Using the concept of quasi-static decomposition and using three-noded isoparametric locking-free element, this article presents a formulation of the finite element method for Timoshenko beam subjected to spatially different time-dependent motions at supports. To verify the validity of the formulation, three fixed-hinged beams excited by the real seismic motions are examined; one is a slender beam, another is a stocky one, and the other is an intermediate one. The numerical results of time histories of motions of the three beams are compared with corresponding analytical solutions. The internal loads such as bending moment and shearing force at a specific time are also compared with analytic solutions. These comparisons show good agreements. The comparisons between static components of the internal loads and the corresponding total internal loads show that the static components predominate in the stocky beam, whereas the dynamic components predominate in the slender one. Thus, the total internal loads of the stocky beam, which is governed by static components, can be predicted simply by static analysis. Careful numerical experiments indicate that the fundamental frequency of a beam can be used as a parameter identifying such a stocky beam.
In this research paper, the free vibrational response of laminated composite plates is investigated using a non-polynomial refined shear deformation theory (NP-RSDT). The most interesting feature of this theory is the parabolic distribution of transverse shear deformations while ensuring the conditions of nullity of shear stresses at the free surfaces of the plate without requiring the Shear correction factor "Ks". A fourth-nodded isoparametric element with four degrees of freedom per node is employed for laminated composite plates. The numerical analysis of simply supported square anti-symmetric cross-ply and angle-ply laminated plate is carried out using a special discretization based on four-node finite element method which four degrees of freedom per node. Several numerical results are presented to show the effect of the coupling parameters of the plate such as the modulus ratios, the thickness ratio and the plate layers number on adimensional eigen frequencies. All numerical results presented using the current finite element method (FEM) is presented in 3D curve form.
Dash, Sushmita;Mehar, Kulmani;Sharma, Nitin;Mahapatra, Trupti R.;Panda, Subrata K.
Structural Engineering and Mechanics
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v.68
no.6
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pp.721-733
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2018
The modal frequency responses of functionally graded (FG) sandwich doubly curved shell panels are investigated using a higher-order finite element formulation. The system of equations of the panel structure derived using Hamilton's principle for the evaluation of natural frequencies. The present shell panel model is discretised using the isoparametric Lagrangian element (nine nodes and nine degrees of freedom per node). An in-house MATLAB code is prepared using higher-order kinematics in association with the finite element scheme for the calculation of modal values. The stability of the opted numerical vibration frequency solutions for the various shell geometries i.e., single and doubly curved FG sandwich structure are proven via the convergence test. Further, close conformance of the finite element frequency solutions for the FG sandwich structures is found when compared with the published theoretical predictions (numerical, analytical and 3D elasticity solutions). Subsequently, appropriate numerical examples are solved pertaining to various design factors (curvature ratio, core-face thickness ratio, aspect ratio, support conditions, power-law index and sandwich symmetry type) those have the significant influence on the free vibration modal data of the FG sandwich curved structure.
This article presents the numerical modelling of transient heat transfer in highly heterogeneous composite materials where the thermal conductivity, specific heat and density are assumed to be directional-dependent. This article uses a coupled finite element-finite difference scheme to perform the transient heat transfer analysis of unidirectional (1D) and multidirectional (2D/3D) functionally graded composite panels. Here, 1D/2D/3D functionally graded structures are subjected to nonuniform heat source and inhomogeneous boundary conditions. Here, the multidirectional functionally graded materials are modelled by varying material properties in individual or in-combination of spatial directions. Here, fully spatial-dependent material properties are evaluated using Voigt's micromechanics scheme via multivariable power-law functions. The weak form is obtained through the Galerkin method and solved further via the element-space and time-step discretisation through the 2D-isoparametric finite element and the implicit backward finite difference schemes, respectively. The present model is verified by comparing it with the previously reported results and the commercially available finite element tool. The numerous illustrations confirm the significance of boundary conditions and material heterogeneity on the transient temperature responses of 1D/2D/3D functionally graded panels.
Journal of the Korean Society of Fisheries and Ocean Technology
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v.31
no.4
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pp.423-434
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1995
It was used boundary element method(BEM) and analysed axisymmetric problem to solve hydraulic cylinder for large vessel acting uniform internal pressure(25N/m super(2)) within elastic limit. This paper was utilized the carbon steel tubes for machine structural purposed model, inner radius was 150mm and outer radius was 250mm, axial length was semi-infinite and the isoparametric element was used. The important results obtained in this study were summarized as follows. Radial, tangential and shearing stress occured the maximum stresses(48, -20 and 34MPa) at the inner radius and the minimum stresses(32, -4 and 18MPa) at the outer radius of the hydraulic cylinder for large vessel. But negative signs have meaning compressive stress and stress diminution ratio was about 0.15MPa/mm. The use of isoparametric element raised accuracy and the increment of input data lessened the error in internal point but computer run-time was increased. The double node was improved the internal solutions to settle discontinuity at corner and the double exponential formula lessened error of stress value at boundary neighborhood. And then coincidence between the analytical and exact results is found to be fairly good, showing that the proposed analytical by BEM is reliable.
