In this paper, a multi-scale meshfree-enriched finite element formulation is presented for the analysis of acoustic wave propagation problem. The scale splitting in this formulation is based on the Variational Multi-scale (VMS) method. While the standard finite element polynomials are used to represent the coarse scales, the approximation of fine-scale solution is defined globally using the meshfree enrichments generated from the Generalized Meshfree (GMF) approximation. The resultant fine-scale approximations satisfy the homogenous Dirichlet boundary conditions and behave as the "global residual-free" bubbles for the enrichments in the oscillatory type of Helmholtz solutions. Numerical examples in one dimension and two dimensional cases are analyzed to demonstrate the accuracy of the present formulation and comparison is made to the analytical and two finite element solutions.
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.
this paper was concentrated on the finite element formulation to solve boundary value problems by using the isotropic elasto-plastic damage constitutive model proposed previously(Noh, 2000) The plastic damage of ductile materials is generally accompanied by large plasticdeformation and strain. So nonlinearity problems induced by large deformation large rotation and large strain behaviors were dealt with using the nonlinear kinematics of elasto-plastic deformations based on the continuum mechanics. The elasto-plastic damage constitutive model was applied to the nonlinear finite element formulation process of Shin et al(1997) and an improved analysis model considering the all nonlinearities of structural behaviors is proposed. Finally to investigate the applicability and validity of the numerical model some numerial examples were considered.
Meza Fajardo, Kristel C.;Papageorgiou, Apostolos S.
Earthquakes and Structures
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v.3
no.3_4
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pp.383-411
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2012
The objective of the present paper is to review and implement the most recent developments in the Spectral Element Method (SEM), as well as improve aspects of its implementation in the study of wave propagation by numerical simulation in elastic unbounded domains. The classical formulation of the method is reviewed, and the construction of the mass matrix, stiffness matrix and the external force vector is expressed in terms of matrix operations that are familiar to earthquake engineers. To account for the radiation condition at the external boundaries of the domain, a new absorbing boundary condition, based on the Perfectly Matched Layer (PML) is proposed and implemented. The new formulation, referred to as the Multi-Axial Perfectly Matched Layer (M-PML), results from generalizing the classical Perfectly Matched Layer to a medium in which damping profiles are specified in more than one direction.
This paper presents a new self-adjoint material sensitivity formulation for optimal designs and inverse problems in the high frequency domain. The proposed method is based on the continuum approach using the augmented Lagrangian method. Using the self-adjoint formulation, there is no need to solve the adjoint system additionally when the goal function is a function of the S-parameter. In addition, the algorithm is more general than most previous approaches because it is independent of specific analysis methods or gridding techniques, thereby enabling the use of commercial EM simulators and various custom solvers. For verification, the method was applied to the several numerical examples of dielectric material reconstruction problems in the high frequency domain, and the results were compared with those calculated using the conventional method.
This paper presents a refined finite element formulation for nonlinear static and dynamic analysis of sliding cable structures, overcoming the limitation of the existing approaches that neglect or approximate the friction, pulley dimension, temperature and geometric nonlinearity. A new family of elements with the same framework is proposed, consisting of the cable-pulley (CP) elements considering sliding friction, and the non-sliding cable-pulley (NSCP) elements considering static friction. Thereafter, the complete procedure of static and dynamic analysis using the proposed elements is developed, with the capability of accurately dealing with the friction at each pulley. Several examples are utilized to verify the validity and accuracy of the proposed elements and analysis strategy, and investigate the frictional, thermal and pulley-dimension effects as well. The numerical examples show that the results obtained in this work are in good accordance with the existing works when using the same approximations of friction, pulley dimension and temperature. By avoiding the approximations, the proposed formulation can be effectively adopted in predicting the more precise nonlinear responses of sliding cable structures.
Three structure-dependent integration methods with no numerical dissipation have been successfully developed for time integration. Although these three integration methods generally have the same numerical properties, such as unconditional stability, second-order accuracy, explicit formulation, no overshoot and no numerical damping, there still exist some different numerical properties. It is found that TLM can only have unconditional stability for linear elastic and stiffness softening systems for zero viscous damping while for nonzero viscous damping it only has unconditional stability for linear elastic systems. Whereas, both CEM and CRM can have unconditional stability for linear elastic and stiffness softening systems for both zero and nonzero viscous damping. However, the most significantly different property among the three integration methods is a weak instability. In fact, both CRM and TLM have a weak instability, which will lead to an adverse overshoot or even a numerical instability in the high frequency responses to nonzero initial conditions. Whereas, CEM possesses no such an adverse weak instability. As a result, the performance of CEM is much better than for CRM and TLM. Notice that a weak instability property of CRM and TLM might severely limit its practical applications.
The key parameter that affects the consolidation process of soil is the coefficient of permeability. The common assumption in the consolidation analysis is that the coefficient of permeability is porosity-dependent. However, various authors suggest that the strain-dependency of the coefficient of permeability should also be taken into account. In this paper, we present results of experimental and numerical analyses, with an aim to determine the strain-dependency of the coefficient of permeability. We present in detail both the experimental procedure and the finite element formulation of the two-dimensional axisymmetric numerical model of the oedometer test (standard and modified). We perform a set of experimental standard and modified oedometer tests. We use these experimental results to validate our numerical model and to define the model input parameter. Finally, by combining the experimental and numerical results, we propose the expression for the strain-dependent coefficient of permeability.
The Element-Based Lagrangian Formulation of a 9-node resultant-stress shell element is presented for the isotropic and anisotropic composite material. The effect of the coupling term between the bending strain and displacement has been investigated in the warping problem. The strains, stresses and constitutive equations based on the natural co-ordinate have been used throughout the Element-Based Lagrangian Formulation of the present shell element which offers an advantage of easy implementation compared with the traditional Lagrangian Formulation. The element is free of both membrane and shear locking behavior by using the assumed natural strain method such that the element performs very well in thin shell problems. In composite plates and shells, the transverse shear stiffness is defined by an equilibrium approach instead of using the shear correction factor. The arc-length control method is used to trace complex equilibrium paths in thin shell applications. Several numerical analyses are presented and discussed in order to investigate the capabilities of the present shell element. The results showed very good agreement compared with well-established formulations in the literature.
A coupled method, that combines the Ritz method and the finite element (FE) method, is proposed to solve the vibration problem of rectangular thin and thick plates with general boundary conditions. The eigenvalue partial differential equation(s) of the plate is (are) first reduced to a set of eigenvalue ordinary differential equations by the application of the Ritz method. The resulting eigenvalue differential equations are then reduced to an eigenvalue algebraic equation system using the finite element method. The natural boundary conditions of the plate problem including the free edge and free corner boundary conditions are also implemented in a simple and accurate manner. Various boundary conditions including simply supported, clamped and free boundary conditions are considered. Comparisons with existing numerical and analytical solutions show that the proposed mixed method can produce highly accurate results for the problems considered using a small number of Ritz terms and finite elements. The proposed mixed Ritz-FE formulation is also compared with the mixed FE-Ritz formulation which has been recently proposed by the present author and his co-author. It is found that the proposed mixed Ritz-FE formulation is more efficient than the mixed FE-Ritz formulation for free vibration analysis of rectangular plates with Levy-type boundary conditions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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