Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.32
no.2
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pp.250-255
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2008
Springs are widely utilized in machine element. To find out stiffness of frustum-shaped coil spring, the space beam theory using the finite element method is adopted in this paper. In three dimensional space, a space frame element is a straight bar of uniform cross section which is capable of resisting axial forces, bending moments about two principal axes in the plane of its cross section and twisting moment about its centroidal axis. The corresponding displacement degrees of freedom are twelve. To find out load vector of coil spring subjected to distributed compression. principle of virtual work is adapted. And this theory was programming using MATLAB software. To compare FEM using MATLAB software was applied MSC. Nastran software. The geometry model for MSC. Patran was produced by 3-D design modeling software. Finite element model was produced by MSC. Patran. Finite element was applied tetra (CTETRA) having 10 node. The analysis results of the MATLAB and MSC. Nastran are fairly well agreed with those of various experiments. Using MATLAB program proposed in this paper and MSC. Nastran, spring constants and stresses can be predicted by input of few factors.
Park, Kwang-Phil;Cha, Ju-Hwan;Lee, Kyu-Yeul;Ham, Seung-Ho
Korean Journal of Computational Design and Engineering
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v.15
no.6
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pp.411-417
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2010
In this paper, the boom of a floating crane is modeled as a 3-dimensional elastic beam in order to analyze the dynamic response of the crane and its cargo. The boom is divided into more than two elements based on finite element formulation, and deformation of each element is expressed in terms of shape matrix and nodal coordinates. The equations of motion for the elastic boom consist of a mass matrix, a stiffness matrix, and a quadratic velocity vector that contains the gyroscopic and Coriolis forces. The size and complicity of the matrices increase in proportion with the number of elements. Therefore, it is not possible to derive the equations of motion explicitly for different number of elements. To overcome this difficulty, matrices for one 3-dimensional element are expressed with elementary sub-matrices. In particular, the quadratic velocity vector is derived as a product of a shape matrix and a 3-dimensional rotation matrix. By using the derived matrices, the equations of motion for the multi-element boom are automatically constructed. To verify the implementation of the elastic boom based on finite element formulation, we simulated a simple vibration of the elastic boom and compared the average deformation with the analytic solution. Finally, heave motion of the floating crane and surge motion of the cargo are presented as application examples of the elastic boom.
This paper employed a systematic analysis using a 2-D hybrid special finite element containing an edge crack in order to describe the fracture behavior of spot-welds in automotive structures. The 2-D hybrid special finite element is derived form a mixed formulation with a complex potential function with the description of the singularity of a stress field. The hybrid special finite element containing an edge crack can give a better description of its singularity with only one hybrid element surrounding one crack. The advantage of this special element is that it can greatly simplify the numerical modeling of the spot welds. Some numerical examples demonstrate the validity and versatility of the present analysis method. The lap-shear, lap-tension and angle-clip specimens are analyzed and some useful fracture parameters such as the stress intensity factor and the initial direction of crack growth are obtained simultaneously.
Accurate electroencephalography (EEG) forward calculation is of importance for the accurate estimation of neuronal electrical sources. Conventional studies concerning the EEG forward problems have investigated various factors influencing the forward solution accuracy, e.g. tissue conductivity values in head compartments, anisotropic conductivity distribution of a head model, tessellation patterns of boundary element models, the number of elements used for boundary/finite element method (BEM/FEM), and so on. In the present paper, we investigated the influence of modeling errors in the boundary element volume conductor models upon the accuracy of the EEG forward solutions. From our simulation results, we could confirm that accurate construction of boundary element models is one of the key factors in obtaining accurate EEG forward solutions from BEM. Among three boundaries (scalp, outer skull, and inner skull boundary), the solution errors originated from the modeling error in the scalp boundary were most significant. We found that the nonuniform error distribution on the scalp surface is closely related to the electrode configuration and the error distributions on the outer and inner skull boundaries have statistically meaningful similarity to the curvature distributions of the boundary surfaces. Our simulation results also demonstrated that the accumulation of small modeling errors could lead to considerable errors in the EEG source localization. It is expected that our finding can be a useful reference in generating boundary element head models.
