To improve the modeling accuracy for the finite element method, this paper proposes a method to make a combined use of finite elements and exact dynamic elements. Exact interpolation functions for a Timoshenko beam element are derived and compared with interpolation functions of the finite element method (FEM). The exact interpolation functions are tested with the Laplace variable varied. The exact interpolation functions are used to gain more accurate mode shape functions for the finite element method. This paper also presents a combined use of finite elements and exact dynamic elements in design problems. A Timoshenko frame with tapered sections is tested to demonstrate the design procedure with the proposed method.
Although the finite element method has become an indispensible tool for the dynamic analysis of structures, difficulty remains to quantify the errors associated with discretization. To improve the modeling accuracy, this paper proposes a method to make a combined use of finite elements and exact dynamic elements. Exact interpolation functions for the Timoshenko beam element are derived using the exact dynamic element modeling (EDEM) and compared with interpolation functions of the finite element method (FEM). The exact interpolation functions are tested with the Laplace variable varied. A combined use of finite element method and exact interpolation functions is presented to gain more accurate mode shape functions. This paper also presents a combined use of finite elements and exact dynamic elements in design/reanalysis problems. Timoshenko flames with tapered sections are tested to demonstrate the design procedure with the proposed method. The numerical study shows that the combined use of finite element model and exact dynamic element model is very useful.
Herein, we present effective polygonal finite elements to which the strain-smoothed element (SSE) method is applied. Recently, the SSE method has been developed for conventional triangular and quadrilateral finite elements; furthermore, it has been shown to improve the performance of finite elements. Polygonal elements enable various applications through flexible mesh handling; however, further development is still required to use them more effectively in engineering practice. In this study, piecewise linear shape functions are adopted, the SSE method is applied through the triangulation of polygonal elements, and a smoothed strain field is constructed within the element. The strain-smoothed polygonal elements pass basic tests and show improved convergence behaviors in various numerical problems.
A new class of finite elements is described for dealing with mesh gradation. The approach employs the moving least square (MLS) scheme to devise a class of elements with an arbitrary number of nodal points on the parental domain. This approach generally leads to elements with rational shape functions, which significantly extends the function space of the conventional finite element method. With a special choice of the nodal points and the base functions, the method results in useful elements with polynomial shape functions for which the $C^1$ continuity breaks down across the boundaries between the subdomains comprising one element. Among those, (4 + n)-noded MLS based finite elements possess the generality to be connected with an arbitrary number of linear elements at a side of a given element. It enables us to connect one finite element with a few finite elements without complex remeshing. The effectiveness of the new elements is demonstrated via appropriate numerical examples.
In this paper decay and mapped elastodynamic infinite elements, based on modified Bessel shape functions and appropriate for Soil-Structure Interaction problems are described and discussed. These elements can be treated as a new form of the recently proposed Elastodynamic Infinite Elements with United Shape Functions (EIEUSF) infinite elements. The formulation of 2D horizontal type infinite elements (HIE) is demonstrated, but by similar techniques 2D vertical (VIE) and 2D corner (CIE) infinite elements can also be formulated. It is demonstrated that the application of the elastodynamical infinite elements is the easier and appropriate way to achieve an adequate simulation including basic aspects of Soil-Structure Interaction. Continuity along the artificial boundary (the line between finite and infinite elements) is discussed as well and the application of the proposed elastodynamical infinite elements in the Finite Element Method is explained in brief. Finally, a numerical example shows the computational efficiency of the proposed infinite elements.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제26권3호
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pp.344-352
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2002
In the analysis of the 3 dimensional plate structures by the finite element method, the triangular elements are generally used for the global stiffness matrix of the analyzed system. But the triangular elements of the plates have some problems in the process of formulation and in the precision of analysis. The formulation of the finite element method to analyze 3 dimensional plate structures using quadrilateral elements is presented in this paper. The degree of freedom off nodal point is 6, that is, the displacements in the direction off-y-z is and the rotations about x-y-z axis and then the degree of freedom off element is 24. For the comparison of the analysis using triangular elements and quadrilateral elements, the rectangular plates subjected to the uniform load and a concentrated load on the centroid of the plate, for which the theoretical solutions have been obtained, are analyzed. The calculated deflections of the rectangular plates using the finite element method by the triangular elements and the quadrilateral elements are also compared with the deflections of the plates calculated by theoretical solutions. The defections of the rectangular plates calculated by the finite element method using the quadrilateral elements are closer to the theoretical solutions than the defections calculated by the finite element method using the triangular elements. The deflection of the centroid of plate, calculated by the finite element method, converges to that of theoretical solution as the number of elements is increased. This convergence is much more rapid for the case of using the quakrilateral elements than fir the case of using triangular elements.
A procedure which may be useful in dealing with problems of half plane is considered. Boundary elements are combined with finite elements to facilitate their merits. Boundary elements for semi-infinite region are composed using the Melan's solution for half plane. Finite elements are used to model irregurarity or the nonhomogeneity of materials, which is usual in underground structures. In order to verify the procedure, a shallow tunnel under internal pressure is analysed using the finite element method, the boundary element method, and the combined method. It is shown that the developed Procedure is accurate enough compared with other method.
A novel method for non-matching interfaces on the boundaries of the finite elements in partitioned domains is presented by introducing interface elements in this paper. The interface element method (IEM) satisfies the continuity conditions exactly through interfaces without recourse to the Lagrange multiplier technique. The moving least square (MLS) approximation in the present study is implemented to construct the shape functions of the interface elements. Alignment of the boundaries of sub-domains in the MLS approximation and integration domains provides a consistent numerical integration due to one form of rational functions in an integration domain. The compatibility of displacements on the boundaries of the finite elements and the interface elements is always preserved in this method, and the completeness of the shape functions of the interface elements guarantees the convergence of numerical solutions. The numerical examples show that the interface element method is a useful tool for the analysis of a partitioned system and for a global-local analysis.
The purpose of the present study is the presentation of the appropriate element and shape function in the solution of the neutron diffusion equation in two-dimensional (2D) geometries. To this end, the multigroup neutron diffusion equation is solved using the Galerkin finite element method in both rectangular and hexagonal reactor cores. The spatial discretization of the equation is performed using unstructured triangular and quadrilateral finite elements. Calculations are performed using both linear and quadratic approximations of shape function in the Galerkin finite element method, based on which results are compared. Using the power iteration method, the neutron flux distributions with the corresponding eigenvalue are obtained. The results are then validated against the valid results for IAEA-2D and BIBLIS-2D benchmark problems. To investigate the dependency of the results to the type and number of the elements, and shape function order, a sensitivity analysis of the calculations to the mentioned parameters is performed. It is shown that the triangular elements and second order of the shape function in each element give the best results in comparison to the other states.
For the purpose of clarifying the influence of welding residual stress to the fatigue crack propagations behaviour, an analytical investigation based on finite element method is performed to examine the opening behaviour of tip-closed crack in the compressive residual stress. A finite element model comprised of contact elements for the crack plane and plane stress elements for the base material is used to evaluate crack opening stress of the crack existing in the residual stress field. Also an analytical method based on the superposition principle to estimate the length of opened part of tip closed crack and the stress distribution adjacent to the crack during uploading is applied to the finite element model. The software for the analysis is ABAQUS, which is a general purpose finite element package. The results show that stresses distributed on the crack surfaces are reduced and approached to zero as the applied stresses are increased up to crack tip opening stress and no mechanical discontinuity is found at the boundary of contact elements and plane stress elements. It is verified that the opening behavior of the fatigue crack in the residual stress can be predicted by finite element method with the proposed analytical method.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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