Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.25
no.4
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pp.574-581
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2001
Transient linear elastodynamic problems are numerically analyzed in a time-domain by the Finite Element Method, for which the variational formulation based upon the equations of motion in convolution integral is newly derived. This formulation is implicit and does not include the time derivative terms so that the computation procedure is simple and less assumptions are required comparing to the conventional time-domain dynamic numerical algorithms, being able to get the improved numerical accuracy and stability. That formulation is expanded using the semi-discrete approximation to obtain the finite element equations. In the temporal approximation, the time axis is divided equally and constant and linear time variations are assumed in those intervals. It is found that unconditionally stable numerical results are obtained in case of the constant time variation. Some numerical examples are given to show the versatility of the presented formulation.
The results of a series of numerical experiments are presented to verify some of the important developments made in the first part of this paper. Firstly, the static solution of an algebraic system obtained through Strong Formulation Finite Element Method (SFEM) is presented. Secondly, the stress and strain recovery procedure is descripted for the present technique. It will be clear that the present approach is suitable for any strong formulation finite element methodology, due to the presented general approach based on the unknown displacements and on the elasticity equations. Thirdly, the numerical solutions for some classical and other numerical results found in literature are exposed. Finally, an arbitrarily shaped composite plate is solved and good agreement is observed for all the presented cases.
In this paper, an efficient and accurate formulation for the transient analysis of constrained multibody systems is presented. The formulation employs Kane's method along with the null space method. Kane's method reduces the dimension of equations of motion by using partial velocity matrix: it can improve the efficiency of the formulation. Furthermore, the formulation partitions the coefficient matrix of linear and nonlinear equations into several sub-matrices using kinematic uncoupling. This can solve the equations more efficiently. The proposed formulation can be used to perform dynamic analysis of systems which can be partitioned into several sub-systems such as train systems. One numerical example is given to demonstrate the efficiency and accuracy of the formulation, and another numerical example is given to show its application to the train systems.
In this paper, an efficient and accurate formulation for the transient analysis of constrained multibody systems is presented. The formulation employs Kane's method along with the null space method. Kane's method reduces the dimension of equations of motion by using partial velocity matrix: it can improve the efficiency of the formulation. Furthermore, the formulation partitions the coefficient matrix of linear and nonlinear equations into several sub-matrices using kinematic uncoupling. This can solve the equations more efficiently. The proposed formulation can be used to perform dynamic analysis of systems which can he partitioned into several sub-systems such as train systems. One numerical example is given to demonstrate the efficiency and accuracy of the formulation, and another numerical example is given to show its application to the train systems.
A direct discrete formulation suitable for the nonlinear analysis of masonry structures is presented. The numerical approach requires a pair of dual meshes, one for describing displacement fields, one for imposing equilibrium. Forces and displacements are directly used (instead of having to resort to a model derived from a set of differential equations). Associated and nonassociated flow laws are dealt with within a complementarity framework. The main features of the method and of the relevant computer code are discussed. Numerical examples are presented, showing that the numerical approach is able to describe plastic strains, damage effects and crack patterns in masonry structures.
Embankments on soft ground experience significant deformation during time-dependent consolidation settlement, as well as an initial undrained settlement. Since infinitesimal strain theory assumes no configuration change and minute strain during deformation, finite strain analysis is required for better prediction of geotechnical problems involving large strain and geometric change induced by imposed loadings. Updated Lagrangian formulation is developed for time-dependent consolidation combining both force equilibrium and mass conservation of fluid, and mechanical constitutive equation is written in Janumann stress rate. Numerical convergence during Newton's iteration in large deformation analysis is improved by Nagtegaal's approach of considering the effect of rotation in mechanical constitutive relationship. Numerical simulations are conducted to discuss numerical reliability and applicability of developed numerical code: deformation of cantilever beam, two-dimensional consolidation. The numerical results show that developed formulation can efficiently describe large deformation problems. Proposed formulation is expected to facilitate the upgrading of a numerical code based on infinitesimal strain theory to that based on finite strain analysis.
Characteristic boundary conditions are discussed in conjunction with a flux-difference splitting formulation as modified from Roe's linearization. Details of how one can implement the characteristic boundary conditions which are made compatible with the interior point formulation are described for different types of boundaries including subsonic outflow and adiabatic wall. The validity of boundary conditions are demonstrated through computation of transonic airfoil, supersonic ogive-cylinder, hypersonic cylinder, and S-duct internal flows. The computed wall pressure distributions are compared with published experimental and computed data. Objectives of this paper are thus to give insight of formulation procedure of a flux-difference splitting method and to pave ways for other users to adopt present boundary procedure on their numerical methods.
A finite element formulation for the time-domain analysis of linear transient elastodynamic problems is presented based on the weak form obtained by applying the Galerkin's method to the integro-differential equations which contain the initial conditions implicitly and does not include the inertia terms. The weak form is extended temporally under the assumptions of the constant and linear time variations of field variables, since the time-stepping algorithms such as the Newmark method and the Wilson ${\theta}$-method are not necessary, obtaining two kinds of implicit finite element equations which are tested for numerical accuracy and convergency. Three classical examples having finite and infinite domains are solved and numerical results are compared with the other analytical and numerical solutions to show the versatility and accuracy of the presented formulation.
Based on the ideas of variational differential quadrature (VDQ) and finite element method (FEM), a numerical approach named as VDQFEM is applied herein to study the large deformations of plate-type structures under static loading with arbitrary shape hole made of functionally graded graphene platelet-reinforced composite (FG-GPLRC) in the context of higher-order shear deformation theory (HSDT). The material properties of composite are approximated based upon the modified Halpin-Tsai model and rule of mixture. Furthermore, various FG distribution patterns are considered along the thickness direction of plate for GPLs. Using novel vector/matrix relations, the governing equations are derived through a variational approach. The matricized formulation can be efficiently employed in the coding process of numerical methods. In VDQFEM, the space domain of structure is first transformed into a number of finite elements. Then, the VDQ discretization technique is implemented within each element. As the last step, the assemblage procedure is performed to derive the set of governing equations which is solved via the pseudo arc-length continuation algorithm. Also, since HSDT is used herein, the mixed formulation approach is proposed to accommodate the continuity of first-order derivatives on the common boundaries of elements. Rectangular and circular plates under various boundary conditions with circular/rectangular/elliptical cutout are selected to generate the numerical results. In the numerical examples, the effects of geometrical properties and reinforcement with GPL on the nonlinear maximum deflection-transverse load amplitude curve are studied.
A method for the analysis of wave scattering in 3-D elastic full space is developed by means of the coupled boundary-volume integral equation, which takes into account the effects of both the boundary of inclusions and the uctuation of the wave field. The wavenumber domain formulation is used to construct the Krylov subspace by means of FFT. In order to achieve the wavenumber domain formulation, the boundary-volume integral equation is transformed into the volume integral equation. The formulation is also focused on this transform and its numerical implementation. Several numerical results clarify the accuracy and effectiveness of the present method for scattering analysis.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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