Journal of the Korean Society for Industrial and Applied Mathematics
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v.20
no.3
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pp.243-259
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2016
The Richards equation for water movement in unsaturated soil is highly nonlinear partial differential equations which are not solvable analytically unless unrealistic and oversimplifying assumptions are made regarding the attributes, dynamics, and properties of the physical systems. Therefore, conventionally, numerical solutions are the only feasible procedures to model flow in partially saturated porous media. The standard Finite element numerical technique is usually coupled with an Euler time discretizations scheme. Except for the fully explicit forward method, any other Euler time-marching algorithm generates nonlinear algebraic equations which should be solved using iterative procedures such as Newton and Picard iterations. In this study, lumped mass and distributed mass in the frame of Picard and Newton iterative techniques were evaluated to determine the most efficient method to solve the Richards equation with finite element model. The accuracy and computational efficiency of the scheme and of the Picard and Newton models are assessed for three test problems simulating one-dimensional flow processes in unsaturated porous media. Results demonstrated that, the conventional mass distributed finite element method suffers from numerical oscillations at the wetting front, especially for very dry initial conditions. Even though small mesh sizes are applied for all the test problems, it is shown that the traditional mass-distributed scheme can still generate an incorrect response due to the highly nonlinear properties of water flow in unsaturated soil and cause numerical oscillation. On the other hand, non oscillatory solutions are obtained and non-physics solutions for these problems are evaded by using the mass-lumped finite element method.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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1992.10a
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pp.117-123
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1992
In recent years, the finite element method has become one of the most popular numerical technique for obtaining solutions of engineering science problems. However, there exist various uncertainties in modeling the problems, such as the dimensions(geometry shape), the material properties, boundary conditions, etc. The consideration for the uncertainties inherent in the problems can be made by understanding the influences of uncertain parameters[1]. Determining the influences of uncertainties as statistical quantities using the standard finite element method requires enormous computing time, while the probabilistic finite element method is realized as an efficient scheme[2,3] yielding statistical solution with just a few direct computations. In this paper, a formulation of the probabilistic fluid-structure interaction problem accounting for the first order perturbation of geometric shape is derived, and especially probabilistical acoustic pressure scattering from the structure with surrounding fluid is focused on. In Section 2, governing equations for the fluid-structure problems are given. In Section 3, a finite element formulation, based on the functional, is presented. First order perturbation of geometric shape with randomness is incorporated into the finite element formulation in conjunction with discretization of the random fields in Section 4 and 5. Finally, the proposed formulation is applied to a acoustic pressure scattering problem from an infinitely long cylindrical shell structure with randomness of radial perturbation.
Yun, Gun-Jin;Harmon, Thomas G.;Dyke, Shirley J.;So, Migeum
Computers and Concrete
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v.5
no.3
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pp.217-241
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2008
In this paper, a total strain-based hysteretic material model based on MCFT is proposed for non-linear finite element analysis of reinforced concrete structures. Although many concrete models have been proposed for simulating behavior of structures under cyclic loading conditions, accurate simulations remain challenging due to uncertainties in materials, pitfalls of crude assumptions of existing models, and limited understanding of failure mechanisms. The proposed model is equipped with a fully generalized hysteresis rule and is formulated for 2D plane stress non-linear finite element analysis. The proposed model has been formulated in a tangent stiffness-based finite element scheme so that it can be used for most general finite element analysis packages. Moreover, it eliminates the need to check that tensile stresses can be transmitted across a crack. The tension stiffening model is a function of the bar orientation and any orientation can be accommodated. The proposed model has been verified with a series of experimental results of 2D RC planar panels. This study also demonstrates how parameters of the proposed model associated with cyclic damage modeling influences the pinched cyclic shear behavior.
Fretting, which is a special type of wear, is defined as small amplitude relative motion along the contacting interface between two materials. The structural integrity of steam generators in nuclear power plants is very much dependent upon the fretting wear characteristics of Inconel 690 U-tubes. In this study, a finite element model that can simulate fretting wear on the secondary side of the steam generator was developed and used for a quantitative investigation of the fretting wear phenomenon. Finite element modeling of elastic contact wear problems was performed to demonstrate the feasibility of applying the finite element method to fretting wear problems. The elastic beam problem, with existing solutions, is treated as a numerical example. By introducing a control parameter s, which scaled up the wear constant and scaled down the cycle numbers, the algorithm was shown to greatly reduce the time required for the analysis. The work rate model was adopted in the wear model. In the three-dimensional finite element analysis, a quarterly symmetric model was used to simulate cross tubes contacting at right angles. The wear constant of Inconel 690 in the work rate model was taken as $K=26.7{\times}10^{-15}\;Pa^{-1}$ from experimental data obtained using a fretting wear test rig with a piezoelectric actuator. The analyses revealed donut-shaped wear along the contacting boundary, which is a typical feature of fretting wear.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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