Zuohua Li;Jiafei Ning;Qingfei Shan;Hui Pan;Qitao Yang;Jun Teng
Computers and Concrete
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제31권3호
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pp.223-239
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2023
Geometric nonlinear performance simulation and analysis of complex modern buildings and industrial products require high-performance shell elements. Balancing multiple aspects of performance in the one geometric nonlinear analysis element remains challenging. We present a new shell element, flat shell DKMGQ-CR (Co-rotational Discrete Kirchhoff-Mindlin Generalized Conforming Quadrilateral), for linear and geometric nonlinear analysis of both thick and thin shells. The DKMGQ-CR shell element was developed by combining the advantages of high-performance membrane and plate elements in a unified coordinate system and introducing the co-rotational formulation to adapt to large deformation analysis. The effectiveness of linear and geometric nonlinear analysis by DKMGQ-CR is verified through the tests of several classical numerical benchmarks. The computational results show that the proposed new element adapts to mesh distortion and effectively alleviates shear and membrane locking problems in linear and geometric nonlinear analysis. Furthermore, the DKMGQ-CR demonstrates high performance in analyzing thick and thin shells. The proposed element DKMGQ-CR is expected to provide an accurate, efficient, and convenient tool for the geometric nonlinear analysis of shells.
A finite element method is programmed to analyse the nonlinear behavior of axisymmetric structures. The lst order Mindlin shell theory which takes into account the transversal shear deformation is used to formulate a conical two node element with six degrees of freedom. To evade the shear locking phenomenon which arises in Mindlin type element when the effect of shear deformation tends to zero, the reduced integration of one point Gauss Quadrature at the center of element is employed. This method is the Updated Lagrangian formulation which refers the variables to the state of the most recent iteration. The solution is searched by Newton-Raphson iteration method. The tangent matrix of this method is obtained by a finite difference method by perturbating the degrees of freedom with small values. For the moment this program is limited to the analyses of non-linear elastic problems. For structures which could have elastic stability problem, the calculation is controled by displacement.
The postbuckling behavior of laminated composite plates and shells, subjected to various shear loadings, is presented, using a modified 8-ANS method. The finite element, based on a modified first-order shear deformation theory, is further improved by the combined use of assumed natural strain method. We analyze the influence of the shell element with the various location and number of enhanced membrane and shear interpolation. Using the assumed natural strain method with proper interpolation functions, the present shell element generates neither membrane nor shear locking behavior even when full integration is used in the formulation. The effects of various types of lay-ups, materials and number of layers on initial buckling and postbuckling response of the laminated composite plates and shells for various shear loading have been discussed. In addition, the effect of direction of shear load on the postbuckling behavior is studied. Numerical results and comparisons of the present results with those found in the literature for typical benchmark problems involving symmetric cross-ply laminated composites are found to be excellent and show the validity of the developed finite element model. The study is relevant to the simulation of barrels, pipes, wing surfaces, aircrafts, rockets and missile structures subjected to intense complex loading.
Contact and frictional locking conditions and the effect of shielding due to contact at the facet, which could be represented by the difference in energy release rate, as a function of phase angle of loading are analyzed in this study for the case of interfacial cracks by assuming single crack-kink model. The analysis of contact effects on interfacial fracture resistance shows that relative shielding increases as the shear component was increased, which indicates a qualitative agreement with the previous experimental results.
In the analysis of metal forming processes by the finite element method, there are many numerical instabilities such as element locking, hourglass mode, shear locking. These instabilities may have a bad effect upon accuracy and convergence. The present work is concerned with improvement of stability and efficiency in two dimensional rigid-plastic finite element method using various type of elements and numerical integration schemes. AS metal forming examples, upsetting and backward extrusion are taken for comparison among the methods : various element types and numerical integration schemes. comparison is made in terms of stability and efficiency. As a result, it has been shown that the finite element computation is stabilized from the viewpoint of computational time, convergency, and numerical instability.
In the shape optimization based on the finite element method, the accuracy of finite element analysis of a given structure is important to determine the final shape. In case of a bending dominant problem, finite element solutions by the full integration scheme are not reliable because of the locking phenomenon. Furthermore, in the process of shape optimization, the mesh distortion is large due to the change of the structure outline: therefore, we cannot guarantee the accurate result unless the finite element itself is accurate. We approach to more accurate shape optimization to diminish these inaccuracies by improving the existing finite element. The shape optimization using the modified finite element is applied to a two-dimensional simple beam. Results show that the modified finite element have improved the optimization results.
Finite element model based on the Naghdi's shell theory in the general tensor-based form is formulated in the present study. Partial mixed variational functional for assumed strain is formulated in order to avoid the severe locking troubles known as transverse shear and membrane locking. The proposed assumed strain element in general tensor Naghdi's shell model provides very accurate solutions for thin shells in benchmark problems. In additions, linear elastic constitutive equations are given in the general curvilinear coordinate system including anisotropic layered structures. Thus laminated composited shell structures are easily analyzed in the present formulation.
Finite elements based on the partition of unity (PU) approximation have powerful capabilities for p-adaptivity and solutions with high smoothness without remeshing of the domain. Recently, the PU approximation was successfully applied to the three-node shell finite element, properly eliminating transverse shear locking and showing excellent convergence properties and solution accuracy. However, the enrichment with the PU approximation results in a significant increase in the number of degrees of freedom; therefore, it requires greater computational cost, thus making it less suitable for practical engineering. To circumvent this disadvantage, we propose a new strategy to decrease the total number of degrees of freedom in the existing PU-based shell element, without loss of optimal convergence and accuracy. To alleviate the locking phenomenon, we use the method of mixed interpolation of tensorial components and perform convergence studies to show the accuracy and capability of the proposed shell element. The excellent performances of the new shell elements are illustrated in three benchmark problems.
이 연구에서는 감절점쉘요소의 개념에 근거한 새로운 4절점 곡면 쉘요소를 제시하였다. 회전장이 독립변수로 도입된 범함수에 의하여 면내회전자유도를 도입함으로써 개발된 쉘요소에서는 절점당 6자유도를 갖도록 하였다. 아울러 쉘요소의 면내거동 개선을 위하여 4개의 비적합변위형에 의한 비적합변위를 면내방향의 변위성분에 추가하였으며, 면외거동 개선을 위하여 대체전단변형률장이 적용되었다. 이 연구에서의 비적합변위형의 수치적 구현에 있어서 일정한 변형률상태를 표현할 수 있도록 하기 위하여 비적합변위형의 직접 수정법이 적용되었다. 이렇게 정식화된 쉘요소 강성행렬의 수치적분에 있어서는 부피적분을 위하여 9점 적분법이 사용되었다. 개발된 쉘요소는 바람직하지 못한 영에너지모드를 갖지 않으며, 일정한 변형률 상태를 표현할 수 있음을 확인하였다. 개발된 4절점 곡면 쉘 요소에 대한 다양한 수치예제를 통한 검증 결과, 전반적으로 양호한 거동을 보여주고 있음을 확인하였다.
In the present study, a first order shear deformable Loop-subdivision triangular element which can handle transverse shear deformation of moderately thick shell and composite laminated or sandwich shells are developed. The developed element is more general than the previous one based on classical shell theory, since it includes the effect of transverse shell deformation and has standard five degrees of freedom per node. The quartic box spline function is employed as the interpolation basis function. Numerical examples for the benchmark static shell problems are analyzed to assess the performance of the developed subdivision shell element and locking trouble.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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