In the present paper, we offer a new flat shell finite element. It is the result of the combination of a membrane element and a bending element, both based on the strain-based formulation. It is known that $C^{\circ}$ plane membrane elements provide poor deflection and stress for problems where bending is dominant. In addition, they encounter continuity and compliance problems when they connect to C1 class plate elements. The reach of the present work is to surmount these problems when a membrane element is coupled with a thin plate element in order to construct a shell element. The membrane element used is a triangular element with four nodes, three nodes at the vertices of the triangle and the fourth one at its barycenter. Each node has three degrees of freedom, two translations and one rotation around the normal. The coefficients related to the degrees of freedom at the internal node are subsequently removed from the element stiffness matrix by using the static condensation technique. The interpolation functions of strain, displacements and stresses fields are developed from equilibrium conditions. The plate element used for the construction of the present shell element is a triangular four-node thin plate element based on Kirchhoff plate theory, the strain approach, the four fictitious node, the static condensation and the analytic integration. The shell element result of this combination is robust, competitive and efficient.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.17
no.10
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pp.2535-2542
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1993
Two-noded curved beam elements, CMLC (field-consistent membrane and linear curvature) and IMLC(field-inconsistent membrane and linear curvature) are developed on the basis of Timoshenko's beam theory and curvilinear coordinate. The curved beam element is developed by the separation of the radial deflection into the bending deflection. In the CMLC element, field-consistent axial strain interpolation is adapted for removing the membrane locking. The CMLC element shows the rapid and stable convergence on the wide range of curved beam radius to thickness. The field-consistent axial strain and the separation of radial deformation produces the most efficient linear element possible.
Patterning with a geodesic line is essential for economical or efficient usage of membrane materialsin fabric tension membrane structural engineering and analysis. The numerical algorithm to determine the geodesic line for membrane structures is generally classified into two. The first algorithm finds a non-linear shape using a fictitious geodesic element with an initial pre-stress, and the other algorithm is the geodesic line cutting or searching algorithm for arbitrarily curved 3D surface shapes. These two algorithms are still being used only for the three-node plane stress membrane element, and not for the four-node element. The lack of a numerical algorithm for geodesic lines with four-node membrane elements is the main reason for the infrequent use of the four-node membrane element in membrane structural engineering and design. In this paper, a modified numerical algorithm is proposed for the generation of a geodesic line that can be applied to three- or four-node elements at the same time. The explicit non-linear static Dynamic Relaxation Method (DRM) was applied to the non-linear geodesic shape-finding analysis by introducing the fictitiously tensioned 'strings' along the desired seams with the three- or four-node membrane element. The proposed algorithm was used for the numerical example for the non-linear geodesic shape-finding and patterning analysis to demonstrate the accuracy and efficiency, and thus, the potential, of the algorithm. The proposed geodesic shape-finding algorithm may improve the applicability of the four-node membrane element for membrane structural engineering and design analysis simultaneously in terms of the shape-finding analysis, the stress analysis, and the patterning analysis.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1998.10a
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pp.27-34
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1998
A versatile flat shell element has been developed by combining a membrane element with drilling degree-of-freedom and a plate bending element. This element is formulated by the enhanced displacement field with the additional non-conforming displacement modes. Thus the element possesses six degrees-of-freedom (DOF) per node which permits an easy connection to other six DOF elements as well as the improvement of the element behavior. In plate bending part, this element is established by the combined use of the addition of non-conforming modes, the reduced (or selective) integration scheme, and the construction of the substitute shear strain fields. The achieved improvement may be attributable to the fact that the merits of these individual techniques are merged into the new element in a complementary manner. In membrane part, this element shows better membrane behavior as the nonconforming displacement mode is added to drilling mode.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.13
no.4
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pp.449-459
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2000
The original Mindlin-type degenerated shell element perform reasonably well for moderately thick shell structures. However, when full integration for analysis of thin shell is used to evaluate the stiffness matrix, the stiffness of shell element is often over-estimated due to shear or membrane locking phenomena. To correct this problem, the formulation of the new degenerated shell element is derived by the combination of two different techniques. The first type of elements(TypeⅠ) has used assumed shear strains in the natural coordinate system to overcome the shear locking problem, the reduced integration technique in in-plane strains(membrane strains) to avoid membrane locking behaviour. Another element(TypeⅡ) has applied the assumed strains to both of membrane strain and transverse shear strains. The improved degenerated shell element has been tested by several numerical problems of shell structures. Numerical results indicate that this shell element shows fast convergence and reliable solutions.
