A state-of-the-art report on the new finite elements formulated by the addition of nonconforming displacement modes has been presented. The development of a series improved nonconforming finite elements for the analysis of plate and shell structures is described in the first part of this paper. These new plate and shell finite elements are established by the combined use of different improvement schemes such as; the addition of nonconforming modes, the reduced (or selective) integration, and the construction of the substitute shear strain fields. The improvement achieved may be attributable to the fact that the merits of these improvement techniques are merged into the formation of the new elements in a complementary manner. It is shown that the results obtained by the new elements give significantly improved solutions without any serious defects such as; the shear locking, spurious zero energy mode for the linear as well as nonlinear benchmark problems. Recent developments in the transition elements that have a variable number of mid-side nodes and can be effectively used in the adaptive mesh refinement are presented in the second part. Finally, the nonconforming transition flat shell elements with drilling degrees of freedom are also presented.
The design codes and calculation methods related to soil-steel composite bridges and culverts only specify the minimum soil cover depth. This value is connected with the bridge span and shell height. In the case of static and dynamic loads (like passing vehicles), such approach seems to be quite reasonable. However, it is important to know how the soil cover depth affects the behaviour of soil-steel composite bridges under seismic excitation. This paper presents the results of a numerical study of soil-steel bridges with different soil cover depths (1.00, 2.00, 2.40, 3.00, 4.00, 5.00, 6.00 and 7.00 m) under seismic excitation. In addition, the same soil cover depths with different boundary conditions of the soil-steel bridge were analysed. The analysed bridge has two closed pipe-arches in its cross section. The load-carrying structure was constructed as two shells assembled from corrugated steel plate sheets, designed with a depth of 0.05 m, pitch of 0.15 m, and plate thickness of 0.003 m. The shell span is 4.40 m, and the shell height is 2.80 m. Numerical analysis was conducted using the DIANA programme based on the finite element method. A nonlinear model with El Centro records and the time history method was used to analyse the problem.
Journal of the Korean Society of Fisheries and Ocean Technology
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v.35
no.1
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pp.54-59
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1999
High-speed electronic digital computers have enabled engineers to employ various numerical discretization techniques for solutions of complex problems. The Finite Element Method is one of the such technique. The Finite Element Method is one of the numerical analysis based on the concepts of fundamental mathematical approximation. Three dimensional plate structures used often in partition of ship, box girder and frame are analyzed by Finite Element Method. In design of structures, the static deflections, stress concentrations and dynamic deflections must be considered. However, these problem belong to geometrically nonlinear mechanical structure analysis. The analysis of each element is independent, but coupling occurs in assembly process of elements. So, to overcome such a difficulty the shell theory which includes transformation matrix and a fictitious rotational stiffness is taken into account. Also, the Mindlin's theory which is considered the effect of shear deformation is used. The Mindlin's theory is based on assumption that the normal to the midsurface before deformation is "not necessarily normal to the midsurface after deformation", and is more powerful than Kirchoff's theory in thick plate analysis. To ensure that a small number of element can represent a relatively complex form of the type which is liable to occur in real, rather than in academic problem, eight-node quadratic isoparametric elements are used. are used.
In this paper, the optimal design of vibration control system for smart structures has been investigated semi-analytically via the optimization of geometric parameters like the placements and sizes of piezoelectric sensors and actuators (S/As) bonded on the structures. The criterion based on the maximization of energy dissipation was adopted for the optimization of the control system. Based on the sensing and actuating equations, the total energy stored in the system which is used as the objective function was analytically derived with design variables explicitly presented. Two cases of single and combined vibration modes were addressed for a simply supported beam and a simply supported cylindrical shell. For single vibration mode, the optimal distributions of the piezoelectric S/As could be obtained analytically. However, the Sequential Quadratic Programming (SQP) method has to be employed to solve those which violated the prescribed constraints and to solve the case of combined vibration modes. The results of three examples, which include a simply supported beam, a simply supported cylindrical shell and a simply supported plate, showed good agreement with those obtained by the Genetic Algorithm (GA) method. Moreover, in comparison with the GA method, the proposed method is more effective in obtaining better optimization results and is much more efficient in terms of computation time.
Laminated composite shells exhibit properties comsiderably different from those of the single-layer shell. Thus, to obtain the more accurate solutions to laminated composite shells ptoblems, effects of shear strain should be condidered in analysis of them. A higher-order shear deformation theory requires no shear correction coefficients. This theory is used to determine the buckling loads of elastic shells. The theory accounts for parabolic distribution of the transverse shear through the thickness of the shell and rotary inertia. Exact solutions of simply-supported shells are obtained and the results are compared with the exact solutions of the first-order shear deformation theory, and the classical theory. The present theory predicts the buckling loads more accurately when compared to the first -order and classical theory.
