The substructure synthesis method(SSM) is developed for overcoming disadvantages of the Finite Element Method(FEM). The concept of the SSM is as follows. After dividing a whole structure into several substructures, every substructures are analyzed by the FEM or experiment. The whole structure is analyzed by using connecting condition and the results of substructures. The concept of the transfer stiffness coefficient method(TSCM) is based on the transfer of the nodal stiffness coefficients which are related to force vectors and displacement vectors at each node of analytical mode1. The superiority of the TSCM to the FEM in the computation accuracy, cost and convenience was confirmed by the numerical computation results. In this paper, the author suggests an efficient vibration analysis method of structures by using the TSCM and the SSM. The trust and the validity of the present method is demonstrated through the numerical results for computation models.
To achieve appropriate stresses, two new rectangular elements are presented in this study. For reaching this aim, a complementary energy functional is used within an element for the analysis of plane problems. In this energy form, the Airy stress function will be used as a functional variable. Besides, some basic analytical solutions are found for the stress functions. These trial functions are matched with each element number of degrees of freedom, which leads to a number of equations with the anonymous constants. Subsequently, according to the principle of minimum complementary energy, the unknown constants can be expressed in terms of displacements. This system can be rewritten in terms of the nodal displacement. In this way, two new hybrid-rectangular triangular elements are formulated, which have 16 and 40 degrees of freedom. To validate the outcomes, extensive numerical studies are performed. All findings clearly demonstrate accuracies of structural displacements, as well as, stresses.
The vibration analysis of a rectangular plate with stiffeners is formulated by using the transfer stiffness coefficient method (TSCM). This method is based on the concept of the successive transmission of stiffness coefficients which are defined as the relationship between the force vector and the displacement vector at an arbitrary nodal line. In order to confirm the validity of the present method, bending vibration analysis for a rectangular plate with stiffener is carried out on a personal computer by using the present method and the finite element method (FEM). Through comparing computational results of the TSCM and the FEM, the effectivness of the TSCM from the viewpoint of computational cost, that is, computational time and storage is demonstrated.
The BEM, known as solving boundary value problems, could have some advantages In solving domain problems which are mostly solved by FEM and FDM. Lately, in the elastic-plastic nonlinear problems, BEM could provide the subdomain approach for the region where the plastic deformation could occur and the unknown nodal displacement of this region are added as the unknown of the boundary integral equation for this approach. In this paper, initial stress method was used to establish the formulation of such BEM approach. And a simple rectangular plate having a circular hole was analyzed to verify the suggested method and the result is compared with that from FEM. It is shown that the result of two methods are showing similar stress-strain curves at the root of perforated plate and furthermore the plastic deformation obtained by BEM shows more reasonable behavior than that of FEM.
The circular plate resting on Boussinesq's half-space model under axisymmetric loading is studied by a finite element procedure to evaluate the distribution of contact pressure between plate and elastic half-space. The displacement of half-space due to axisymmetric surface loading can be evaluated by double integration of Boussinesq's solution. On that case the analytical integration can be executed for the radial direction but the analytical integration for the circumferential direction is impossible and the numerical integration should be considered. With the radial integration we can get non-dimensional function. Then the numerical integration for the formula is executed for the circumferential direction and the results are approximated 5th order Polynomials by using the least square method. With these 5th order approximate formula, the flexibility matrix of half-space is constructed as the coefficient matrix of nodal contact pressure by the finite element procedures. Iteration procedures are attempted by using this method to determine the separated region.
The finite element analysis of metal forming processes often fails because of severe mesh distortion at large deformation. As the concept of meshless methods, only nodal point data are used for modeling and solving. As the main feature of these methods, the domain of the problem is represented by a set of nodes, and a finite element mesh is unnecessary. This computational methods reduces time-consuming model generation and refinement effort. It provides a higher rate of convergence than the conventional finite element methods. The displacement shape functions are constructed by the reproducing kernel approximation that satisfies consistency conditions. In this research, A meshless method approach based on the reproducing kernel particle method (RKPM) is applied with metal forming analysis. Numerical examples are analyzed to verify the performance of meshless method for metal forming analysis.
