본 논문에서는 비동질 반무한 평면에 대한 비례경계유한요소법의 식을 유도하고 수치예제를 해석하였다. 비례경계유한 요소법은 편미분 방정식을 경계방향으로는 유한요소와 같은 근사를 통해서 약화시키고 방사방향으로는 정확해를 사용하는 반 해석적인 방법으로, 방사방향으로 멱함수를 따라 탄성계수가 변화되는 반무한 평면에 대해서 관계식을 가상일의 원리에 근거하여 새로이 유도하였다. 이 과정에서 반무한평면의 거동이 Euler-Cauchy방정식을 따름을 보이고, 기존의 동질 반무한평면의 해석시 도입되던 로그모드가 비동질 반무한 평면의 해석에는 유효하지 않음을 보였다. 수치예제를 통하여 유도된 식이 타당한 거동을 보임을 증명하고 이 접근법이 실제 공학적 문제의 해결에 있어서 유용함을 보였다.
In this paper, a hybrid scaled boundary finite element and finite volume method (SBFEM-FVM) is proposed for simulating hydraulic-fracture propagation in brittle concrete materials. As a semi-analytical method, the scaled boundary finite element method is introduced for modelling concrete crack propagation under both an external force and water pressure. The finite volume method is employed to model the water within the crack and consider the relationship between the water pressure and the crack opening distance. The cohesive crack model is used to analyse the non-linear fracture process zone. The numerical results are compared with experimental data, indicating that the F-CMOD curves and water pressure changes under different loading conditions are approximately the same. Different types of water pressure distributions are also studied with the proposed coupled model, and the results show that the internal water pressure distribution has an important influence on crack propagation.
The scaled-boundary finite element method is a novel semi-analytical technique, combining the advantages of the finite element and the boundary element methods with unique properties of its own. The method works by weakening the governing differential equations in one coordinate direction through the introduction of shape functions, then solving the weakened equations analytically in the other (radial) coordinate direction. These coordinate directions are defined by the geometry of the domain and a scaling centre. This paper presents a general development of the scaled boundary finite-element method for two-dimensional problems where two boundaries of the solution domain are similar. Unlike three-dimensional and axisymmetric problems of the same type, the use of logarithmic solutions of the weakened differential equations is found to be necessary. The accuracy and efficiency of the procedure is demonstrated through two examples. The first of these examples uses the standard finite element method to provide a comparable solution, while the second combines both solution techniques in a single analysis. One significant application of the new technique is the generation of transition super-elements requiring few degrees of freedom that can connect two regions of vastly different levels of discretisation.
The dynamic response of two-dimensional unbounded domain on the rigid bedrock in the time domain is numerically obtained. It is realized by the modified scaled boundary finite element method (SBFEM) in which the original scaling center is replaced by a scaling line. The formulation bases on expanding dynamic stiffness by using the continued fraction approach. The solution converges rapidly over the whole time range along with the order of the continued fraction increases. In addition, the method is suitable for large scale systems. The numerical method is employed which is a combination of the time domain SBFEM for far field and the finite element method used for near field. By using the continued fraction solution and introducing auxiliary variables, the equation of motion of unbounded domain is built. Applying the spectral shifting technique, the virtual modes of motion equation are eliminated. Standard procedure in structural dynamic is directly applicable for time domain problem. Since the coefficient matrixes of equation are banded and symmetric, the equation can be solved efficiently by using the direct time domain integration method. Numerical examples demonstrate the increased robustness, accuracy and superiority of the proposed method. The suitability of proposed method for time domain simulations of complex systems is also demonstrated.
In this article, we consider singularly perturbed Boundary Value Problems(BVPs) for second order Ordinary Differential Equations (ODEs) with Neumann boundary condition and discontinuous source term. A parameter-uniform error bound for the solution is established using the Streamline-Diffusion Finite Element Method (SDFEM) on a piecewise uniform meshes. We prove that the method is almost second order of convergence in the maximum norm, independently of the perturbation parameter. Further we derive superconvergence results for scaled derivatives of solution of the same problem. Numerical results are provided to substantiate the theoretical results.
