In this research, the attractive force of Coulomb type electrostatic chuck(ESC), which consisted of alumina dielectric, on glass substrate was studied by using the finite element analysis. The attractive force is caused by the high electrical resistance which occurs in contact region between glass substrate and dielectric layer. This research tries the simple geometrical modeling of ESC and glass substrate with air gap. The influences of the applied voltage, and air gap are investigated. When alumina dielectric with 1014 Ω·cm, 1.5 kV voltage, and 0.01 mm air gap were applied, electrostatic force in this work reached to 4 gf/㎠. This results show that the modeling of air gap is essential to derive the attractive force of the ESC.
This paper addresses the dynamic loading characteristics of the shock tube onto sandwich steel beams as an efficient and accurate alternative to time consuming and complicated fluid structure interaction using finite element modeling. The corrugated sandwich steel beam consists of top and bottom flat substrates of steel 1018 and corrugated cores of steel 1008. The corrugated core layers are arranged with non-uniform thicknesses thus making sandwich beam graded. This sandwich beam is analogous to a steel beam with web and flanges. Substrates correspond to flanges and cores to web. The stress-strain relations of steel 1018 at high strain rates are measured using the split-Hopkinson pressure. Both carbon steels are assumed to follow bilinear strain hardening and strain rate-dependence. The present finite element modeling procedure with an improved dynamic impulse loading assumption is validated with a set of shock tube experiments, and it provides excellent correlation based on Russell error estimation with the test results. Four corrugated graded steel core arrangements are taken into account for core design parameters in order to maximize mitigation of blast load effects onto the structure. In addition, numerical study of four corrugated steel core placed in a reverse order is done using the validated finite element model. The dynamic behavior of the reversed steel core arrangement is compared with the normal core arrangement for deflections, contact force between support and specimen and plastic energy absorption.
Reliability-Based Design Optimization (RBDO) is an appropriate framework for obtaining optimal designs by taking uncertainties into account. Large-scale problems with implicit limit state functions and problems with discrete design variables are two significant challenges to traditional RBDO methods. To overcome these challenges, this paper proposes a hybrid method to perform RBDO of structures that links Firefly Algorithm (FA) as an optimization tool to advanced (finite element) reliability methods. Furthermore, the Genetic Algorithm (GA) and the FA are compared based on the design cost (objective function) they achieve. In the proposed method, Weighted Simulation Method (WSM) is utilized to assess reliability constraints in the RBDO problems with explicit limit state functions. WSM is selected to reduce computational costs. To performing RBDO of structures with finite element modeling and implicit limit state functions, a First-Order Reliability Method (FORM) based on the Direct Differentiation Method (DDM) is utilized. Four numerical examples are considered to assess the effectiveness of the proposed method. The findings illustrate that the proposed RBDO method is applicable and efficient for RBDO problems with discrete and continuous design variables and finite element modeling.
Yu-Xiao Wu;Zi-Jian Fei;De-Cheng Feng;Meng-Yan Song
Nuclear Engineering and Technology
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v.55
no.12
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pp.4504-4517
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2023
After a loss of coolant accident (LOCA) in the prestressed concrete containment vessels (PCCVs) of nuclear power plants, the coupling of temperature and pressure can significantly affect the mechanical properties of the PCCVs. However, there is no consensus on how this coupling affects the failure mechanism of PCCVs. In this paper, a simplified finite element modeling method is proposed to study the effect of temperature and pressure coupling on PCCVs. The experiment results of a 1:4 scale PCCV model tested at Sandia National Laboratory (SNL) are compared with the results obtained from the proposed modeling approach. Seven working conditions are set up by varying the internal and external temperatures to investigate the failure mechanism of the PCCV model under the coupling effect of temperature and pressure. The results of this paper demonstrate that the finite element model established by the simplified finite element method proposed in this paper is highly consistent with the experimental results. Furthermore, the stress-displacement curve of the PCCV during loading can be divided into four stages, each of which corresponds to the damage to the concrete, steel liner, steel rebar, and prestressing tendon. Finally, the failure mechanism of the PCCV is significantly affected by temperature.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.20
no.8
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pp.205-212
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2003
In this study, in order to investigate a modeling technique of the structure with bolted joints, four kinds of finite element model are introduced; a solid bolt model, a coupled bolt model, a spider bolt model, and no bolt model. All proposed models take account on prestrained effect and contact behavior of flanges to be joined. Among these models, a solid bolt model, which is modeled by using a 3-D solid element and a surface-to-surface contact element between the head/nut and the flange interfaces, has the best accurate responses compared with the experimental results. In addition, coupled bolt model, which couples the degree of freedom between the head/nut and the flange, shows the best effectiveness and usefulness in view of computational time and memory usage. Finally, the bolt model proposed here is adopted for structural analysis of a large diesel engine of a ship consisting of several parts which is connected by long stay bolts.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.31
no.6
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pp.381-388
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2018
This paper presents a generalized finite element formulation for plastic hinge modeling based on lumped plasticity in the classical Euler-Bernoulli beam elements. In this approach, the plastic hinges are effectively modeled using proper enrichment functions describing weak discontinuities of the solution. The proposed methodology enables the insertion of plastic hinges at an arbitrary location without modifying the connectivity of elements. The formations of plastic hinges are instead achieved by hierarchically adding degrees of freedom to existing elements. Convergence analyses such as h- and p-extensions are performed to investigate the effectiveness of the proposed method. The analysis results indicate that the proposed generalized finite element method can achieve theoretical convergence rates for both cases where plastic hinges are located at nodes and within an element, thus demonstrating its accuracy.
