The finite element method is wide used in simulation in the biomechanical structures, but a lack of studies concerning finite element mesh quality in biomechanics is a reality. The present study intends to analyze the importance of the mesh quality in the finite element model results from humeral structure. A sensitivity analysis of finite element models (FEM) is presented for the humeral bone and cartilage structures. The geometry of bone and cartilage was acquired from CT scan and geometry reconstructed. The study includes 54 models from same bone geometry, with different mesh densities, constructed with tetrahedral linear elements. A finite element simulation representing the glenohumeral-joint reaction force applied on the humerus during $90^{\circ}$ abduction, with external load as the critical condition. Results from the finite element models suggest a mesh with 1.5 mm, 0.8 mm and 0.6 mm as suitable mesh sizes for cortical bone, trabecular bone and humeral cartilage, respectively. Relatively to the higher minimum principal strains are located at the proximal humerus diaphysis, and its highest value is found at the trabecular bone neck. The present study indicates the minimum mesh size in the finite element analyses in humeral structure. The cortical and trabecular bone, as well as cartilage, may not be correctly represented by meshes of the same size. The strain results presented the critical regions during the $90^{\circ}$ abduction.
Polatov, Askhad M.;Khaldjigitov, Abduvali A.;Ikramov, Akhmat M.
Advances in Computational Design
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v.5
no.3
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pp.305-321
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2020
In this paper is presented the solution method for three-dimensional problem of transversely isotropic body's elastoplastic deformation by the finite element method (FEM). The process of problem solution consists of: determining the effective parameters of a transversely isotropic medium; construction of the finite element mesh of the body configuration, including the determination of the local minimum value of the tape width of non-zero coefficients of equation systems by using of front method; constructing of the stiffness matrix coefficients and load vector node components of the equation for an individual finite element's state according to the theory of small elastoplastic deformations for a transversely isotropic medium; the formation of a resolving symmetric-tape system of equations by summing of all state equations coefficients summing of all finite elements; solution of the system of symmetric-tape equations systems by means of the square root method; calculation of the body's elastoplastic stress-strain state by performing the iterative process of the initial stress method. For each problem solution stage, effective computational algorithms have been developed that reduce computational operations number by modifying existing solution methods and taking into account the matrix coefficients structure. As an example it is given, the problem solution of fibrous composite straining in the form of a rectangle with a system of circular holes.
Reliability analysis of composite structures considering random variation of involved parameters is quite important as composite materials revealed large statistical variations in their mechanical properties. The reliability analysis of such structures by the first order reliability method (FORM) and Monte Carlo Simulation (MCS) based approach involves repetitive evaluations of performance function. The response surface method (RSM) based metamodeling technique has emerged as an effective solution to such problems. In the application of metamodeling for uncertainty quantification and reliability analysis of composite structures; the finite element model is usually formulated by either classical laminate theory or first order shear deformation theory. But such theories show significant error in calculating the structural responses of composite structures. The present study attempted to apply the RSM based MCS for reliability analysis of composite shell structures where the surrogate model is constructed using higher order shear deformation theory (HSDT) of composite structures considering the uncertainties in the material properties, load, ply thickness and radius of curvature of the shell structure. The sensitivity of responses of the shell is also obtained by RSM and finite element method based direct approach to elucidate the advantages of RSM for response sensitivity analysis. The reliability results obtained by the proposed RSM based MCS and FORM are compared with the accurate reliability analysis results obtained by the direct MCS by considering two numerical examples.
When a welded circular hollow section (CHS) tubular joint is subjected to brace axial loading, failure position is located usually at the weld toe on the chord surface due to the weak flexural stiffness of the thin-walled chord. The failure mode is local yielding or buckling in most cases for a tubular joint subjected to axial load at the brace end. Especially when a cyclic axial load is applied, fracture failure at the weld toe may occur because both high stress concentration and welding residual stress along the brace/chord intersection cause the material in this region to become brittle. To improve the ductility as well as to increase the static strength, a tubular joint can be reinforced by increasing the chord thickness locally near the brace/chord intersection. Both experimental investigation and finite element analysis have been carried out to study the hysteretic behaviour of the reinforced tubular joint. In the experimental study, the hysteretic performance of two full-scale circular tubular T-joints subjected to cyclic load in the axial direction of the brace was investigated. The two specimens include a reinforced specimen by increasing the wall thickness of the chord locally at the brace/chord intersection and a corresponding un-reinforced specimen. The hysteretic loops are obtained from the measured load-displacement curves. Based on the hysteretic curves, it is found that the reinforced specimen is more ductile than the un-reinforced one because no fracture failure is observed after experiencing similar loading cycles. The area enclosed by the hysteretic curves of the reinforced specimen is much bigger, which shows that more energy can be dissipated by the reinforced specimen to indicate the advantage of the reinforcing method in resisting seismic action. Additionally, finite element analysis is carried out to study the effect of the thickness and the length of the reinforced chord segment on the hysteretic behaviour of CHS tubular T-joints. The optimized reinforcing method is recommended for design purposes.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.13
no.5
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pp.413-430
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2011
Consideration on the explosion resistant design of infrastructure has increased in the recent years. The explosion load is caused by gas explosion or bomb blast. In this study an analytical model is developed, whereby the tunnel structure is divided in several elements that are schematized as single degree of freedom mass-spring-dashpot systems on gas explosion. Using this simple model a sensitivity analysis has been carried out on tunnel structure design parameters such as explosive peak pressure, duration of the load, thickness of structure, burial depth. Finite element method was used to investigate the dynamic response and plastic zone of a tunnel under gas explosion. And it was found from the comparison of the analysis results that there are slight differences in the response of the intermediate wall between the single degree of freedom mass-spring-dashpot model and FEM.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.40
no.4
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pp.320-324
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2016
A new eccentric forging process for camber bolts has been suggested in this study. The camber bolt is manufactured by a two-step process: the typical forging process for normal bolts and the trimming process for the eccentric flange. The processes are performed under high forging load and generate a large amount of chip during trimming. A new forging process has been required in order to overcome these problems. The eccentric forging is the new process in which the load axis is offset from the central axis, as against central load applied in a typical forging process. The eccentric forging process could reduce forging load and save the amount of chip. In order to manufacture camber bolts by an optimum process, it is required to adjust the geometry of eccentric die and the offset from the central axis.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.5
no.2
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pp.227-245
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2013
Reliable strength assessment of the Liquefied Natural Gas (LNG) cargo containment system under the sloshing impact load is very difficult task due to the complexity of the physics involved in, both in terms of the hydrodynamics and structural mechanics. Out of all those complexities, the proper selection of the design sloshing load which is applied to the structural model of the LNG cargo containment system, is one of the most challenging one due to its inherent randomness as well as the statistical analysis which is tightly linked to the design sloshing load selection. In this study, the response based strength assessment procedure of LNG cargo containment system has been developed and proposed as an alternative design methodology. Sloshing pressure time history, measured from the model test, is decomposed into wavelet basis function targeting the minimization of the number of the basis function together with the maximization of the numerical efficiency. Then the response of the structure is obtained using the finite element method under each wavelet basis function of different scale. Finally, the response of the structure under entire sloshing impact time history is rapidly calculated by synthesizing the structural response under wavelet basis function. Through this analysis, more realistic response of the system under sloshing impact pressure can be obtained without missing the details of pressure time history such as rising pattern, oscillation due to air entrapment and decay pattern and so on. The strength assessment of the cargo containment system is then performed based on the statistical analysis of the stress peaks selected out of the obtained stress time history.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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