In this study, a complete analysis of soil-structure interaction problems is presented which includes a modelling of the near surrounding of the building (near-field) and a special description of the wave propagation process in larger distances (far-field). In order to reduce the computational effort which can be very high for time domain analysis of wave propagation problems, a special approach based on similarity transformation of the infinite domain on the near-field/far-field interface is applied for the wave radiation of the far-field. The near-field is discretised with standard Finite Elements, which also allows to introduce non-linear material behaviour. In this paper, a new approach to calculate the involved convolution integrals is presented. This approximation in time leads to a dramatically reduced computational effort for long simulation times, while the accuracy of the method is not affected. Finally, some benchmark examples are presented, which are compared to a coupled Finite Element/Boundary Element approach. The results are in excellent agreement with those of the coupled Finite Element/Boundary Element procedure, while the accuracy is not reduced. Furthermore, the presented approach is easy to incorporate in any Finite Element code, so the practical relevance is high.
The scaled boundary finite element method is extended to evaluate the dynamic stress intensity factors and T-stress with a numerical procedure based on the improved continued-fraction. The improved continued-fraction approach for the dynamic stiffness matrix is introduced to represent the inertial effect at high frequencies, which leads to numerically better conditioned matrices. After separating the singular stress term from other high order terms, the internal displacements can be obtained by numerical integration and no mesh refinement is needed around the crack tip. The condition numbers of coefficient matrix of the improved method are much smaller than that of the original method, which shows that the improved algorithm can obtain well-conditioned coefficient matrices, and the efficiency of the solution process and its stability can be significantly improved. Several numerical examples are presented to demonstrate the increased robustness and efficiency of the proposed method in both homogeneous and bimaterial crack problems.
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.
본 논문에서는 비동질 탄성무한공간에 대한 비례경계유한요소법의 동적강도행렬을 해석적으로 유도하였다. 해석영역의 비동질성은 비동질파라메터를 지수로 하는 멱함수로 고려하였다. 동적강도행렬은 진동수영역에서 다항식으로 점근전개한 후, 방사조건을 만족시키도록 하여 각 다항식의 계수를 구하는 과정을 통하여 유도되었다. 얻어진 동적강도행렬의 타당성을 검증하기 위해 정확해가 알려져 있는 대표적인 문제에 대하여 비동질파라메터의 값을 변화시키면서 수치해석을 수행하였다. 그 결과 유도된 동적강도행렬이 비동질공간에 대한 특성을 적절하게 반영하는 것으로 나타났다.
Fretting, which is a special type of wear, is defined as small amplitude relative motion along the contacting interface between two materials. The structural integrity of steam generators in nuclear power plants is very much dependent upon the fretting wear characteristics of Inconel 690 U-tubes. In this study, a finite element model that can simulate fretting wear on the secondary side of the steam generator was developed and used for a quantitative investigation of the fretting wear phenomenon. Finite element modeling of elastic contact wear problems was performed to demonstrate the feasibility of applying the finite element method to fretting wear problems. The elastic beam problem, with existing solutions, is treated as a numerical example. By introducing a control parameter s, which scaled up the wear constant and scaled down the cycle numbers, the algorithm was shown to greatly reduce the time required for the analysis. The work rate model was adopted in the wear model. In the three-dimensional finite element analysis, a quarterly symmetric model was used to simulate cross tubes contacting at right angles. The wear constant of Inconel 690 in the work rate model was taken as $K=26.7{\times}10^{-15}\;Pa^{-1}$ from experimental data obtained using a fretting wear test rig with a piezoelectric actuator. The analyses revealed donut-shaped wear along the contacting boundary, which is a typical feature of fretting wear.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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