A previously proposed finite element formulation method is refined and modified to generate a new type of elements. The method is based on selecting a set of general solution modes for element formulation. The constant strain modes and higher order modes are selected and the formulation method is designed to ensure that the element will pass the basic single element test, which in turn ensures the passage of the basic patch test. If the element is to pass the higher order patch test also, the element stiffness matrix is in general asymmetric. The element stiffness matrix depends only on a nodal displacement matrix and a nodal force matrix. A symmetric stiffness matrix can be obtained by either modifying the nodal displacement matrix or the nodal force matrix. It is shown that both modifications lead to the same new element, which is demonstrated through numerical examples to be more robust than an assumed stress hybrid element in plane stress application. The method of formulation can also be used to arrive at the conforming displacement and hybrid stress formulations. The convergence of the latter two is explained from the point of view of the proposed method.
The conventional segregated finite element formulation produces a small and simple matrix at each step than in an integrated formulation. And the memory and cost requirements of computations are significantly reduced because the pressure equation for the mass conservation of the Navier-Stokes equations is constructed only once if the mesh is fixed. However, segregated finite element formulation solves Poisson equation of elliptic type so that it always needs a pressure boundary condition along a boundary even when physical information on pressure is not provided. On the other hand, the conventional integrated finite element formulation in which the governing equations are simultaneously treated has an advantage over a segregated formulation in the sense that it can give a more robust convergence behavior because all variables are implicitly combined. Further it needs a very small number of iterations to achieve convergence. However, the saddle-paint-type matrix (SPTM) in the integrated formulation is assembled and preconditioned every time step, so that it needs a large memory and computing time. Therefore, we newly proposed the P2PI semi-segregation formulation. In order to utilize the fact that the pressure equation is assembled and preconditioned only once in the segregated finite element formulation, a fixed symmetric SPTM has been obtained for the continuity constraint of the present semi-segregation finite element formulation. The momentum equation in the semi-segregation finite element formulation will be separated from the continuity equation so that the saddle-point-type matrix is assembled and preconditioned only once during the whole computation as long as the mesh does not change. For a comparison of the CPU time, accuracy and condition number between the two methods, they have been applied to the well-known benchmark problem. It is shown that the newly proposed semi-segregation finite element formulation performs better than the conventional integrated finite element formulation in terms of the computation time.
AILU type preconditioners for a two-dimensional combined P2P1 finite element formulation of the interaction of rigid cylinder with incompressible fluid flow have been devised and tested by solving fluid-structure interaction (FSI) problems. The FSI code simulating the interaction of a rigid cylinder with an unsteady flow is based on P2P1 mixed finite element formulation coupled with combined formulation. Four different preconditioners were devised for the two-dimensional combined P2P1 finite element formulation extending the idea of Nam et al., which was proposed for the preconditioning of a P2P1 mixed finite element formulation of the incompressible Navier-Stokes equations. It was found that PC-III or PC-IV among them perform well with respect to computational memory and convergence rate for some bench-mark problems.
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.
An 8 node assumed stress hexahedral element with rotational degrees of freedom is proposed for static and free vibration analyses. The element formulation is based directly on an 8-node element. This direct formulation requires fewer computations than a similar element that is derived from an internal 20-node element in which the midside degrees of freedom are eliminated by expressing them in terms of displacements and rotations at corner nodes. The formulation is based on Hellinger-Reissner variational principle. Numerical examples are presented to show the validity and efficiency of the present element for static and free vibration analysis.
평면 뼈대구조물의 매우 큰 변형에 대하여 정확한 비선형 유한요소의 정식화 과정을 나타내었다. 유한요소의 구성은 변화되는 재료의 기준 물성치에 근거를 두고 형성하였으며 매우 큰 변형을 받는 재료의 성질을 명확하게 특정지어 진응력-변형율 관계식을 직접 적용할 수 있도록 하였다. 큰회전과 작은 변형율을 받는 문제들을 형성하기 위하여 Co-rotation 접근 방법을 사용하였다. 큰 변형을 일으키는 요소의 문제를 해결하기 위하여 직선보 형태의 유한요소를 사용하였으며 개개의 유한요소의 정식화는 축방향력의 영향을 고려하여 미소 처짐보이론을 바탕으로 형성하였다. 본 연구에서 형성된 큰 변형에 대한 비선형 유한요소의 타당성을 확인하기 위해 몇몇 수치해들을 해석하고 검토하였다.
The unsymmetric finite element formulation has been proposed recently to improve predictions from distorted finite elements. Studies have also shown that this special formulation using parametric functions for the test functions and metric functions for the trial functions works surprisingly well because the former satisfy the continuity conditions while the latter ensure that the stress representation during finite element computation can retrieve in a best-fit manner, the actual variation of stress in the metric space. However, a question that remained was whether the unsymmetric formulation was variationally correct. Here we determine that it is not, using the simplest possible element to amplify the principles.
In the present study, an Element-Based Lagrangian Formulation for the nonlinear analysis of shell structures is presented. The strains, stresses and constitutive equations based on the natural co-ordinate have been used throughout the Element-Based Lagrangian Formulation of the present shell element which offers an advantage of easy implementation compared with the traditional Lagrangian Formulation. The Element-Based Lagrangian Formulation of a 9-node resultant-stress shell element is presented for the anisotropic composite material. The element is free of both membrane and shear locking behavior by using the assumed natural strain method such that the element performs very well in thin shell problems. The arc-length control method is used to trace complex equilibrium paths in thin shell applications. Numerical examples for laminated composite curved shells presented herein clearly show the validity of the present approach and the accuracy of the developed shell element.
In this paper, we propose a new concept for error estimation in finite element solutions, which we call mode-based error estimation. The proposed error estimation predicts a posteriori error calculated by the difference between the direct finite element (FE) approximation and the recovered FE approximation. The mode-based FE formulation for the recently developed self-updated finite element is employed to calculate the recovered solution. The formulation is constructed by searching for optimal bending directions for each element, and deep learning is adopted to help find the optimal bending directions. Through various numerical examples using four-node quadrilateral finite elements, we demonstrate the improved predictive capability of the proposed error estimator compared with other competitive methods.
본 연구에서는 피에조콘 시험의 유한요소해석을 점탄소성 bounding surface 구성모델과 large displacement large deformation 개념을 이용하여 수행하였다. 이에 따라 구성모델, 가상일의 방정식 및 관련 유한요소 식 등을 Updated Lagrangian reference frame에서 formulation 하였으며 지반의 거동은 theory of mixtures를 통하여 설명하였다. Theory of mixtures 역시 Updated Lagrangian reference frame에서 formulation하였다. 구성모델 중 점성 부분이 전체 formulation 과정에 중요한 영향을 미친다는 사실이 고찰되었다. 유한요소 해석의 결과는 실내에서 실시한 대형 모델시험의 결과와 비교, 분석하였다. Formulation 과정은 'I' 결과는 'II'에서 설명된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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