Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.23
no.6
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pp.659-665
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2010
The finite element method(FEM) is proven to be an effective approximate method of structural analysis if proper element types and meshes are chosen, and recently, the method is often applied to solve complex dynamic and nonlinear problems. A properly chosen element type and mesh yields reliable results for dynamic finite element structural analysis. However, dynamic behavior of a structure may include unpredictably large strains in some parts of the structure, and using the initial mesh throughout the duration of a dynamic analysis may include some elements to go through strains beyond the elements' reliable limits. Thus, the finite element mesh for a dynamic analysis must be dynamically adaptive, and considering the rapid process of analysis in real time, the dynamically adaptive finite element mesh generating schemes must be computationally efficient. In this paper, a computationally efficient dynamically adaptive finite element mesh generation scheme for dynamic analyses of structures is described. The concept of representative strain value is used for error estimates and the refinements of meshes use combinations of the h-method(node movement) and the r-method(element division). The shape coefficient for element mesh is used to correct overly distorted elements. The validity of the scheme is shown through a cantilever beam example under a concentrated load with varying values. The example shows reasonable accuracy and efficient computing time. Furthermore, the study shows the potential for the scheme's effective use in complex structural dynamic problems such as those under seismic or erratic wind loads.
This paper uses the finite element method to simultaneously consider the coupled cable-deck vibrations and the parametric vibrations of stay cables in dynamic analysis of a cable-stayed bridge. The stay cables are represented by some cable finite elements, which can consider the parametric vibration of the cables. In addition to modeling stay cables using multiple link cable elements, a procedure for removing the self-weight term of cable element is proposed. A eigenvalue analysis process using dynamic condensation method for sorting out the natural modes of the girder-tower vibrations and the Rayleigh damping considering element damping for damping matrix are also proposed for dynamic analyses of cable-stayed bridges. The possibilities of using cable elements and of using global and local vibrations to evaluate the parametric vibrations of stay cables in a cable-stayed bridge are confirmed, respectively.
The objective of numerical analysis is to devise and analyze efficient algorithms or numerical methods for equations arising in mathematical modeling for science and engineering. In this article, we present some recent topics in computational mathematics, specially in the finite element method and overview the development of the mixed finite element method in the context of second order elliptic and parabolic problems. Multiscale methods such as MsFEM, HMM, and VMsM are included.
Several new versatile two-dimensional p-version finite elements are developed. The element matrices are integrated analytically to guarantee the accuracy and monotonic convergence of the predicted solutions of the proposed p-version elements. The analysis results show that the convergence rate of the present elements is very fast with respect to the number of additional Fourier or polynomial terms in shape functions, and their solutions are much more accurate than those of the linear finite elements for the same number of degrees of freedom. Additionally, the new p-version plate elements without the reduced integration can overcome the shear locking problem over the conventional h-version elements. Using the proposed p-version elements with fast convergent characteristic, the elasto-plastic impact of the structure attached with the absorber is simulated. Good agreement between the simulated and experimental results verifies the present p-version finite elements for the analyses of structural dynamic responses and the structural elasto-plastic impact. Further, using the elasto-plastic impact model and the p-version finite element method, the absorber of the T structure on the Qiantang River is designed for its collision protection.
A design method of second generation wavelet (SGW)-based multivariable finite elements is proposed for static and vibration beam analysis. An important property of SGWs is that they can be custom designed by selecting appropriate lifting coefficients depending on the application. The SGW-based multivariable finite element equations of static and vibration analysis of beam problems with two and three kinds of variables are derived based on the generalized variational principles. Compared to classical finite element method (FEM), the second generation wavelet-based multivariable finite element method (SGW-MFEM) combines the advantages of high approximation performance of the SGW method and independent solution of field functions of the MFEM. A multiscale algorithm for SGW-MFEM is presented to solve structural engineering problems. Numerical examples demonstrate the proposed method is a flexible and accurate method in static and vibration beam analysis.
A small strain and elastoplastic formulation of Polygonal Element Method (PEM) is developed for efficient analysis of elastoplastic solids. In this work, the polygonal elements are constructed based on traditional triangular finite meshes. The construction method of polygonal mesh can directly utilize the sophisticated triangularization algorithm and reduce the difficulty in generating polygonal elements. The Wachspress rational finite element basis function is used to construct the approximations of polygonal elements. The incremental variational form and a von Mises type model are used for non-linear elastoplastic analysis. Several small strain elastoplastic numerical examples are presented to verify the advantages and the accuracy of the numerical formulation.
Despite a widely-held belief that the finite element method is the method for the solution of solid mechanics problems, which has for 30 years dissuaded solid mechanics scientists from paying any attention to the finite volume method, it is argued that finite volume methods can be a viable alternative. It is shown that it is simple to understand and implement, strongly conservative, memory efficient, and directly applicable to nonlinear problems. A number of examples are presented and, when available, comparison with finite element methods is made, showing that finite volume methods can be not only equal to, but outperform finite element methods for many applications.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1992.04a
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pp.58-64
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1992
It is usual that underground structures are constructed within multi-layered medium. In this paper, an efficient numerical model ling of multi-layered structural systems is studied using coupled analysis of finite elements and boundary elements. The finite elements are applied to the area in which the material nonlinearity is dominated, and the boundary elements are applied to the far field area where the nonlinearity is relatively weak. In the boundary element model 1 ins of the multi-layered medium, fundamental solutions are restricted. Thus, methods which can utilize existing Kelvin and Melan solution are sought for the interior multi-layered domain problem and semi infinite domain problem. Interior domain problem which has piecewise homogeneous layers is analyzed using boundary elements with Kelvin solution; by discretizing each homogeneous subregion and applying compatibility and equilibrium conditions between interfaces. Semi-infinite domain problem is analyzed using boundary elements with Melan solution, by superposing unit stiffness matrices which are obtained for each layer by enemy method. Each methodology is verified by comparing its results which the results from the finite element analysis and it is concluded that coupled analysis using boundary elements and finite elements can be reasonable and efficient if the superposition technique is applied for the multi-layered semi-infinite domain problems.
The dynamic behavior of crankshaft-bearing system in scroll compressor has been investigated using the combined methodologies of finite elements and transfer matrices. The finite element formulation is proposed including the field element for a shaft section and the point element at balancer weight locations, bearing locations, etc., whereas the conventional method is used with the elements. The Houbolt method is used to consider the time march for the integration of the system equations. The linear stiffness and damping coefficients are calculated for a finite cylindrical fluid-film bearing by solving the Reynolds equation, using finite difference method. The orbital response of crankshaft supported on the linear bearing model is obtained, considering balancer weights of motor rotor. And, the steady state displacement of crankshaft are compared with a variation in balancer weight. The loci of crankshaft at bearing locations are composed of the synchronous whirl component and the non-synchronous whirl component.
The waveguide finite element (WFE) method is a useful numerical technique to investigate wave propagation along waveguide structures which have uniform cross-sections along the length direction ('x' direction). In the present paper, the vibration and radiated noise of the submerged pipe with fluid is investigated numerically by coupling waveguide finite elements and wavenumber boundary elements. The pipe and internal fluid are modelled with waveguide finite elements and the external fluid with wavenumber boundary elements which are fully coupled. In order to examine this model, the point mobility, dispersion curves and radiated power are calculated and compared for several different coupling conditions between the pipe and internal/external fluids.
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