A previously proposed finite element formulation method is refined and modified to generate a new type of elements. The method is based on selecting a set of general solution modes for element formulation. The constant strain modes and higher order modes are selected and the formulation method is designed to ensure that the element will pass the basic single element test, which in turn ensures the passage of the basic patch test. If the element is to pass the higher order patch test also, the element stiffness matrix is in general asymmetric. The element stiffness matrix depends only on a nodal displacement matrix and a nodal force matrix. A symmetric stiffness matrix can be obtained by either modifying the nodal displacement matrix or the nodal force matrix. It is shown that both modifications lead to the same new element, which is demonstrated through numerical examples to be more robust than an assumed stress hybrid element in plane stress application. The method of formulation can also be used to arrive at the conforming displacement and hybrid stress formulations. The convergence of the latter two is explained from the point of view of the proposed method.
This paper describes a method of the refined plastic hinge approach in the framework of the higher-order element formulation that can efficaciously evaluate the limit state capacity of a whole reinforced concrete structural system using least number of element(s), whereas the traditional design of a reinforced concrete structure (i.e. AS3600; Eurocode 2) is member-based approach. Hence, in regard to the material nonlinearities, the efficient and economical cross-section analysis is provided to evaluate the element section capacity of non-uniform and arbitrary concrete section subjected to the interaction effects, which is helpful to formulate the refined plastic hinge method. In regard to the geometric nonlinearities, this paper relies on the higher-order element formulation with element load effect. Eventually, the load redistribution can be considered and make full use of the strength reserved owing to the redundancy of an indeterminate structure. And it is particularly true for the performance-based design of a structure under the extreme loads, while the uncertainty of the extreme load is great that the true behaviour of a whole structural system is important for the economical design approach, which is great superiority over the conservative optimal strength of an individual and isolated member based on traditional design (i.e. AS3600; Eurocode 2).
In two dimensional incompressible flaws, a preconditioning technique called Hierarchical Iterative Procedure(HIP) has been implemented on a SUPG finite element formulation. By using the SUPG formulation, one can escape from the LBB constraint and hence achieve an equal order formulation. In this paper, we increased the order of interpolation up to cubic. The conjugate gradient squared(CGS) method is used for the outer iteration, and the HIP for the preconditioning for the incompressible Navier-Stokes equation. The hierarchical elements has been used to achieve a higher order accuracy in fluid flaw analyses, but a proper efficient iterative procedure for higher order finite element formulation has not been available so far. The numerical results by the present HIP for the lid driven cavity flaw showed the present procedure to be stable, very efficient and useful in flaw analyses in conjunction with hierarchical elements.
In two-dimensional incompressible flows, a preconditioning technique called Hierarchical Iterative Procedure (HIP) has been implemented on a SUPG finite element formulation. By using the SUPG formulation, one can escape from the LBB constraint hence, achieving an equal order formulation. In this paper, we increased the order of interpolation up to cubic. The conjugate gradient squared (CGS) method is used for the outer iteration, and the HIP for the preconditioning for the incompressible Navier-Stokes equation. The hierarchical elements have been used to achieve a higher order accuracy in fluid flow analyses, but a proper and efficient iterative procedure for higher order finite element formulation has not been available, thus far. The numerical results by the present HIP for the lid driven cavity flow showed the present procedure to be stable, very efficient, and useful in flow analyses, in conjunction with hierarchical elements.
In two dimensional incompressible flows, a preconditioning technique called Hierarchical Iterative Procedure(HIP) has been implemented on a stabilized finite element formulation. The stabilization has been peformed by a modified residual method proposed by Illinca et. al.[3]. The stabilization which is necessary to escape from the LBB constraint renders an equal order formulation. In this paper, we increased the order of interpolation whithin an element up to cubic. The conjugate gradient squared(CGS) method is used for the outer iteration, and the HIP for the preconditioning for the incompressible Navier-Stokes equation. The hierarchical elements has been used to achieve a higher order accuracy in fluid flow analyses, but a proper efficient iterative procedure for higher order finite element formulation has not been available so far. The numerical results by the present HIP for the lid driven cavity flow showed the present procedure to be stable, very efficient and useful in flow analyses in conjunction with hierarchical elements.