A constitutive model on oorthotropic thermo-elasto-viscoplasticity for fiber-reinforced composite materials Is illustrated, and their thermomechanical responses are predicted with the fully-coupled finite element formulation. The unmixing-mixing scheme can be adopted with the multipartite matrix method as the constitutive model. Basic assumptions based upon the composite micromechanics are postulated, and the strain components of thermal expansion due to temperature change are included In the formulation. Also. more than two sets of mechanical variables, which represent the deformation states of multipartite matrix can be introduced arbitrarily. In particular, the unmixing-mixing scheme can be used with any well-known isotropic viscoplastic theory of the matrix material. The scheme unnecessitates the complex processes for developing an orthotropic viscoplastic theory. The governing equations based on fully-coupled thermomechanics are derived with constitutive arrangement by the unmixing-mixing concept. By considering some auxiliary conditions, the Initial-boundary value problem Is completely set up. As a tool of numerical analyses, the finite element method Is used with isoparametric Interpolation fer the displacement and the temperature fields. The equation of mutton and the energy conservation equation are spatially discretized, and then the time marching techniques such as the Newmark method and the Crank-Nicolson technique are applied. To solve the ultimate nonlinear simultaneous equations, a successive iteration algorithm is constructed with subincrementing technique. As a numerical study, a series of analyses are performed with the main focus on the thermomechanical coupling effect in composite materials. The progress of viscoplastic deformation, the stress-strain relation, and the temperature History are careful1y examined when composite laminates are subjected to repeated cyclic loading.
The stability behaviour of symmetrically laminated rectangular composite plates with loaded ends clamped and unloaded edges simply-supported, and subjected to uniform in-plane compression is investigated. A numerical and experimental investigation is presented in this contribution. The stacking sequence of the laminated glass/epoxy composite plates is symmetric about the middle surface and consists of 8-ply [0, 90, +45, -45]s lamination. Numerical predictions were obtained through the use of the finite element method. The above plates were modelled with 8-noded isoparametric layered shell elements. The effect of the input parameters such as the degree and forms of prescribed initial imperfection and the incremental step size required for incremental loading, on the convergence of the solution is thoroughly examined. Experimental results are presented for 10 test panels. All test panels were made from glass/epoxy unidirectional prepregs and have aspect ratio of 5.088. The laminate thicknesses were found to vary from 1.054 mm to 1.066 mm. Comparison of experimental data with predicted results show good correlation and give confidence in the finite element model.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.20
no.7
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pp.2148-2158
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1996
Uncoupled, quasi-static and linear thermoviscoelastic problems are analyzed in time domain by the finite element approximation which is developed using the principle of virtual work and viscoelasticity matrices instead of shear and bulk relaxation functions as in usual formulations. The material is assumed to be isotropic, homegeneous and thermorheologically simple, which means that the temperature-time equivalence postulate is effective. The stress-strain laws are expressed by relaxation-type hereditary integrals. In spatial and time discritizations, isoparametric quadratic quadrilateral finite elements and linear time variations are adopted. For explicit derivations, the viscoelastic material is assumed to behave standard linear solid in shear and elastically in dilatation. Two-dimensional examples are solved under general temperature distributions T = T(x, t), and compared with other opproximate solutions to show the versatility of the presented analysis.
Soils consist of an assemblage of particles with different sizes and shapes which form a skeleton whose voids are filled with water and air. Hence, soil behaviour must be analyzed by incorporating the effects of the transient flow of the pore-fluid through the voids, and therefore requires a two-phase continuum formulation for saturated porous media. The present paper presents briefly the Biot's basic theory of dynamics of saturated porous media with u-P formulation to determine the responses of pore fluid and soil skeleton during cyclic loading. Kelvin elements are attached to transmitting boundary. The Pastor-Zienkiewicz-Chan model has been used to describe the inelastic behavior of soils under isotropic cyclic loadings. Newmark-Beta method is employed to discretize the time domain. The response of fluid-saturated porous media which are subjected to time dependent loads has been simulated numerically to predict the liquefaction potential of a semi-infinite saturated sandy layer using finite-infinite elements. A settlement of 17.1 cm is observed at top surface. It is also noticed that liquefaction occurs at shallow depth. The mathematical advantage of the coupled finite element analysis is that the excess pore pressure and displacement can be evaluated simultaneously without using any empirical relationship.
Finite elements based on isoparametric formulation are known to suffer spurious stiffness properties and corresponding stress oscillations, even when care is taken to ensure that completeness and continuity requirements are enforced. This occurs frequently when the physics of the problem requires multiple strain components to be defined. This kind of error, commonly known as locking, can be circumvented by using reduced integration techniques to evaluate the element stiffness matrices instead of the full integration that is mathematically prescribed. However, the reduced integration technique itself can have a further drawback - rank deficiency, which physically implies that spurious energy modes (e.g., hourglass modes) are introduced because of reduced integration. Such instability in an existing stiffness matrix is generally detected by means of an eigenvalue test. In this paper we show that a knowledge of the dimension of the solution space spanned by the column vectors of the strain-displacement matrix can be used to identify the instabilities arising in an element due to reduced/selective integration techniques a priori, without having to complete the element stiffness matrix formulation and then test for zero eigenvalues.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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