본 연구에서는 유한 회전에 의한 효과를 고려한 곡선 보요소를 개발하고, 이 요소를 이용하여 공간뼈대 구조물의 기하학적 비선형 해석을 수행하였다. 이 곡선 보요소는 증분 변위장에 Rodriguez의 2차 유한 회전항을 포함시킴으로써, 유한 회전에 의한 기하학적 평형을 유지하도록 하였다. 대변형 해석을 위하여 Total Lagrangian 방법이 적용되었으며, 비선형 해석을 수행하기 위한 알고리즘으로는, 여러개의 임계점을 갖는 비선형 거동가지도 추적할 수 있도록 하중 및 변위 증분의 조합법이 사용되었다. 공간 뼈대 구조물의 해석 예제를 통하여, 기하학적 비선형 해석에서 발생하는 유한 회전에 의한 효과를 확인하고, 본 연구에서 제안한 유한요소의 효율성 및 비선형 알고리즘으로 선택한 하중 및 변위 증분의 조합법의 적용성을 입증하였다.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1999.04a
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pp.169-176
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1999
An improved formulation for spatial stability md free vibration of thin-walled curved beams with variable curvature and non-symmetric cross sections are presented based on the displacement field considering the second order terms of finite semitangential rotations. By introducing Vlasov's assumptions, the total potential energy is derived from the principle of linearized virtual work for a continuum. In this formulation, all displacement parameters and the warping function are defined at the centroid axis so that the coupled terms of bending and torsion are added to the elastic strain energy. Also, the potential energy due to initial stress resultants is consistently derived corresponding to the semitangential rotation and moment. The cubic Hermitian polynomials are utilized as shape functions for development of the curved thin-walled beam element having eight degrees of freedom. In order to illustrate the accuracy and practical usefulness of this study, . numerical solutions for free vibration of arches are presented and compared with resells of other researchers and solutions analyzed by the ABAQUS's shell element.
In this work, a new penalty formulation is proposed for the analysis of Mindlin-Reissner plates by using the element-free Galerkin method. A penalized weak form for the Mindlin-Reissner Plates is constructed through the exterior penalty method to enforce the essential boundary conditions of rotations as well as transverse displacements. In the numerical examples, some typical problems of Mindlin-Reissner plates are analyzed, and parametric studies on the order of integration and the size of influence domain are also carried out. The effect of the types of background cells on the accuracy of numerical solutions is observed and a proper type of background cell for obtaining optimal accuracy is suggested. Further, optimal order of integration and basis order of Moving Least Squares approximation are suggested to efficiently handle the irregularly distributed nodes through the triangular type of background cells. From the numerical tests, it is identified that unlike the finite element method, the proposed element-free Galerkin method with penalty technique gives highly accurate solution without shear locking in dealing with Mindlin-Reissner plates.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.26
no.1
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pp.130-137
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2009
This paper deals with the comparisons of methodologies to express finite rotations accounting for analysis of the rotor system. Researches have been made to predict a behavior of its rotational motion by introducing Euler angles which turned out to be lack in consistency and exactness of the analysis. To overcome this deficiency a new methodology is applied by using both spherical coordinate and quaternion in the rotor rotation and shows its superiority over choices of the Euler angle in terms of kinetic energy and rotation velocity. It is found through numerical examples that quaternion is a more useful and valid tool to derive the ideal numerical model of the rotor system.
A numerical study of soil-foundation system under monotonic and cyclic pushover loading is conducted, taking into account both material and geometric nonlinearities. A complete and refined 3D finite element (FE) model, using contact condition and allowing separation between soil and foundation, is implemented and used in order to evaluate the nonlinear relationship between applied vertical forces and induced settlements. Based on the obtained curve, a simplified model is proposed, in which the soil inelasticity is satisfactorily represented by two vertical springs with trilinear behavior law, and the foundation uplifting is insured by gap elements. Results from modeling soil-foundation system supporting a bridge pier have shown that the simplified model is able to capture irreversible settlements induced by cyclic rocking, due to soil inelasticity and vertical loading, as well as large rotations due to foundation uplifting.
In this study, a new functional based on the Reissner theory, for thick plates on a Winkler foundation is obtained. This functional has geometric and dynamic boundary conditions. In deriving the new functional, the $G{\hat{a}}teaux$ differential is used. This functional which is in polar coordinates is also transformable into the classical potential energy equation. Bending and torsional moments, transverse shear forces, rotations and displacements are the basic unknowns of the functional. Two different sectorial elements are developed with $3{\times}8$ degrees of freedom (SEC24) and $4{\times}8$ degrees of freedom (SEC32). The accuracy of the SEC24 and SEC32 elements together are verified by applying the method to some problems taken from literature.
A new efficient hybrid/mixed thin~moderately thick plate bending element with 6-node (HM6-14) is formulated based on the Reissner-Mindlin plate bending theory. The convergence of this element is proved by error estimate theories and verified by patch test respectively. Numerical studies on such an element as HM6-14 demonstrate that it has remarkable convergence, invariability to geometric distorted mesh situations, to axial rotations, and to node positions, and no "locking" phenomenon in thin plate limit. The present element is suitable to many kinds of shape and thin~moderately thick plate bending problems. Further, in comparison with original hybrid/mixed plate bending element HP4, the present element yields an improvement of solutions. Therefore, it is an efficient element and suitable for the development of adaptive multi-field finite element method (FEM).
The dynamic crack growth in ductile steel is investigated by means of the impact loaded 3 point bending (3PB) specimens. Results from experiments and numerical simulations are compared to each other. A modified 3PB specimen designed with the reduced width at its ends has been developed in order to avoid the initial compressive loading of the crack tip and also to avoid the uncertain boundary conditions at the impact heads. Numerical simulations of the experiments are made by using a finite element method (FEM) code, ABAQUS. The high speed photography is used to obtain the crack growth and the data of the crack tip opening displacement (CTOD). The direct measurements of the relative rotations of two specimen halves are made by using the Moire interference pattern.
The homogenization method is used to develop a beam element in space for thermo-mechanical analysis of unidirectional composites. Local stress and temperature field in the microscale are described using the function of homogenization. The global (macroscopic) behaviour of the structure is supposed to be that of a beam. Beam-type kinematical hypotheses (including independent shear rotations) are hence applied and superposed on the microdescription. A macroscopic stiffness matrix for such a beam element is then developed which contains the microscale properties of the single cell of periodicity. The presented model enables us to analyse without too much computational effort complicated composite structures such as e.g. toroidal coils of a fusion reactor. We need only a FE mesh sufficiently fine for a correct description of the local geometry of a single cell and a few of the newly developed elements for the description of the global behaviour. An unsmearing procedure gives the stress and temperature field in the different materials of a single cell.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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1995.05a
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pp.141-153
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1995
An incremental Total Lagrangian Formulation is implemented for the finite element analysis of laminated composite pressure vessel with consideration of the material and geometric nonlinearities. For large displacements/large rotations due to geometric nonlinearities, the incremental equations are derived using a quadratic approximation for the increment of the reference vectors in terms of the nodal rotation increments. This approach leads to a complete tangent stiffness matrix. For material nonlinearity, the analysis is performed by using the piecewise linear method, taking account of the nonlinear shear stress-strain relation. The results of numerical tests include the large deflection behavior of the selected composite shell problem. When compared with the previous analysis, tile results are in good agreement with them. As a practical example, filament wound pressure vessel is analyzed with consideration of the geometrically and materially nonlinearity. The numerical results agree fairly well with the existing experimental results.
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