Modelling of a crack propagating through a finite element mesh under mixed mode conditions is of prime importance in fracture mechanics. In this paper, two crack growth criteria and the respective crack paths prediction in functionally graded materials (FGM) are compared. The maximum tangential stress criterion (${\sigma}_{\theta}-criterion$) and the minimum strain energy density criterion (S-criterion) are investigated using advanced finite element technique. Using Ansys Parametric Design Language (APDL), the variation continues in the material properties are incorporated into the model by specifying the material parameters at the centroid of each finite element. In this paper, the displacement extrapolation technique (DET) proposed for homogeneous materials is modified and investigated, to obtain the stress intensity factors (SIFs) at crack-tip in FGMs. Several examples are modeled to evaluate the accuracy and effectiveness of the combined procedure. The effect of the defects on the crack propagation in FGMs was highlighted.
Kimberlain, Jon;Carbary, Larry;Clift, Charles D.;Hutley, Peter
국제초고층학회논문집
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제2권4호
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pp.345-354
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2013
This paper presents an advanced engineering technique using finite element analysis to improve structural silicone glazing (SSG) design in high-performance curtain wall systems for building facade. High wind pressures often result in bulky SSG aluminum extrusion profile dimensions. Architectural desire for aesthetically slender curtain wall sight-lines and reduction in aluminum usage led to optimization of structural silicone bite geometry for improved stress distribution through use of finite element analysis of the hyperelastic silicone models. This advanced design technique compared to traditional SSG design highlights differences in stress distribution contours in the silicone sealant. Simplified structural engineering per the traditional SSG design method lacks accurate forecasting of material and stress optimization, as shown in the advanced analysis and design. Full scale physical specimens were tested to verify design capacity in addition to correlate physical test results with the theoretical simulation to provide confidence of the model. This design technique will introduce significant engineering advancement to the curtain wall industry and building facade.
The neural net application was tried to develop the technique for monitoring the health status of a steel truss bridge which was scaled down to 1/15 of the real bridge for the laboratory experiments. The damage scenarios were chosen as 7 cases. The dynamic behavior, which was changed due to the breakage of the members, of the bridge was investigated by finite element analysis. The bridge consists of single spam, and eight (8) main structural subsystems. The loading vehicle, which weighs as 100 kgf, was operated by the servo-motor controller. The accelerometers were bonded on the surface of 7 cross-beams to measure the dynamic behavior induced by the abnormal structural condition. Artificial neural network technique was used to determine the severity of the damage. At first, the neural net was learnt by the results of finite element analysis, and also, the maximum detection error was 3.65 percents. Another neural net was also learnt, and verified by the experimental results, and in this case, the maximum detection error was 1.05 percents. In future study, neural net is necessary to be learnt and verified by various data from the real bridge.
Preform design techniques have been investigated to reduce die wear and forming load and to improve material flow, filling ratio, etc. In hot forging processes, a thin deformed part of a workpiece, known as a flash, is formed in the narrow gap between the upper and lower tools. Although designers make tools that generate a flash intentionally in order to improve flow properties, excessive flash increases die wear and forming load. Therefore, it is necessary to make a preform shape that can reduce the excessive flash without changing flow properties. In this paper, a new preform design technique is proposed to reduce the excessive flash in a metal forging process. After a finite element simulation of the process is carried out with an initial billet, the flow of material in the flash region is traced from the final shape to the initial billet. The region belonging to the flash is then easily found in the initial billet. The finite element simulation is then carried out again with the modified billet from which the selected region has been removed. In several iterations of this technique, the optimal preform shape that minimizes the amount of flash without changing the forgeability can be obtained.
This study focuses on the analysis of slewing ball bearings in wind turbines. Slewing bearings have an outer diameter of several meters, and hundreds of balls are in contact with the raceway. Due to the large number of balls and raceway contact conditions, it is difficult to accurately analyze contact stresses using general analysis techniques. To analyze the contact stress of a slewing ball bearing, the sub-modeling method is applied, which is a technique that first analyzes the displacement of the entire model and then analyzes the local stress at the point of maximum displacement. In order to reduce the displacement analysis time of the entire ball bearing, the technique of replacing the ball with a nonlinear spring is adopted. The analytical agreement of the simplified model was evaluated by comparing it with a solid mesh model of the ball for three models with different spring attachment methods. It was found that for the condition where a large turnover moment is applied to the bearing, increasing the number of spring elements gives the closest results to modeling the ball with a solid mesh.
