A shear-deformable finite element model (FEM) with five nodes and thirteen degrees of freedom (DOFs) for free vibrations of laminated composite beams with arbitrary lay-up is presented. This model can be capable of considering the elastic couplings among the extensional, bending and torsional deformations, and the Poisson's effect. Lagrange's principle is employed in derivation of the equations of motion, and thus the element matrices are obtained. Comparisons of the present element's results with those in experiment, available literature and the 3D finite element analysis software (ANSYS(R)) are made to show its accuracy. Some further results are given as referencing for the future studies in vibrations of laminated composite beamst.
In this paper, a meshfree-enriched finite element method (ME-FEM) is introduced for the large deformation analysis of nonlinear path-dependent problems involving contact. In linear ME-FEM, the element formulation is established by introducing a meshfree convex approximation into the linear triangular element in 2D and linear tetrahedron element in 3D along with an enriched meshfree node. In nonlinear formulation, the area-weighted smoothing scheme for deformation gradient is then developed in conjunction with the meshfree-enriched element interpolation functions to yield a discrete divergence-free property at the integration points, which is essential to enhance the stress calculation in the stage of plastic deformation. A modified variational formulation using the smoothed deformation gradient is developed for path-dependent material analysis. In the industrial metal forming problems, the mortar contact algorithm is implemented in the explicit formulation. Since the meshfree-enriched element shape functions are constructed using the meshfree convex approximation, they pose the desired Kronecker-delta property at the element edge thus requires no special treatments in the enforcement of essential boundary condition as well as the contact conditions. As a result, this approach can be easily incorporated into a conventional displacement-based finite element code. Two elasto-plastic problems are studied and the numerical results indicated that ME-FEM is capable of delivering a volumetric locking-free and pressure oscillation-free solutions for the large deformation problems in metal forming analysis.
Filho, Joao Elias Abdalla;Belo, Ivan Moura;Pereira, Michele Schunemann
Structural Engineering and Mechanics
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v.28
no.5
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pp.603-633
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2008
A four-node plate finite element for the analysis of laminated composites which is developed using strain gradient notation is presented. The element is based on a first-order shear deformation theory and on the equivalent lamina assumption. Strains and stresses can be calculated at different points through the thickness of the plate. They are averaged values due to the equivalent lamina assumption. A shear correction factor is used as the transverse shear strain is taken to be constant over the plate thickness while its actual variation is parabolic. Strain gradient notation, which is physically interpretable, allows for the detailed a-priori analysis of the finite element model. The polynomial expansions are inspected and spurious terms responsible for modeling errors are identified in the shear strains polynomial expansions. The element is corrected by simply removing the spurious terms from the shear strains expansions. The element is implemented into a FORTRAN finite element code in two versions; namely, with and without spurious terms. Results are compared to show the effects of the spurious terms on the solutions. It is also shown that a refined mesh composed of corrected elements provides solutions which approximate very well the analytical solutions, validating the procedure.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.19
no.11
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pp.1192-1201
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2009
Analysis of the vibration characteristic for cylindrical shell is more complex than plates since the coupling effects are considered on three dimensions. Based on Love's equation, spectral finite element method(SFEM) is introduced to predict frequency response function of finite circular cylindrical shell in the air with simply supported - free boundary condition without simplifying the equation of motion. And for the radiated noise analysis of cylindrical shell, indirect boundary element method(BEM) is applied using out-of-plane displacements as an input from structural vibration analysis. Comparisons of the structural vibration results by the spectral finite element method and commercial code, NASTRAN(FEM based) are carried out. Likewise, for verification of radiated noise analysis results, commercial code, SYSNOISE(BEM based) are used.
The finite element analysis was performed for the cracks existing in residual stress fields in order to investigate the effects of configuration of residual stress distribution to the fatigue crack opening behaviour. And the variation of stress distributions adjacent to the crack caused by uploading was examined. The finite element model with contact elements for the crack plane and plane stress elements for the base material and the analytical method based on the superposition principle to estimate crack opening behaviour and the stress distribution adjacent to the crack subjected to uploading were used. The results of the analysis showed that crack opening behaviors and variations of stress distribution caused by uploading were changed depending on the configuration of residual stress distribution. When the crack existed in the region of compressive residual stress and the configuration of compressive residual stress distribution were inclined, a partial crack opening just behind of a crack tip occurred during uploading. Based on the above results, it was clarified that the crack opening behaviour in the residual stress field could be predicted accurately by the finite element analysis using these analytical method and model.
Adaptive finite element analysis, which its solution error meets with the user defined allowable error, is recently used far improving reliability of finite element analysis results. This adaptive analysis is composed of two procedures; one is the error estimation of an analysis result and another is the reconstruction of finite elements. In the rp-method, an element size is controlled by relocating of nodal positions(r-method) and the order of an element shape function is determined by the hierarchical polynomial(p-method) corresponding to the element solution error. In order to show the effectiveness and accuracy of the suggested rp-method, various numerical examples were analyzed and these analysis results were examined by comparing with those obtained by the existed methods. As a result of this study, following conclusions are obtained. (1) rp-method is more accurate and effective than the r- and p-method. (2) The solution convergency of the rp-method is controlled by means of the iterative calculation numbers of the r- and p- method each other.
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.
Jhung, Myung Jo;Choi, Young Hwan;Jeong, Kyeong Hoon
Structural Engineering and Mechanics
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v.16
no.6
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pp.655-674
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2003
Investigated in this study are the natural vibration characteristics of the coaxial cylindrical shells coupled with a fluid. Theoretical method is developed to find the natural frequencies of the shell using the finite Fourier series expansion, and their results are compared with those of finite element method to verify the validation of the method developed. The effect of the fluid-filled annulus and the boundary conditions on the modal characteristics of the coaxial shells is investigated using a finite element modeling.
Journal of the korean Society of Automotive Engineers
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v.3
no.3
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pp.24-29
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1981
This paper is studied an efficient temperature distribution and heat transfer of two-dimensional rectangular cross-section by the higher-order triangular finite dynamic element and finite difference. This is achieved by employing a discretization technique based on a recently developed concept of finite dynamic elements, involving higher order dynamic correction terms in the associated stiffness and convection matrices. Numerical solution results of temperature distribution presented herein clearly optimum element and show that FEM10 is the most accurate temperature distribution, but heat transfer and computational effort is the most acquired.
Investigated in this study are the modal characteristics of the eccentric cylindrical shells with fluid-filled annulus. Theoretical method is developed to find the natural frequencies of the shell using the finite Fourier expansion, and their results are compared with those of finite element method to verify the validation of the method developed. The effect of eccentricity on the modal characteristics of the shells is investigated using a finite element modeling.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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