This paper proposes an effective method for optimizing the structure of functionally graded isotropic and incompressible linear elastic materials. The main emphasis is on utilizing a specialized polytopal composite finite element (PCE) technique capable of handling a broad range of materials, addressing common volumetric locking issues found in nearly incompressible substances. Additionally, it employs a continuum model for bi-directional functionally graded (BFG) material properties, amalgamating these aspects into a unified property function. This study thus provides an innovative approach that tackles diverse material challenges, accommodating various elemental shapes like triangles, quadrilaterals, and polygons across compressible and nearly incompressible material properties. The paper thoroughly details the mathematical formulations for optimizing the topology of BFG structures with various materials. Finally, it showcases the effectiveness and efficiency of the proposed method through numerous numerical examples.
This work presents the three-dimensional extended strain smoothing approach in the framework of finite element method, so-called smoothed finite element method (S-FEM) for quasi-incompressible hyperelastic materials undergoing the large deformations. The proposed method is known that the incompressible limits, such as over-estimation of stiffness and distorted mesh sensitivity, can be overcome in two dimensions. Therefore, in this paper, the idea of Cell-based, Edge-based and Node-based strain smoothing approaches is extended to three-dimensions. The construction of subcells and smoothing domains for each methods are explained. The smoothed strain-displacement matrix and the stiffness matrix are obtained on each smoothing domain in the same manner with two-dimensional S-FEM. Various numerical tests are studied to demonstrate the validity and accuracy of 3D-S-FEM. The obtained results are compared with analytical solutions to express the efficacy of the methods.
Mixed finite element formulations for incompressible materials show pressure oscillations or pressure modes in four-node quadrilateral elements. The criterion for the stability in the pressure solution is the so-called Babufka-Brezzi stability condition, and the four-node elements based on mixed variational principles do not appear to satisfy this condition. In this study, a pressure continuity residual based on the pressure discontinuity at element edges is used to study the stabilization of pressure solutions in bilinear displacement-constant pressure four-node quadrilateral elements. It is shown that the pressure solutions, although stable, exhibit sensitivity to the stabilization parameters.
비압축성 물체를 위한 일반적인 유한요소 공식화는 흔히 사용되는 사각형요소에서조차 압력해의 진동화(oscillations) 또는 pressure modes 현상을 나타낸다. 압력해의 안정화를 위한 규준은 소위 Babuska-Brezzi 안정조건이며, 위의 요소들은 이 조건을 만족시키지 못한다. 본 연구에서는 선형변위해와 상수값의 압력해를 갖는 사각형요소 사용시 압력해를 안정화시키기 위해 요소의 변에서 발생하는 불연속압에 근거한 압력연속여분치를 사용한다. 이 압력여분치를 비압축성 탄성론으로부터 유도되는 Q1P0요소에 적용하며 매개변수의 변화에 따른 수치해의 안정화의 정도를 연구한다. 압력해는 압력 여분치 사용시 안정화될 수 있으며, 해의 안정화는 매개변수에 민감성을 나타내었다.
A stabilized incompressible smoothed particles hydrodynamics (ISPH) method is utilized to simulate free falling rigid body into water domain. Both of rigid body and fluid domain are modeled by SPH formulation. The proposed source term in the pressure Poisson equation contains two terms; divergence of velocity and density invariance. The density invariance term is multiplied by a relaxed parameter for stabilization. In addition, large eddy simulation with Smagorinsky model has been introduced to include the eddy viscosity effect. The improved method is applied to simulate both of free falling vessels with different materials and water entry-exit of horizontal circular cylinder. The applicability and efficiency of improved method is tested by the comparisons with reference experimental results.
Mixed finite element formulations for incompressible materials show pressure oscillations or pressure modes in four-node quadrilateral elements. The criterion for the stability in the pressure solution is the so-called Babu$\check{s}$ka-Brezzi stability condition, and the four-node elements based on mixed variational principles do not appear to satisfy this condition. In this study, a pressure continuity residual based on the pressure discontinuity at element edges proposed by Hughes and Franca is used to study the stabilization of pressure solutions in bilinear displacement-constant pressure four-node quadrilateral elements. Also, a solid mechanics problem is presented by which the stability of mixed elements can be studied. It is shown that the pressure solutions, although stable, are shown to exhibit sensitivity to the stabilization parameters.
본 연구에서는 시험 재료의 특성을 가장 잘 나타낼 수 있으며 시험 자료밖의 범위에서도 물리적 타당성을 갖는 변형 에너지 함수를 찾기 위한 방법의 일환으로 기 존의 여러 방법들을 이용하여 동일한 시험 자료에 적용함으로써, Rivlin 형태와 Ogden 형태에 대한 재 조사를 실시하였다. 그리고 비선형 대변형 재료의 실제 사용 예로서 앞에서 언급한 타이어용 고무를 들 수 있는데 이들에 대한 변형 에너지 함수를 결정하 기 위한 시험자료는 실제적 문제때문에 단순 인장과 같은 비교적 간단한 경우에 대하 여 한정되어 있으므로, 이러한 자료로부터 여러 종류의 하중 상태를 예측할 수 있는 변형 에너지 함수를 찾고자 하였다.
To better understand the formation of necking in drawing processes of fibers, strain distributions during drawing processes have been analyzed. For simplicity, one-dimensional incompressible steady flow at a constant temperature was assumed and quasi-static model was used. To describe mechanical properties of solid polymers, non-linear visco-plastic material properties were assumed using the power law type hardening and rate-sensitive equation. The effects of various parameters on the neck formation were matematically analyzed. As material property parameters, strain-hardening parameter, visco-elastic coefficient and strain-rate sensitivity were considered and, for process parameters, the drawing ratio and the process length were considered. It was found that rate-insensitive materials do not reach a steady flow state and the rate-sensitivity plays a key role to have a steady flow. Also, the neck formation is mainly affected by material properties, especially for the quasi-static model. If the process length changes, the strain distribution was found to be proportionally re-distributed along the process line by the factor of the total length change.
This research studies thermo-elastic behavior of rotating micro discs that are employed in various micro devices such as micro gas turbines. It is assumed that material is functionally graded with a variable profile thickness, density, shear modulus and thermal expansion in terms of radius of micro disc and as a power law function. Boundary condition is considered fixed-free with uniform thermal loading and elastic field is symmetric. Using incompressible material's constitutive equation, we extract governing differential equation of four orders; to solution this equation, we utilize general differential quadrature (GDQ) method and the results are schematically pictured. The obtained result in a particular case is compared with another work and coincidence of results is shown. We will find out that surface effect tends to split micro disc's area to compressive and tensile while nonlocal parameter tries to converge different behaviors with each other; this convergence feature make FGIMs capable to resist in high temperature and so in terms of thermo-elastic behavior we can suggest, using FGIMs in micro devices such as micro turbines (under glass transition temperature).
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[게시일 2004년 10월 1일]
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