In classical higher-order discontinuous boundary element formulation for two-dimensional elastostatics, interpolation functions for different boundary variables (i.e., boundary displacements and tractions) are assumed to be the same. However, there is a derivational relationship between these variables. This paper presents a boundary element formulation, called Mixed Boundary Element Formulation, for two dimensional elastostatic problems in which above mentioned relationship is taking into account. The formulations are performed by using discontinuous first and second-order mixed boundary elements. Based on the formulations presented in this study, two computer softwares are developed and verified through some example problems. The results show that the present formulation is credible.
Various transition elements are used in general for the effective finite element analysis of complicated mechanical structures. In this paper, a solid-to-beam transition finite element, which can b e used for connecting a C1-continuity beam element to a continuum solid element, is proposed. The shape functions of the transition finite element are derived to meet the compatibility condition, and a transition element equation is formulated by the conventional finite element procedure. In order to show the effectiveness and convergence characteristics of the proposed transition element, numerical tests are performed for various examples. As a result of this study, following conclusions are obtained. (1) The proposed transition element, which meets the compatibility of the primary variables, exhibits excellent accuracy. (2) In case of using the proposed transition element, the number of nodes in the finite element model may be considerably reduced and the model construction becomes more convenient. (3) This formulation method can be applied to the usage of higher order elements.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제6권4호
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pp.1000-1013
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2014
This paper presents some of the efforts by the authors towards numerical prediction of springing of ships. A time-domain Higher Order Boundary Element Method (HOBEM) based on cubic shape function is first presented to solve a complete second-order problem in terms of wave steepness and ship motions in a consistent manner. In order to avoid high order derivatives on the body surfaces, e.g. mj-terms, a new formulation of the Boundary Value Problem in a body-fixed coordinate system has been proposed instead of traditional formulation in inertial coordinate system. The local steady flow effects on the unsteady waves are taken into account. Double-body flow is used as the basis flow which is an appropriate approximation for ships with moderate forward speed. This numerical model was used to estimate the complete second order wave excitation of springing of a displacement ship at constant forward speeds.
In this paper, free vibration finite element analysis of axially moving laminated composite beams subjected to axial tension is studied. It is assumed that the beam has a constant axial velocity and is subject to uniform axial tension. The analysis is based on higher-order theories that have been presented by Carrera Unified Formulation (CUF). In the CUF technique, the three dimensional (3D) displacement fields are expressed as the approximation of the arbitrary order of the displacement unknowns over the cross-section. This higher-order expansion is considered in equivalent single layer (ESL) model. The governing equations of motion are obtained via Hamilton's principle. Finally, several numerical examples are presented and the effect of the ply-angle, travelling speed and axial tension on the natural frequencies and beam stability are demonstrated.
The incompressible Navier-Stokes equations in two dimensions are stabilized by a modified residual method, and then discretized by hierarchical elements. The stabilization is necessary to escape from the Ladyzhenskaya-Babuska-Brezzi(LBB) constraint and hence to achieve an equal order formulation. To expedite a standard iterative method such as the conjugate gradient squared(CGS) method, a preconditioning technique called the Hierarchical Iterative Procedure(HIP) has been applied. In this paper, we increased the order of interpolation within an element up to cubic. The hierarchical elements have been used to achieve a higher order accuracy in fluid flow analyses, but a proper efficient iterative procedure for higher order finite element formulation has not been available so far The numerical results by the present HIP for the lid driven cavity flow and others showed the present procedure to be stable, very efficient and useful in flow analyses in conjunction with hierarchical elements.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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