We present in this paper a finite element formulation for nonlinear torsional analysis of 3D beams with arbitrary composite cross-sections. Since the proposed formulation employs a continuum mechanics based beam element with kinematics enriched by the extended St. Venant solutions, it can precisely account higher order warping effect and its 3D couplings. We propose a numerical procedure to calculate the extended St. Venant equation and the twisting center of an arbitrary composite cross-section simultaneously. The accuracy and efficiency of the proposed formulation are thoroughly investigated through representative numerical examples.
A temperature equation which is derived from an enthalpy transport equation by using an assumption of a constant specific heat is very attractive for analyses of heat and fluid flows. It can be used for an analysis of a solid-fluid conjugate heat transfer, and it does not need a numerical method to find temperature from a temperature-enthalpy relation. But its application is limited because of the assumption. A new method is derived in this study, which is a temperature-explicit formulation of the energy equation. The enthalpy form of the energy equation is used in the method. But the final discrete form of the equation is expressed with temperature. It can be used for a solid-fluid conjugate heat transfer and multiphase flows. It is found by numerical tests that it is very efficient and as accurate as the standard enthalpy formulation.
A small strain and elastoplastic formulation of Polygonal Element Method (PEM) is developed for efficient analysis of elastoplastic solids. In this work, the polygonal elements are constructed based on traditional triangular finite meshes. The construction method of polygonal mesh can directly utilize the sophisticated triangularization algorithm and reduce the difficulty in generating polygonal elements. The Wachspress rational finite element basis function is used to construct the approximations of polygonal elements. The incremental variational form and a von Mises type model are used for non-linear elastoplastic analysis. Several small strain elastoplastic numerical examples are presented to verify the advantages and the accuracy of the numerical formulation.
In this article, the multiphysics response of magneto-electro-elastic (MEE) cantilever beam subjected to thermo-mechanical loading is analysed. The equilibrium equations of the system are obtained with the aid of the principle of total potential energy. The constitutive equations of a MEE material accounting the thermal fields are used for analysis. The corresponding finite element (FE) formulation is derived and model of the beam is generated using an eight noded 3D brick element. The 3D FE formulation developed enables the representation of governing equations in all three axes, achieving accurate results. Also, geometric, constitutive and loading assumptions required to dimensionality reduction can be avoided. Numerical evaluation is performed on the basis of the derived formulation and the influence of various mechanical loading profiles and volume fractions on the direct quantities and stresses is evaluated. In addition, an attempt has been made to compare the individual effect of thermal and mechanical loading with the combined effect. It is believed that the numerical results obtained helps in accurate design and development of sensors and actuators.
In this paper a recently developed scaled boundary finite element method (SBFEM) is applied to simulate stress concentration for two-dimensional structures. In addition, a simple and independent formulation for evaluating the coefficients, not only of the singular term but also higher order non-singular terms, of the stress fields near crack-tip is presented. The formulation is formed by comparing the displacement along the radial points ahead of the crack-tip with that of standard Williams' eigenfunction solution for the crack-tip. The validity of the formulation is examined by numerical examples with different geometries for a range of crack sizes. The results show good agreement with available solutions in literatures. Based on the results of the study, it is conformed that the proposed numerical method can be applied to simulate stress concentrations in both cracked and uncracked structure components more easily with relatively coarse and simple model than other computational methods.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2001.10a
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pp.11-18
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2001
In this paper, a new algorithm of coupling Element-Free Galerkin Method(EFGM) and Boundary Element Method(BEM) using the variational formulation is presented. A global variational coupling formulation of EFGM-BEM is achieved by combining the variational form on each subregion. In the formulation, Lagrange multiplier method is introduced to satisfy the compatibility conditions between EFGM subregion and BEM subregion. Some numerical examples are studied to verify accuracy and efficiency of the proposed method, in which numerical performance of the method is compared with that of conventional method such as EFGM-BEM direct coupling method, EFGM and BEM. The proposed method incorporating the merits of EFGM and BEM is expected to be applied to special engineering problems such as the crack propogation problems in very large domain, and underground structures with joints.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2000.10a
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pp.238-245
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2000
A general formulation for shape design sensitivity analysis over a plane arch structure is developed based on a variational formulation of curved beam in linear elasticity. Sensitivity formula is derived using the material derivative concept and adjoint variable method for the stress defined at a local segment. Obtained sensitivity expression, which can be computed by simple algebraic manipulation of the solution variables, is well suited for numerical implementation since it does not involve numerical differentiation. Due to the complete description for the shape and its variation of the arch, the formulation can manage more complex design problems with ease and gives better optimum design than before. Several examples are taken to show the advantage of the method, in which the accuracy of the sensitivity is evaluated. Shape optimization is also conducted with two design problems to illustrate the excellent applicability.
The available analytical methods of analysis for laterally loaded piles in level ground cannot be directly applied to such piles in sloping ground. With the commercially available software, the simulation of the appropriate field condition is a challenging task, and the results are subjective. Therefore, it becomes essential to understand the process of development of a user-framed numerical formulation, which may be used easily as per the specific site conditions without depending on other indirect methods of analysis as well as on the software. In the present study, a detailed three-dimensional finite element formulation is presented for the analysis of laterally loaded piles in sloping ground developing the 18 node triangular prism elements. An application of the numerical formulation has been illustrated for the pile located at the crest of the slope and for the pile located at some edge distance from the crest. The specific examples show that at any given depth, the displacement and bending moment increase with an increase in slope of the ground, whereas they decrease with increasing edge distance.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.27
no.9
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pp.1579-1588
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2003
In this paper, the finite element equations for the transient linear viscoelastic stress analysis are presented in time domain, whose variational formulation is derived by using the Galerkin's method based on the equations of motion in time integral. Since the inertia terms are not included in the variational formulation, the time integration schemes such as the Newmark's method widely used in the classical dynamic analysis based on the equations of motion in time differential are not required in the development of that formulation, resulting in a computationally simple and stable numerical algorithm. The viscoelastic material is assumed to behave as a standard linear solid in shear and an elastic solid in dilatation. To show the validity of the presented method, two numerical examples are solved nuder plane strain and plane stress conditions and good results are obtained.
This paper will compare $T3{\gamma}_s$ and MITC3 elements, both these two elements are three-node triangular plate bending elements with three degrees of freedom per node. The formulation of the $T3{\gamma}_s$ and MITC3 elements is rather simple and has already been widely used. This paper will prove that the shear strain formulation of these two elements is identical even though they are obtained from two different methods. A single element is used to test the formulation of shear strain matrices. Numerical tests for circular plate cases compared with the exact solutions and with DKMT element will complete this review to verify the performances and show the convergence of these two elements.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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