Cho, Jeong-Rae;Lee, Jin Ho;Cho, Keunhee;Yoon, Hyejin
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.27
no.4
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pp.163-170
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2023
In the fluid-structure interaction analysis, the finite element formulation is performed for the wave equation for dynamic fluid pressure, and the dynamic pressure is defined as a degree of freedom at the fluid nodes. Therefore, to connect the fluid to the structure, it is necessary to connect the degree of freedom of fluid dynamic pressure and the degree of freedom of structure displacement through an interface element derived from the relationship between dynamic pressure and displacement. The previously proposed fluid-structure interface elements use conformal finite element meshes in which the fluid and structure match. However, it is challenging to construct conformal meshes when complex models, such as water purification plants and wastewater treatment facilities, are models. Therefore, to increase modeling convenience, a method is required to model the fluid and structure domains by independent finite element meshes and then connect them. In this study, two fluid-structure interface elements, one based on constraints and the other based on the integration of nonsmooth functions, are proposed in nonconformal finite element meshes for structures and fluids, and their accuracy is verified.
PURPOSE. The aim of this study is to summarize various biomechanical aspects in evaluating the long-term stability of dental implants based on finite element method (FEM). MATERIALS AND METHODS. A comprehensive search was performed among published studies over the last 20 years in three databases; PubMed, Scopus, and Google Scholar. The studies are arranged in a comparative table based on their publication date. Also, the variety of modeling is shown in the form of graphs and tables. Various aspects of the studies conducted were discussed here. RESULTS. By reviewing the titles and abstracts, 9 main categories were extracted and discussed as follows: implant materials, the focus of the study on bone or implant as well as the interface area, type of loading, element shape, parts of the model, boundary conditions, failure criteria, statistical analysis, and experimental tests performed to validate the results. It was found that most of the studied articles contain a model of the jaw bone (cortical and cancellous bone). The material properties were generally derived from the literature. Approximately 43% of the studies attempted to examine the implant and surrounding bone simultaneously. Almost 42% of the studies performed experimental tests to validate the modeling. CONCLUSION. Based on the results of the studies reviewed, there is no "optimal" design guideline, but more reliable design of implant is possible. This review study can be a starting point for more detailed investigations of dental implant longevity.
Laskar, Arghadeep;Zhong, Jianxia;Mo, Y.L.;Hsu, Thomas T.C.
Interaction and multiscale mechanics
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v.2
no.1
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pp.69-89
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2009
Reinforced and prestressed concrete (RC and PC) thin walls are crucial to the safety and serviceability of structures subjected to shear. The shear strengths of elements in walls depend strongly on the softening of concrete struts in the principal compression direction due to the principal tension in the perpendicular direction. The past three decades have seen a rapid development of knowledge in shear of reinforced concrete structures. Various rational models have been proposed that are based on the smeared-crack concept and can satisfy Navier's three principles of mechanics of materials (i.e., stress equilibrium, strain compatibility and constitutive laws). The Cyclic Softened Membrane Model (CSMM) is one such rational model developed at the University of Houston, which is being efficiently used to predict the behavior of RC/PC structures critical in shear. CSMM for RC has already been implemented into finite element framework of OpenSees (Fenves 2005) to come up with a finite element program called Simulation of Reinforced Concrete Structures (SRCS) (Zhong 2005, Mo et al. 2008). CSMM for PC is being currently implemented into SRCS to make the program applicable to reinforced as well as prestressed concrete. The generalized program is called Simulation of Concrete Structures (SCS). In this paper, the CSMM for RC/PC in material scale is first introduced. Basically, the constitutive relationships of the materials, including uniaxial constitutive relationship of concrete, uniaxial constitutive relationships of reinforcements embedded in concrete and constitutive relationship of concrete in shear, are determined by testing RC/PC full-scale panels in a Universal Panel Tester available at the University of Houston. The formulation in element scale is then derived, including equilibrium and compatibility equations, relationship between biaxial strains and uniaxial strains, material stiffness matrix and RC plane stress element. Finally the formulated results with RC/PC plane stress elements are implemented in structure scale into a finite element program based on the framework of OpenSees to predict the structural behavior of RC/PC thin-walled structures subjected to earthquake-type loading. The accuracy of the multiscale modeling technique is validated by comparing the simulated responses of RC shear walls subjected to reversed cyclic loading and shake table excitations with test data. The response of a post tensioned precast column under reversed cyclic loads has also been simulated to check the accuracy of SCS which is currently under development. This multiscale modeling technique greatly improves the simulation capability of RC thin-walled structures available to researchers and engineers.
The axially moving thin beam-plates exposed to sudden thermal loadings may experience severe vibrations through the thermal shock process. For accurate prediction of the thermal shock-induced vibrations, this paper develops a spectral element model for axially moving thermoelastic beam-plates. The spectral element model which is represented by spectral element matrix is formulated from the frequency-dependent dynamic shape functions which satisfy the governing equations in the frequency-domain. Thus, when compared with the classical finite element model in which simple polynomial functions are used as the shape functions, the spectral element model can provide exact solution by treating a whole uniform structure member as a single finite element, regardless of its length.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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