This paper presents a prestress-loss monitoring technique for prestressed concrete (PSC) girder structures that uses a vibration-based system identification method. First, the theoretical backgrounds of the prestress-loss monitoring technique and the system identification technique are presented. Second, vibration tests are performed on a lab-scaled PSC girder for which the modal parameter was measured for several prestress-force cases. A numerical modal analysis is performed by using an initial finite element (FE) model from the geometric, material, and boundary conditions of the lab-scaled PSC girder. Third, a vibration-based system identification is performed to update the FE model by identifying structural parameters since the natural frequency of the FE model became identical to the experimental results. Finally, the feasibility of the prestress-loss monitoring technique is evaluated for the PSC girder model by using the experimentally measured natural frequency and numerically identified natural frequency for several prestress-force cases.
Most of chloride diffusion models based on finite difference method (FDM) could not express the diffusion in horizontal direction at each elevation. To overcome these weakness, two dimensional chloride ion penetration model based on finite element method (FEM) to be able to combine various multi-physics simultaneously was suggested by introducing moving mesh technique. To avoid the generation of mesh being able to be distorted depending on the relative movement of water level to static concrete, a rectangular type of mesh was intentionally adopted and the total number of meshes was empirically selected. The simulated results showed that the contents of surface chloride decreased following to the increase of elevation in the top part of low sea level, whereas there were no changes in the bottom part of low level. In the DuraCrete model, the diffusion coefficient of splashed zone is generally smaller than submerged zone, whereas the trend of Life365 model is reverse. Therefore, it could be understood that the developed model using moving mesh technique effectively reflects $DuraCrete^{TM}$ model rather than $Life365^{TM}$ model. In the future, the model will be easily expanded to be combined with various multi-physics models considering water evaporation, heat of hydration, irradiation effect of sun and so on because it is based on FEM.
A versatile 4-node shell element which is useful for the analysis of arbitrary shell structures is presented. The element is developed by flat shell approach, i.e., by combining a membrane element with a Mindlin plate element. The proposed element has six degrees of freedom per node and permits an easy connection to other types of finite elements. In the plate bending part, an improved Mindlin plate has been established by the combined use of the addition of non-conforming displacement modes (N) and the substitute shear strain fields (S). In the membrane part, the nonconforming displacement modes are also added to the displacement fields to improve the behavior of membrane element with drilling degrees of freedom and the modified numerical integration (M) is used to overcome the membrane locking problem. Thus the element is designated as NMS-4F. The rigid link correction technique is adopted to consider the effect of out-of-plane warping. The shell element proposed herein passes the patch tests, does not show any spurious mechanism and does not produce shear and membrane locking phenomena. It is shown that the element produces reliable solutions even for the distorted meshes through the analysis of benchmark problems.
Terrestrial Laser Scanning(TLS) was developed at the mid-to-late 1990s. This technique enables to perform reconnaissance surveying of regions or structures hard to access. Besides, TLS has been extended its application gradually such as preservation of historical remains, underground surveys, slopes, glaciers monitoring and so on. However, though the technique has a lot of advantages, an application for structural health and safety monitoring is a beginning stage and it need much research. Therefore in this study, as a groundwork, the estimation model on stress of structures using TLS and Finite Element Method(FEM) applied by the Digital Elevation Model(DEM) technique of geoinformatics is proposed. For the verification of this model, experiments were performed with a continuous steel beam subjected to point loads and outputs were compared with those of electrical strain sensors.
In this paper a simple mesh refinement technique for finite element method is proposed using error estimation only on the material boundaries. The boundary errors are estimated by the continuity conditions of normal B field and tangential B field. From the error estimation fine meshes are accomplished on the boundary and propagate to the near region by Delanunay mesh tessellation. This adaptive mesh refinement technique is applied to the force calculation of magnetic clutch composed by several material regions and makes good convergence.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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