In this study, analytic solution and finite element formulation for the free vibration analysis of thin-walled circular arch, based on linearized virtual work and Vlasov's assumption, including restrained warping effect and second order terms of finite semitangential rotations, is presented. The total potential energy is derived by applying the Hellinger-Reissner principle. In this formulation, all displacement parameters of deformation are defined at the centroid axis. For the finite element formulation, the two node cubic Hermitian polynomials are utilized as shape functions. In special case, potential energy functional of thin-walled curved beam with monosymmetric cross section is derived. From this methodology, analytic solution for the free vibration of monosymmetric circular arch with simply supported is derived. In order to illustrate the accuracy of this study, various parameter studies for free vibration of circular arches are presented and compared with numerical solution analyzed by the FEM using straight beam element.
The design analysis of axisymmetric, multi-stage deep drawing dies was performed using the rigid-viscoplastic finite element formulation. In the formulation the axisymmetric CFS algorithm was employed. Hill's non-quadratic normal anisotropic yield criterion and isotropic hardening rule were considered. For trial initial displacements and tool contact points. the geometric force equilibrium method was adopted. In order to see the validity of the formulation, the multi-stage deep drawing processes of shell-cylinder front part of hydraulic booster were simulated. The simulation showed good agreements with measurments and PAM-STAMP results.
The finite element formulation is developed for predicting strain distributions and weld line movements in the forming processes of laser welded blank. The welded zone(WZ) is modelled with several narrow finite elements whose material characteristics are analytically obtained from those of base metals based on the tensile tests. In order to show the reliability and effectiveness of weld element the forming process of hemispherical dome stretching and auto-body door inner panel stamping are simulated FEM predictions show good agreements with experimental observations.
The BEM, known as solving boundary value problems, could have some advantages In solving domain problems which are mostly solved by FEM and FDM. Lately, in the elastic-plastic nonlinear problems, BEM could provide the subdomain approach for the region where the plastic deformation could occur and the unknown nodal displacement of this region are added as the unknown of the boundary integral equation for this approach. In this paper, initial stress method was used to establish the formulation of such BEM approach. And a simple rectangular plate having a circular hole was analyzed to verify the suggested method and the result is compared with that from FEM. It is shown that the result of two methods are showing similar stress-strain curves at the root of perforated plate and furthermore the plastic deformation obtained by BEM shows more reasonable behavior than that of FEM.
In this study, the elastic plane problem of a layered composite containing an internal or edge crack perpendicular to its boundaries in its lower layer is examined using numerical analysis. The layered composite consists of two elastic layers having different elastic constants and heights. Two bonded layers rest on a homogeneous elastic half plane and are pressed by a rigid cylindrical stamp. In this context, the Finite Element Method (FEM) based software called ANSYS is used for numerical solutions. The problem is solved under the assumptions that the contacts are frictionless, and the effect of gravity force is neglected. A comparison is made with analytical results in the literature to verify the model created and the results obtained. It was found that the results obtained from analytical formulation were in perfect agreements with the FEM study. The numerical results for the stress-intensity factor (SIF) are obtained for various dimensionless quantities related to the geometric and material parameters. Consequently, the effects of these parameters on the stress-intensity factor are discussed. If the FEM analysis is used correctly, it can be an efficient alternative method to the analytical solutions that need time.
This study presents a method for level ice-structure interaction analysis to estimate the fatigue damage of arctic structures by applying plate theory to the behavior of level ice. The boundary element method (BEM), which incurs a lower computational cost than the finite element method (FEM), was introduced to solve the plate bending problem. The BEM formulation was performed by applying the BEM to plate theory. Finally, to check the validity of the proposed method, the BEM results and FEM results obtained using the ABAQUS commercial software were compared. The response results of the BEM analysis agreed well with those of the FEM analysis. Based on the results of the analysis, the BEM approach is considered to be very powerful in level ice-structure interaction analysis for estimating level ice-induced fatigue damage. Further work is being conducted to perform level ice fracture analysis based on the stress field calculated using the boundary element method.
The free and forced nonlinear dynamic behaviors of Porous Functionally Graded Material (PFGM) plates are examined by means of a High-Order Implicit Algorithm (HOIA). The formulation is developed using the Third-order Shear Deformation Theory (TSDT). Unlike previous works, the formulation is written without resorting to any homogenization technique neither rule of mixture nor considering FGM as a laminated composite, and the distribution of the porosity is assumed to be gradually variable through the thickness of the PFGM plates. Using the Hamilton principle, we establish the governing equations of motion. The Finite Element Method (FEM) is used to compute approximations of the resulting equations; FEM is adopted using a four-node quadrilateral finite element with seven Degrees Of Freedom (DOF) per node. Nonlinear equations are solved by a HOIA. The accuracy and the performance of the proposed approach are verified by presenting comparisons with literature results for vibration natural frequencies and dynamic response of PFGM plates under external loading. The influences of porosity volume fraction, porosity distribution, slenderness ratio and other parameters on the vibrations of PFGM plate are explored. The results demonstrate the significant impact of different physical and geometrical parameters on the vibration behavior of the PFGM plate.
Splitting algorithms of the incompressible Navier-Stokes equations using P1P1/P2P1 finite element formulation are newly proposed. P1P1 formulation allocates velocity and pressure at the same nodes, while P2P1 formulation allocates pressure only at the vertex nodes and velocity at both the vertex and mid nodes. For comparison of the elapsed time and accuracy of the two methods, they have been applied to the well-known benchmark problems. The three cases chosen are the two-dimensional steady and unsteady flows around a fixed cylinder, decaying vortex, and impinging slot jet. It is shown that the proposed P2P1 semi-splitting method performs better than the conventional P1P1 splitting method in terms of both accuracy and computation time.
A coupled method, that combines the Ritz method and the finite element (FE) method, is proposed to solve the vibration problem of rectangular thin and thick plates with general boundary conditions. The eigenvalue partial differential equation(s) of the plate is (are) first reduced to a set of eigenvalue ordinary differential equations by the application of the Ritz method. The resulting eigenvalue differential equations are then reduced to an eigenvalue algebraic equation system using the finite element method. The natural boundary conditions of the plate problem including the free edge and free corner boundary conditions are also implemented in a simple and accurate manner. Various boundary conditions including simply supported, clamped and free boundary conditions are considered. Comparisons with existing numerical and analytical solutions show that the proposed mixed method can produce highly accurate results for the problems considered using a small number of Ritz terms and finite elements. The proposed mixed Ritz-FE formulation is also compared with the mixed FE-Ritz formulation which has been recently proposed by the present author and his co-author. It is found that the proposed mixed Ritz-FE formulation is more efficient than the mixed FE-Ritz formulation for free vibration analysis of rectangular plates with Levy-type boundary conditions.
This paper provides a new technique for solving the static analysis of arbitrarily shaped composite plates by using Strong Formulation Finite Element Method (SFEM). Several papers in literature by the authors have presented the proposed technique as an extension of the classic Generalized Differential Quadrature (GDQ) procedure. The present methodology joins the high accuracy of the strong formulation with the versatility of the well-known Finite Element Method (FEM). The continuity conditions among the elements is carried out by the compatibility or continuity conditions. The mapping technique is used to transform both the governing differential equations and the compatibility conditions between two adjacent sub-domains into the regular master element in the computational space. The numerical implementation of the global algebraic system obtained by the technique at issue is easy and straightforward. The main novelty of this paper is the application of the stress and strain recovery once the displacement parameters are evaluated. Computer investigations concerning a large number of composite plates have been carried out. SFEM results are compared with those presented in literature and a perfect agreement is observed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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