Machine or structural members subjected to fatigue loading will have a crack initiated during early part of their life. Therefore analysis of members with cracks and other discontinuities is very important. Finite element method has enjoyed widespread use in engineering, but it is not convenient for crack problems as the region very close to crack tip is to be discretized with very fine mesh. However, as the body force method (BFM), requires only the boundary of the discontinuity (crack or hole) to be discretized it is easy versatile technique to analyze such problems. In the present work fundamental solution for concentrated load x + iy acting in the semi-infinite plate at an arbitrary point $z_0=x_0+iy_0$ is considered. These fundamental solutions are in complex form ${\phi}(z)$ and ${\psi}(z)$ (England 1971). These potentials are known as Melan potentials (Ramakrishna 1994). A crack in the semi-infinite plate as shown in Fig. 1 is considered. This crack is divided into number of divisions. By applying pair of body forces on a division, the resultant forces on the remaining 'N'divisions are to be found for which ${\phi}_1(z)$ and ${\psi}_1(z)$ are derived. Body force method is applied to calculate stress intensity factor for crack in semi-infinite plate. Also for the case of crack emanating from circular hole in semi-infinite plate radial stress, hoop stress and shear stress are calculated around the hole and crack. Convergent results are obtained by body force method. These results are compared with FEM results.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1994.04a
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pp.137-144
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1994
In this study, a new procedure for solving 2-D dynamic problems of semi-infinite medium in time domain by boundary element method (BEM) is presented. Efficient modelling of the far field region, infinite boundary elements are introduced. The shape function of the infinite boundary element is a combination of decay functions and Laguerre functions. Though the present shape functions have been developed for the time domain analysis, they may be also applicable to the frequency domain analysis. Through the response analysis in a 2-D half space under a uniformly distributed dynamic load, it has been found that an excellent accuracy can be achieved compared with the analytical solution
A brief review of the research works on ground vibrations caused by trains moving in underground tunnels is first given. Then, the finite/infinite element approach for simulating the soil-tunnel interaction system with semi-infinite domain is summarized. The tunnel is assumed to be embedded in a homogeneous half-space or stratified soil medium. The train moving underground is modeled as an infinite harmonic line load. Factors considered in the parametric studies include the soil stratum depth, damping ratio and shear modulus of the soil with or without tunnel, and the thickness of the tunnel lining. As far as ground vibration is concerned, the existence of a concrete tunnel may somewhat compensate for the loss due to excavation of the tunnel. For a soil stratum resting on a bedrock, the resonance peak and frequency of the ground vibrations caused by the underground load can be rather accurately predicted by ignoring the existence of the tunnel. Other important findings drawn from the parametric studies are given in the conclusion.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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2000.11a
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pp.461-464
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2000
A branched crack in a semi-infinite plate under tension and bending moment is considered. Intensity factors of the stress and moment for the branched crack are evaluated. The stress intensity factors are obtained by using the finite element method and the J-based mutual integral. The moment intensity factors are calculated by extrapolating the values of the moment near the crack tip. Approximate expressions are also obtained as functions of the branched crack length and branching angle.
This paper presents a comparative study of analytical method and finite element method (FEM) for analysis of a continuous contact problem. The problem consists of two elastic layers loaded by means of a rigid circular punch and resting on semi-infinite plane. It is assumed that all surfaces are frictionless and only compressive normal tractions can be transmitted through the contact areas. Firstly, analytical solution of the problem is obtained by using theory of elasticity and integral transform techniques. Then, finite element model of the problem is constituted using ANSYS software and the two dimensional analysis of the problem is carried out. The contact stresses under rigid circular punch, the contact areas, normal stresses along the axis of symmetry are obtained for both solutions. The results show that contact stresses and the normal stresses obtained from finite element method (FEM) provide boundary conditions of the problem as well as analytical results. Also, the contact areas obtained from finite element method are very close to results obtained from analytical method; disagree by 0.03-1.61%. Finally, it can be said that there is a good agreement between two methods.
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.
The accurate dynamic analysis of concrete arch dams relies heavily on employing a three-dimensional semi-infinite fluid element. The usual method for calculating the impedance matrix of this fluid hyper-element is dependent on the solution of a complex eigen-value problem for each frequency. In the present study, an efficient procedure is proposed which simplifies this procedure amazingly, and results in great computational time saving. Moreover, the accuracy of this technique is examined thoroughly and it is concluded that efficient procedure is incredibly accurate under all practical conditions.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.15
no.3
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pp.433-440
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2002
A branched crack in a semi-infinite plate under uniform tension and bending moment is considered in this study By using the superposition, the stress and moment intensity factors for the branched crack subjected to uniform tension and bending moment we evaluated. The stress intensity factors we obtained by using the finite element method and the J-based mutual integral. The moment intensity factors are calculated by extrapolating the values of the moment new the crack tip. Numerical results lot the normalized stress and moment Intensity factors we shown as functions of the ratio of branched crack length to main crack length and the branching angle.
A dynamic analysis of a horseshoe_shaped tunnel near to cavity was performed to study the effect of the cavity on the dynamic behavior of the tunnel. In order to obtain the dynamic response of the tunnel embedded in a semi-infinite domain, a hybrid numerical technique was primarily developed. A dynamic fundamental solution in frequency domain for multi-layered half planes was derived and subsequently incorporated in the boundary element method. Coupling of the boundary element method for the far field with the finite element method for the near field is made by imposing compatibility condition of a displacement at the interface. The boundary element method is then coupled with the finite element method, which is utilized to model the near field including the tunnel and the cavity. In order to demonstrate the validity of the proposed technique, dynamic responses of single and multiply-layered semi-infinite structural systems are obtained by using the Kicker waveform and investigated in the limestone layer to find how the being and the location of the cavity affect the dynamic characteristics of the system.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1998.04a
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pp.383-389
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1998
A numerical study is conducted to examine the wave scattering at infilled trenches which may be constructed to reduce the ground-transmitted vibration. The finite element method is used for the simulation of the wave propagation in the semi-infinite region. In order to keep the computational burden manageable, the absorbing boundaries are employed. The numerical technique is validated by modeling a published problem. The results are shown to be in good agreement with the published data. The screening effectiveness of the infilled trenches is then studied for different trench dimensions and material properties.
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