images, a synthetic images based on discrete wavelet transform are modeled. Using the synthetic images, edge-based features are extracted and also geometrical features are computed. SVM was configured in order to classify defect images using extracted features. As results of the experiment, the support vector machine based classifier showed good classification performance of 94.3%. The proposed classifier is expected to contribute to the key element of inspection process in smart factory.
The pre-peak cyclic shear mechanism of two-order asperity degradation of rock joints in the direct shear tests with static constant normal loads (CNL) are investigated using experimental and numerical methods. The laboratory testing rock specimens contains the idealized and regular two-order triangular-shaped asperities, which represent the specific geometrical conditions of natural and irregular waviness and unevenness of rock joint surfaces, in the pre-peak cyclic shear tests. Three different shear failure patterns of two-order triangular-shaped rock joints can be found in the experiments at constant horizontal shear velocity and various static constant normal loads in the direct and pre-peak cyclic shear tests. The discrete element method is adopted to simulate the pre-peak shear failure behaviors of rock joints with two-order triangular-shaped asperities. The rock joint interfaces are simulated using a modified smooth joint model, where microscopic scale slip surfaces are applied at contacts between discrete particles in the upper and lower rock blocks. Comparing the discrete numerical results with the experimental results, the microscopic bond particle model parameters are calibrated. Effects of cyclic shear loading amplitude, static constant normal loads and initial waviness asperity angles on the pre-peak cyclic shear failure behaviors of triangular-shaped rock joints are also numerically investigated.
Gamino, Andre Luis;Bittencourt, Tulio Nogueira;de Oliveira e Sousa, Jose Luiz Antunes
Computers and Concrete
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v.6
no.3
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pp.187-202
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2009
This paper focuses on the flexural behavior of RC beams externally strengthened with Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRP) fabric. A non-linear finite element (FE) analysis strategy is proposed to support the beam flexural behavior experimental analysis. A development system (QUEBRA2D/FEMOOP programs) has been used to accomplish the numerical simulation. Appropriate constitutive models for concrete, rebars, CFRP and bond-slip interfaces have been implemented and adjusted to represent the composite system behavior. Interface and truss finite elements have been implemented (discrete and embedded approaches) for the numerical representation of rebars, interfaces and composites.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1994.04a
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pp.17-24
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1994
In the analysis pre-cast large panel structures, we can use the new discrete analyzing method to be consisted of rigid bodies. Because the pre-cast panels we still more rigid than the connection, the rigid element method is more efficient numerical method than F. E. M. The characteristics of R. E. M. is that strains in element are not occurred by external loadings and the deformation of the structures by external loadings is transmitted through springs around elements. In this study, we focus on the comparison of the results from the R. E. M. and the F. E. M. in order to establish the validity of the R. E. M. to analysis of pre-cast panel structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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