In this paper, a hybrid/mixed nonlinear shell element is developed in polar coordinate system based on Hellinger/Reissner variational principle and the large-deflection theory of plate. A numerical solution scheme is formulated using the hybrid/mixed finite element method (HMFEM), in which the nodal values of bending moments and the deflection are the unknown discrete parameters. Stability of the present element is studied. The large-deflection analyses are performed for simple supported and clamped circular plates under uniformly distributed and concentrated loads using HMFEM and the traditional displacement finite element method. A parametric study is also conducted in the research. The accuracy of the shell element is investigated using numerical computations. Comparisons of numerical solutions are made with theoretical results, finite element analysis and the available numerical results. Excellent agreements are shown.
본 논문에서는 적층구조 해석을 위해 부분 선형 층별이론에 의해 정식화된 저매개변수 유한요소 모델을 제안한다. 얇은 직교이방성 문제뿐만 아니라, 두꺼운 식교이방성 적층판 해석을 위해 제안된 모델은 2차원 세분화 기법에 기초를 두고 있다. 즉, 이 모델은 두께방향으로의 면내거동에 대해서는 선형변화로 가정하는 층별분리 이론이 적용되고, 두께방향으로의 면외거동에 대해서는 상수로 가정하는 등가단층이론이 사용된다. 변위장을 정의하기 위해 적분형 르장드르 다항식이 사용된다. 또한 가우스-로바토 적분법을 사용하여, 적층평판의 종래의 가우스적분점이 아닌 절점의 위치에 발생하는 최대응력값을 별도의 외삽법을 사용하지 않고 바로 산출하였다. 제안된 모델의 정당성과 특성은 직교이방성 다층적층판 문제를 사용하여 검증되었으며, 그 결과는 출판된 참고문헌의 값들과 비교되었다. 이 연구에서는 최적의 유한요소 적층모델을 결정하기 위해 응력과 최대처짐을 사용한 수렴성조사가 수행되었다. 또한, 적층 수의 증가에 따른 두께방향으로의 변위와 응력분포의 변화가 조사되었다.
Three methods for design sensitivity such as numerical differentiation, analytical method and semi-analytical method have been developed for the last three decades. Although analytical design sensitivity analysis is exact, it is hard to implement for practical design problems. Therefore, numerical method such as finite difference method is widely used to simply obtain the design sensitivity in most cases. The numerical differentiation is sufficiently accurate and reliable for most linear problems. However, it turns out that the numerical differentiation is inefficient and inaccurate because its computational cost depends on the number of design variables and large numerical errors can be included especially in nonlinear design sensitivity analysis. Thus semi-analytical method is more suitable for complicated design problems. Moreover semi-analytical method is easy to be performed in design procedure, which can be coupled with an analysis solver such as commercial finite element package. In this paper, implementation procedure for the semi-analytical design sensitivity analysis outside of the commercial finite element package is studied and computational technique is proposed, which evaluates the pseudo-load for design sensitivity analysis easily by using the design variation of corresponding internal nodal forces. Errors in semi-analytical design sensitivity analysis are examined and numerical examples are illustrated to confirm the reduction of numerical error considerably.
For the evaluation of the capability of a tubular member of an offshore structure to absorb the collision energy, a simple method can be employed for the collision analysis without performing the detailed analysis. The most common simple method is the rigid-plastic method. However, in this method any characteristics for horizontal movement and rotation at the ends of the corresponding tubular member are not included. In a real structural system of an offshore structure, tubular members sustain a certain degree of elastic support from the adjacent structure. End fixity has influences in the behaviors of a tubular member. Three-dimensional FEM analysis can include the effect of end fixity fully, however in viewpoints of the inherent computational complexities of the 3-D approach, this is not the recommendable analysis at the initial design stage. In this paper, influence of end fixity on the behaviors of a tubular member is investigated, through a new approach and other approaches. A new analysis approach that includes the flexibility of the boundary points of the member is developed here. The flexibility at the ends of a tubular element is extracted using the rational reduction of the modeling characteristics. The property reduction is based on the static condensation of the related global stiffness matrix of a model to end nodal points of the tubular element. The load-displacement relation at the collision point of the tubular member with and without the end flexibility is obtained and compared. The new method lies between the rigid-plastic method and the 3-demensional analysis. It is self-evident that the rigid-plastic method gives high strengthening membrane effect of the member during global deformation, resulting in a steeper slope than the present method. On the while, full 3-D analysis gives less strengthening membrane effect on the member, resulting in a slow going load-displacement curve. Comparison of the load-displacement curves by the new approach with those by conventional methods gives the figures of the influence of end fixity on post-yielding behaviors of the relevant tubular member. One of the main contributions of this investigation is the development of an analytical rational procedure to figure out the post-yielding behaviors of a tubular member in offshore structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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