Slabs in buildings and bridge decks, which are restrained against lateral displacements at the edges, have ultimate strengths far in excess of those predicted by analytical methods based on yield line theory. The increase in strength has been attributed to membrane action, which is due to the in-plane forces developed at the supports. The benefits of compressive membrane action are usually not taken into account in currently available design methods developed based on plastic flow theories assuming concrete to be a rigid-plastic material. By extending the existing knowledge of compressive membrane action, it is possible to design slabs in building and bridge structures economically with less than normal reinforcement. Recent research on building and bridge structures reflects the importance of membrane action in design. This paper describes the finite element modelling of membrane action in reinforced concrete slabs through optimisation of a simple concrete model. Through a series of parametric studies using the simple concrete model in the finite element simulation of eight fully clamped concrete slabs with significant membrane action, a set of fixed numerical model parameter values is identified and computational conditions established, which would guarantee reliable strength prediction of arbitrary slabs. The reliability of the identified values to simulate membrane action (for prediction purposes) is further verified by the direct simulation of 42 other slabs, which gave an average value of 0.9698 for the ratio of experimental to predicted strengths and a standard deviation of 0.117. A 'deflection factor' is also established for the slabs, relating the predicted peak deflection to experimental values, which, (for the same level of fixity at the supports), can be used for accurate displacement determination. The proposed optimised concrete model and finite element procedure can be used as a tool to simulate membrane action in slabs in building and bridge structures having variable support and loading conditions including fire. Other practical applications of the developed finite element procedure and design process are also discussed.
Proceedings of the Korean Society for Technology of Plasticity Conference
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2005.05a
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pp.229-232
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2005
This paper presents the design and fabrication of backflow prevented Micropump using the metal membrane. The Micropump is consisted of the lower plate, metal membrane, upper plate and the piezoelectric-element. The lower plate includes the micro channel and the inlet, outlet of the Micropump. The upper plate includes the micro channel and connects the piezoelectric-element. These plate are fabricated on the Pyrex glass wafer by sandblasting process. The metal membrane does roll of check valve that is prevented backflow of the Micropump. The metal membrane is fabricated on the stainless steel by laser machining. Piezoelectric-element is actuated the Micropump and controlled flowing of fluid. The Micropump is fabricated by bonding process of these multi-layer.
In this paper, a new quadrilateral 5-node non-conforming membrane element with drilling degrees of freedom is presented. The main advantage of these elements is the relatively small number of integration points to evaluate a stiffness matrix comparing to the existing transition membrane elements (CLM elements). Moreover, the presented elements pass the patch test by virtue of the Direct Modification Method incorporated into the element formulation. The presented 5-node elements are proved to be very efficient when used in the local mesh refinement for the in-plane structures which have stress concentrations. And some numerical studies also show the good performance of the new element developed in this study.
Proceedings of the Membrane Society of Korea Conference
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1999.10a
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pp.93-116
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1999
MF membrane element was specially designed for water purification and VSA process which can solve the fouling problem. Especially VSA process is developed for the SK Chemicals' asymmetric microfiltration hollow fiber membranes. In case of outside-to-in filtration process, MF membrane element showed the excellent flux stability caused by cleaning ability of VSA process . Simultaneous back-washing with VSA consideratbly enhances cleaning efficiency. From the result the possibility of the replacement of chemical coagulation and sand filtration process with newly developed VSA process was revealed.
Proceedings of the Membrane Society of Korea Conference
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1999.07a
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pp.63-66
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1999
MF membrane element was specially designed for water purification and VSA process which can solve the fouling problem. Especially VSA process is developed for the SK Chemical's asymmetric microfiltration hollow fiber membranes. In case of outside-to-in filtration process, MF membrane element showed the excellent flux stability caused by cleaning ability of VSA process. Simultaneous back- washing with VSA considerably enhances cleaning efficiency. Form the result, the possibility of the replacement of chemical coagulation and sand filtration process with newly developed VSA process was revealed.
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