An automatic quadrilateral mesh generator for large deformation finite element analysis such as metal forming simulation was developed. The NURBS interpolation method is used for modeling arbitrary 2-D free surface. This mesh generation technique is the modified paving algorithm, which is an advancing front technique with element-by-element resolving method for paving boundary intersection problem. The mesh density for higher analysis accuracy and less analysis time can be easily controlled with high-density points, maximum and minimum element size. A couple of application to large deformation finite element analysis is given as an example, which shows versatility and applicability of the proposed approach and the developed mesh generator for large deformation finite element analysis.
This paper presents a beam finite element model of a vibrate wind blade in large elastic deformation subjected to the aerodynamic, centrifugal, gyroscopic and gravity loads. The gyroscopic loads applied to the blade are induced by her simultaneous vibration and rotation. The proposed beam finite element model is based on a simplex interpolation method and it is mainly intended to the numerical analysis of wind blades vibration in large elastic deformation. For this purpose, the theory of the sheared beams and the finite element method are combined to develop the algebraic equations system governing the three-dimensional motion of blade vibration. The applicability of the theoretical approach is elucidated through an original case study. Also, the static deformation of the used wind blade is assessed by appropriate software using a solid finite element model in order to show the effectiveness of the obtained results. To simulate the nonlinear dynamic response of wind blade, the predictor-corrector Newmark scheme is applied and the stability of numerical process is approved during a large time of blade functioning. Finally, the influence of the modified geometrical stiffness on the amplitudes and frequencies of the wind blade vibration induced by the sinusoidal excitation of gravity is analyzed.
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.
For the analysis of leveling process by the 3-dimensional elastic-plastic finite element method, a finite element analysis program modeling large deformation of shell has been developed. This program fur analyzing large deformation of sheet during leveling includes spring-back analysis as well as efficient contact treatment between sheet and rolls of leveler. This is verified by the simple leveling experiment with 5 rolls at laboratory. Besides the leveling examples, problems within the category of large strain and rotation, such as 3-dimensional roll-up and gutter occurrence at continuous bending-unbending process are also tested for verification of the program. The residual curvatures of strip predicted by finite element analysis are within 20% error range of the experiment. The formation and direction of anticlastic curvature or gutter during bending-unbending under tension is predicted and this agrees with the experimental results.
Crystallographic texture evolution during forming processes has a significant effect on the anisotropic flow behavior of crystalline material. In this study, a crystal plasticity finite element method (CPFEM), which incorporates the crystal plasticity constitutive law into a three-dimensional finite element method, was used to investigate texture evolution of a face-centered-cubic material - an aluminum alloy. A rate-dependent polycrystalline theory was fully implemented within an in-house program, CAMPform3D. Each integration point in the element was considered to be a polycrystalline aggregate consisting of a large number of grains, and the deformation of each grain in the aggregate was assumed to be the same as the macroscopic deformation of the aggregate. The texture evolution during three different deformation modes - uniaxial tension, uniaxial compression, and plane strain compression - was investigated in terms of pole figures and compared to experimental data available in the literature.
한국소성가공학회 1999년도 제3회 압연심포지엄 논문집 압연기술의 미래개척 (Exploitation of Future Rolling Technologies)
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pp.313-319
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1999
The development of deformation texture in FCC polycystalline metals during rolling was simulated by the finite element analysis using a large-deformation, elaatic-plastic, rate-dependent polycrystalline model of crystal plasticity. Different plastic anisotropy due to different orientation of each crystal makes inhomogeneous deformation. Assuming plane strain compression condition, the simulation with a high rate sensitivity resulted in main component change from Dillamore at low rate sensitivity to Brass component.
Many problems in geotechnical engineering such as slop failure, debris flow, ground heaving due to embankment, and lateral flow caused by liquefaction are related to large deformation rather than small deformation. Traditional numerical methods such as finite element and finite difference methods have a difficulty to solve such large deformations because they use grids. A particle method was developed for fluid dynamics. The particle method can solve large deformation problems because it uses particles to discretize differential equations. It can also include soil constitutive model and thus solve soil behavior on various boundary conditions. In this study, a particle method, which is based on particles rather than grids, is introduced and used to simulate large deformation including soil failure. The developed method can be applied for various large deformation problems in geotechnical engineering because it incorporates soil constitutive models.
Based on continuum mechanics and the principle of virtual displacements, incremental total Lagrangian formulation (T.L.) and incremental updated Lagrangian formulation (U.L.) were presented. Both T.L. and U.L. considered the large displacement stiffness matrix, which was modified to be symmetrical matrix. According to the incremental updated Lagrangian formulation, small strain, large displacement, finite rotation of three dimensional Timoshenko fiber beam element tangent stiffness matrix was developed. Considering large displacement and finite rotation, a new type of tangent stiffness matrix of the beam element was developed. According to the basic assumption of plane section, the displacement field of an arbitrary fiber was presented in terms of nodal displacement of centroid of cross-area. In addition, shear deformation effect was taken account. Furthermore, a nonlinear finite element method program has been developed and several examples were tested to demonstrate the accuracy and generality of the three dimensional beam element.
A finite element anlaysis is performed for large deformations of a felxible beam. The total Lagrangian formulation for a general large deformation, which involves finite rotations, is chosen and the exponential map is used to treat finite rotations from the Eulerian point of view. The finite elements results are confirmed for several cases of deformations through comparison to a first order elasticity solution obtained by numerical integration, and the agreement between the two is found to be excellent. For lateral buckling, the point of vanishing determinant of the resulting unsymmetric tangent stiffness is traced to examine its relationship to bifurcation points. It is found that the points of vanishing determinant is not corresponding to bifurcation points for large deformation in general, which suggests that the present unsymmetric tangent stiffness is not an exact first derivative of internal forces with respect to displacement.
Low-velocity impact responses of composite laminates are investigated using the finite element method based on various theories. In two-dimensional nonlinear analysis, a displacement field considering higher order shear deformation and large deflection of the laminate is assumed and a finite element formulation is developed using a C$^{o}$-continuous 9-node plate element. Also, three-dimensional linear analysis based on the infinitesimal strain-displacement assumptions is performed using 8-node brick elements with incompatible modes. A modified Hertzian contact law is incorporated into the finite element program to evaluate the impact force. In the time integration, the Newmark constant acceleration algorithm is used in conjuction with successive iterations within each time step. Numerical results from static analysis as well as the impact response analysis are presented including impact force histories, deflections, strains in the laminate. Impact responses according to two typical low-velocity impact conditions are compared each other.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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