Design sensitivity analysis for nonlinear structural problems has been emerged in the last decade as a glowing area of engineering research. As a result, theoretical formulations and computational algorithms have already developed for design sensitivity of nonlinear structural problems. There is not enough research for practical nonlinear problems using multi-element, due to difficulties of implementation into FEA. Therefore, nonlinear response analysis for stiffened shell which consists of Mindlin plate and Timoshenko beam, was considered. Specially, it presents the backward-Euler method which is adopted to describe an exact yield state in the stress computation procedure. Then, design sensitivity analysis of nonlinear structures, particularly elasto-perfectly-plastic structure, is developed using direct differentiation method. The accuracy of the developed sensitivity analysis was compared with the central finite difference method. Finally, on the basis of above results, design improvement for stiffened shell is suggested.
Procedures are investigated by which nonlinear finite element shell analysis algorithms can be simplified to provide more cost effective approximate analyses of orthogonally-reinforced concrete flat plate structures. Two alternative effective stiffness formulations, and an unbalanced force formulation, are described. These are then implemented into a nonlinear shell analysis algorithm. Nonlinear geometry, three-dimensional layered stress analyses, and other general formulations are bypassed to reduce the computational burden. In application to standard patch test problems, these simplified approximate analysis procedures are shown to provide reasonable accuracy while significantly reducing the computational effort. Corroboration studies using various simple and complex test specimens provide an indication of the relative accuracy of the constitutive models utilized. The studies also point to the limitations of the approximate formulations, and identify situations where one should revert back to full nonlinear shell analyses.
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures
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v.1
no.2
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pp.36-43
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2010
In this study, the buckling loads and mode shapes characteristic of circular and non-circular(elliptical) closed composite shells were analyzed. To analyses the buckling behaviors, we develop and report an improved generalized shell element called 4EAS-FS through a combination of enhanced assumed strain and the substitute shear strain fields. A flat shell element has been developed by combining membrane element with drilling degree-of-freedom and a plate bending element. The combined influences of length, thicknesses, cross-sectional parameters, and fiber-angle on the critical buckling loads and mode shapes of circular and non-circular(elliptical) closed shells are examined.
Cyclic behaviour of composite (steel-concrete) plate shear walls (CPSW) with variable column flexural stiffness is experimentally and numerically investigated. The investigation included design, fabrication and testing of three pairs of one-bay one-storey CPSW specimens. The reference specimen pair was designed in way that its column flexural stiffness corresponds to the value required by the design codes, while within the other two specimen pairs column flexural stiffness was reduced by 18% and 36%, respectively. Specimens were subjected to quasi-static cyclic tests. Obtained results indicate that column flexural stiffness reduction in CPSW does not have negative impact on the overall behaviour allowing for satisfactory performance for up to 4% storey drift ratio while also enabling inelastic buckling of the infill steel plate. Additionally, in comparison to similar steel plate shear wall (SPSW) specimens, column "pull-in" deformations are less pronounced within CPSW specimens. Therefore, the results indicate that prescribed minimal column flexural stiffness value used for CPSW might be conservative, and can additionally be reduced when compared to the prescribed value for SPSWs. Furthermore, finite element (FE) pushover simulations were conducted using shell and solid elements. Such FE models can adequately simulate cyclic behaviour of CPSW and as such could be further used for numerical parametric analyses. It is necessary to mention that the implemented pushover FE models were not able to adequately reproduce column "pull-in" deformation and that further development of FE simulations is required where cyclic loading of the shear walls needs to be simulated.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.13
no.4
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pp.1900-1907
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2012
Since the subpanels of polygonal-section shell have the corners of an obtuse angle larger than 90 degree unlike general plate or box-section structures, this could have an influence on forming nodal lines against local plate buckling or stress distributions. However, there is not sufficient material in the relevant study results or design recommendations. The very feasible models of the initial imperfections were acquired through the literature studies and then the parametric studies were conducted along with the initial imperfection models by using the finite element method. The parameters like the size of residual stresses, the portion of compressive residual stresses, and steel grades were considered. From the parametric studies, it was found that the maximum residual stress is more influential factor than the distribution pattern of residual stresses. In addition, The design strength equations for the simply supported plates can be applicable to the determination of the local buckling strength of the polygonal cross-section shell structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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