To investigate failure mechanisms observed in carbon-phenolic thermal insulators, differential equations which govern the decomposition process in a deformable anisotropic porous solid are derived for three-dimensional axisymmetric constructions. The governing equations not only couple the material deformation with pore pressure, but also couple pressure and temperature, which means that heat convected by the pyrolysis gases is properly accounted for. Then the Bubnov-Galerkin finite element method is applied to these equations to transform them into a semidescrete finite element system. A thermal insulation liner in the cowl region under typical operating conditions is analyzed to find a mechanism for plylift. The results from the structural analysis show across-ply failure in the cowl zone. The mechanism for plylift is hypothesized as a sequential procedure : 1) the across-ply failure which is the precursor to plylift and 2) the local fiber buckling caused by generation of excessive in-plane compressive stress. To prevent plylift, the across-ply stress can be reduced by using appropriate material ply angles in cowl zone design.
Infrared thermography is an emerging approach to non-contact, non-intrusive, and non-destructive inspection of various solid materials such as metals, composites, and semiconductors for industrial and research interests. In this study, data processing was applied to infrared thermography measurements to detect defects in metals that were widely used in industrial fields. When analyzing experimental data from infrared thermographic testing, raw images were often not appropriate. Thus, various data analysis methods were used at the pre-processing and processing levels in data processing programs for quantitative analysis of defect detection and characterization; these increased the infrared non-destructive testing capabilities since subtle defects signature became apparent. A 3D finite element simulation was performed to verify and analyze the data obtained from both the experiment and the image processing techniques.
A shear connection between the steel beam and concrete slab determines the stability of composite beams. An extensive numerical study to evaluate the resistance of the shear connection in a solid slab at high temperature was conducted. Three-dimensional thermo-mechanical finite element models were developed using a dynamic explicit method and concrete damaged plasticity model. Temperature-dependent plasticity parameters of the concrete model were proposed, and the accuracy of the developed model was obtained against experimental data. This investigation has revealed that a stud shearing failure occurs regardless of temperatures, and its shearing location changes in accordance with a rise in temperature. A new strength reduction formula has been presented to estimate the resistance of the shear connection at high temperatures.
A piping system stress analysis need to be re-performed for structural integrity assessment after reinforcement of a pipe with significant wall thinning. For efficient stress analysis, a one-dimensional beam element for the wall-thinned pipe with reinforcement needs to be developed. To develop the beam element, this work presents analytical equations for elastic stiffness of the wall-thinned pipe with reinforcement are analytically derived for axial tension, bending and torsion. Comparison with finite element (FE) analysis results using detailed three-dimensional solid models for wall-thinned pipe with reinforcement shows good agreement. Implementation of the proposed solutions into commercial FE programs is explained.
The purpose of this study is to show pressure distribution of the bearing girder in large vessel engine and to consider finite elements analysis using the pressure distribution. Various kinds of the exciting forces act on a bearing girder. And at the same time, it is necessary to consider the contact between a crankshaft and a bearing girder because a bearing girder supports a crankshaft. However it is to need the computer resource with much time if we apply the contact element to a complex solid model and perform a repeated analysis. Thus we have accomplished a contact analysis in the simplistic finite element model of the bearing girder. After that we take a pressure distribution, and apply this to actual finite element model and accomplish finite element analysis. The result of stresses and strains has been produced using superposition method. The concept of superposition method is to find the resultant deflection of several loads acting on a member as the sum of contributions of individual loads. The results were compared with measured results and were verified to be accurate. Resulting analyzed strain favorably coincides with measured strain. The experiment result justifies this paper method.
A numerical procedure is proposed as a mesh-size insensitive structural stress definition that gives a stress state at a weld toe with relatively large mesh size. The structural stress values obtained using different finite element types, i.e. shell element and solid element, are examined for typical weld structures. The calculation procedures are performed using the balanced nodal forces and moments obtained from finite element solutions. A consistent formulation based on work equivalent argument has been implemented to transform the balanced nodal forces and moments from shell to line force and line moments at each nodal position. The mesh-insensitivity, the effect of distance $\delta$(where the stress is calculated) and the potential limitations of the structural stress method are examined for various types of weldments. Based on the results from this study, it is expected to develop a more precise stress estimation technique for fatigue strength assessment of welded structures.
An adaptive procedure in finite element analysis is presented by p-refinement of meshes in conjunction with a posteriori error estimator that is based on the recovery technique. In case of the recovery technique, the SPR(superconvergent patch recovery) approach has been modified for p-adaptive mesh refinement. The strategy of finding a nearly optimal distribution of polynomial degrees on a fixed finite element mesh is discussed such that a particular element has to be refined automatically to obtain an acceptable level of accuracy by increasing p-levels non-uniformly. To verify the proposed algorithm, the limit value approach is proposed which utilizes the exact strain energy computed from the extrapolation equation. A new pre-processor is developed for the p-version finite element program in which the vector graphic editor is used for the automatic generation of node connection and coordinate by halfedge solid data structure according to uniform or nonuniform p-distribution. The general 2-D algorithm is also developed to generate face modes and internal modes in accordance with different mesh types. The quality of the error estimator is investigated with the help of two mumerical examples. The results show that the sequences of p-distributions obtained by the proposed error indicator closely follow the optimal trajectory.
This study deals with an enhanced assumed strain (EAS) three-dimensional element for free vibration analysis of laminated composite and sandwich structures. The three-dimensional finite element (FE) formulation based on the EAS method for composite structures shows excellence from the standpoints of computational efficiency, especially for distorted element shapes. Using the EAS FE formulation developed for this study, the effects of side-to-thickness ratios, aspect ratios and ply orientations on the natural frequency are studied and compared with the available elasticity solutions and other plate theories. The numerical results obtained are in good agreement with those reported by other investigators. The new approach works well for the numerical experiments tested, especially for complex structures such as sandwich plates with laminated composite faces.
In this paper, we propose the framework of an integrated design system as a CAD system of a new concept that can incorporate the design information. Current CAD systems are powerful in representing the shape of a product with solid models but cannot provide the design information that is used or created in designing the product. Therefore an integrated design system is proposed to enable the storage and usage of the design information in addition to the shape manipulation. In order to represent the design information, we define element object that represents design element such as a part, a sub-assembly or an assembly by using object-oriented methodology. The element object carries various design information such as design parameters, documents, catalogues, functions, and behaviors as well as shapes. By using the stored information, the system can provide a designer with some functions to assist design activity such as interrogating necessary information, setting design parameters and goals, and constructing constraints among design elements. A mailing system is also constructed among element objects to assist a collaborative design. In addition, an evolutionary design method using genetic algorithms is realized within the proposed framework.
Finite element analysis was performed to evaluate the integrity of the tubes in the fixed tubesheet of horizontal type heat exchanger under operating condition. For the finite element analysis of the heat exchanger, tubes and tubesheets were equivalently modeled with concentroidal hexagonal columns and solid plates having equivalent properties for the convenience of finite element modeling, respectively. Load combination of tube pressure and thermal expansion most likely to precipitate possible failure of the tubes was selected and applied to the finite element analysis. The compressive stresses of the tubes were calculated based on displacements of each tube, which were obtained from anile element analysis. Finally, the maximum tube stress was compared with the design criterion of ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section VIII.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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