In this paper, we propose an automatic procedure to improve the accuracy of finite element solutions using enriched 2D solid finite elements (4-node quadrilateral and 3-node triangular elements). The enriched elements can improve solution accuracy without mesh refinement by adding cover functions to the displacement interpolation of the standard elements. The enrichment scheme is more effective when used adaptively for areas with insufficient accuracy rather than the entire model. For given meshes, an error for each node is estimated, and then proper degrees of cover functions are applied to the selected nodes. A new error estimation method and cover function selection scheme are devised for the proposed adaptive enrichment scheme. Herein, we demonstrate the proposed enrichment scheme through several 2D problems.
This paper presents an efficiency of various non-conforming (NC) modes in development of a series of new finite elements with the special emphasis on 4-node quadrilateral elements. The NC modes have been used as a key scheme to improve the behaviors of various types of new finite elements, i.e., Mindlin plate bending elements, membrane elements with drilling degrees of freedom, flat shell elements. The NC modes are classified into three groups according to the 'correction constants' of 'Direct Modification Method'. The first group is 'basic NC modes', which have been widely used by a number of researchers in the finite element communities. The basic NC modes are effective to improve the behaviors of regular shaped elements. The second group is 'hierarchical NC modes' which improve the behaviors of distorted elements effectively. The last group is 'higher order NC modes' which improve the behaviors of plate-bending elements. When the basic NC modes are combined with hierarchical or higher order NC modes, the elements become insensitive to mesh distortions. When the membrane component of a flat shell has 'hierarchical NC modes', the membrane locking can be suppressed. A number of numerical tests are carried out to show the positive effect of aforementioned various NC modes incorporated into various types of finite elements.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.19
no.2
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pp.486-494
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1995
This paper introduces two kinds of new four-node quadrilateral axisymmetric elements with independently-assumed strains. They are formulated by the modified Hellinger-Reissner principle so as to employ incompatible displacements and assumed strains. In one of the present elements, the strains from incompatible displacements are corrected to pass the constant strain patch test. The other contains incompatible functions that are obtained from the element boundary condition. The elements are evaluated on the several problems of bending and material incompressibility with regular and distorted meshes. The results show that the new element performs excellently in deformation and stress calculation.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2007.04a
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pp.271-274
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2007
The finite element linear buckling analysis of folded plate structures using adaptive h-refinement methods is presented in this paper. The variable-node flat shell element used in this study possesses the drilling D.O.F. which, in addition to improvement of the element behavior, permits an easy connection to other elements with six degrees of freedom per node. The Box-typed structures can be analyzed using these developed flat shell elements. By introducing the variable node elements some difficulties associated with connecting the different layer patterns, which are common in the adaptive h-refinement on quadrilateral mesh, can be overcome. To obtain better stress field for the error estimation, the super-convergent patch recovery is used. The convergent buckling modes and the critical loads associated with these modes can be obtained.
Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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2006.05a
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pp.425-429
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2006
The understanding and prediction of the behavior of flow in open channels are important to the solution of a wide variety of practical flow problems in water resources engineering. Recently, frequent drought has increased the necessity of an effective water resources control and management of river flows for reserving instream flow. The objective of this study is to develop an efficient and accurate finite element model based on Streamline Upwind/Petrov-Galerkin(SU/PG) scheme for analyzing and predicting two dimensional flow features in complex natural rivers. Several tests were performed in developed all elements(4-Node, 6-Node, 8-Node elements) for the purpose of validation and verification of the developed model. The U-shaped channel of flow and natural river of flow were performed for tests. The results were compared with these of laboratory experiments and RMA-2 model. Such results showed that solutions of high order elements were better accurate and improved than those of linear elements. Also, the suggested model displayed reasonable velocity distribution compare to RMA-2 model in meandering domain for application of natural river flow. Accordingly, the developed finite element model is feasible and produces reliable results for simulation of two dimensional natural river flow. Also, One contribution of this study is to present that results can lead to significant gain in analyzing the accurate flow behavior associated with hydraulic structure such as weir and water intake station and flow of chute and pool.
In this study, a numerical model for the simulation of reinforced concrete columns subject to cyclic loading is presented. The model consists of three separate models representing concrete, reinforcing steel bars and bond-slip between a reinforcing bar and ambient concrete. The concrete model is represented by the plane stress plastic-damage model and quadrilateral finite elements. The nonlinear steel bar model embedded in truss elements is used for longitudinal and transverse reinforcing bars. Bond-slip mechanism between a reinforcing bar and ambient concrete is discretized using connection elements in which the hysteretic bond-slip link model defines the bond stress and slip displacement relation. The three models are connected in finite element mesh to represent a reinforced concrete structure. From the numerical simulation, it is shown that the proposed model effectively and realistically represents the overall cyclic behavior of a reinforced concrete column. The present plastic-damage concrete model is observed to work appropriately with the steel bar and bond-slip link models in representing the complicated localization behavior.
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.
Minh-Ngoc Nguyen;Wonsik Jung;Soomi Shin;Joowon Kang;Dongkyu Lee
Steel and Composite Structures
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v.47
no.3
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pp.365-374
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2023
This paper presents a new scheme for constructing locking-free finite elements in thick and thin plates, called Discrete Shear Gap element (DSG), using multiphase material topology optimization for triangular elements of Reissner-Mindlin plates. Besides, common methods are also presented in this article, such as quadrilateral element (Q4) and reduced integration method. Moreover, when the plate gets too thin, the transverse shear-locking problem arises. To avoid that phenomenon, the stabilized discrete shear gap technique is utilized in the DSG3 system stiffness matrix formulation. The accuracy and efficiency of DSG are demonstrated by the numerical examples, and many superior properties are presented, such as being a strong competitor to the common kind of Q4 elements in the static topology optimization and its computed results are confirmed against those derived from the three-node triangular element, and other existing solutions.
This paper presents a new nine-node Lagrangian quadrilateral plate bending element (MQP9) using the Integrated Force Method (IFM) for the analysis of thin and moderately thick plate bending problems. Three degrees of freedom: transverse displacement w and two rotations ${\theta}_x$ and ${\theta}_y$ are considered at each node of the element. The Mindlin-Reissner theory has been employed in the formulation which accounts the effect of shear deformation. Many standard plate bending benchmark problems have been analyzed using the new element MQP9 for various grid sizes via Integrated Force Method to estimate defections and bending moments. These results of the new element MQP9 are compared with those of similar displacement-based plate bending elements available in the literature. The results are also compared with exact solutions. It is observed that the presented new element MQP9 is free from shear locking and produced, in general, excellent results in all plate bending benchmark problems considered.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.23
no.7
s.166
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pp.1205-1214
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1999
A new quadrilateral plane stress element is developed for efficient and accurate analysis of thermal stress problems. It is convenient to use the same mesh and the same shape functions for thermal analysis and stress analysis. But, because of the inconsistency between deformation related strain field and thermal strain field, oscillatory responses and considerable errors in stresses are resulted in. To avoid undesired oscillations, strain approximation is enhanced by supplementing several assumed strain terms based on the variational principle. Thermal deformation is incorporated into the generalized mixed variational principle for displacement, strain and stress fields, and basic equations for the modified enhanced assumed strain method are derived. For the stress approximation of bilinear elements, the $5{\beta}$ version of Pian and Sumihara is adopted. The numerical results for several problems show that the present element behaves well and reduces oscillatory responses. it also results in almost the same magnitude of error as compared with the quadratic element.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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