본 논문에서는 타이어의 각 부분의 물성치 계산을 위한 식을 유한요소법에 적용할 수 있도록 제안하였다. 이 식은 강철 코드의 굽힙효과를 고려 하였으며, 특히 각 요소에서 전단변형이 일어나는 동안의 굽힘효과를 고려하였다. 유한요소 공식화는 가상일의 원리에 의하여 평형 방정식으로부터 유도하였고, Updated refer- ence coordinate에 대해 증분해석을 적용하여 Updated Lagrangian공식화를 하였다. 그리고 차량하중에 의하여 타이어가 노면에 접지될때의 응력상태를 게산할 수 있도록 접촉문제 공식화를 유한요소 공식화에 첨가 하였다.
이 연구에서는 새로운 쉘요소분해의 방법을 정립하고, 이에 의거하여 간단하고, 효율성이 높고, 보편성이 큰 쉘 유한요소를 개발하고자 하였다. 실제의 요소는 개념적인 Translational Element와 Difference Element로 분해되며, 요소의 변위함수는 이 두 성분요소의 변위함수를 결합하여 얻는다. 요소분해의 기본가정을 달리함에 따라서 세가지의 기본형요소에 도달할 수 있다. 기본형요소를 보완하여 Locking현상을 제거하고 수렴성을 높히는 방안으로서 감착적분, 내용자유도의 추가 및 Mixed Fomulation을 검토하였으며, 요소의 Spurious Mode를 제어하는 방법을 고안하였다. 수치분석을 통해서 요소의 유효성과 효율성을 검정하였다.
Kim, Do Kyun;Poh, Bee Yee;Lee, Jia Rong;Paik, Jeom Kee
Structural Engineering and Mechanics
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제68권2호
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pp.247-259
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2018
In this study (Part I), an advanced empirical formulation was proposed to predict the ultimate strength of initially deflected steel plate subjected to longitudinal compression. An advanced empirical formulation was proposed by adopting Initial Deflection Index (IDI) concept for plate element which is a function of plate slenderness ratio (${\beta}$) and coefficient of initial deflection. In case of initial deflection, buckling mode shape, which is mostly assumed type in the ships and offshore industry, was adopted. For the numerical simulation by ANSYS nonlinear finite element method (NLFEM), with a total of seven hundred 700 plate scenarios, including the combination of one hundred (100) cases of plate slenderness ratios with seven (7) representative initial deflection coefficients, were selected based on obtained probability density distributions of plate element from collected commercial ships. The obtained empirical formulation showed good agreement ($R^2=0.99$) with numerical simulation results. The obtained outcome with proposed procedure will be very useful in predicting the ultimate strength performance of plate element subjected to longitudinal compression.
In recent years the pure displacement formulation for plate elements has not been as popular as other formulations. We revisit the pure displacement formulation for shear-deformable plate elements and propose a family of N-node, displacement-compatible, fully-integrated, pure-displacement, triangular, Mindlin plate elements, MIN-N. The development has been motivated by the relative simplicity of the pure displacement formulation and by the success of the existing 3-node plate element, MIN3. The formulation of MIN3 is generalized to obtain the MIN-N family, which possesses complete, fully compatible kinematic fields, in which the interpolation functions for transverse displacement are one degree higher than those for rotations. General element-level formulas for the thin-limit Kirchhoff constraints are developed. The 6-node, 18 degree-of-freedom element MIN6, with cubic displacement and quadratic rotations, is implemented and tested extensively. Numerical results show that MIN6 exhibits good performance for both static and dynamic analyses in the linear, elastic regime. The results illustrate that the fully-integrated MIN6 element has excellent performance in the thin limit, even for coarse meshes, and that it does not require shear relaxation.
A mixed eight-node hexahedral element formulated via the Hu-Washizu principle as well as the field extrapolation technique is presented. The mixed element with only three translational degrees of freedom at each node can provide extremely accurate and reliable performance for popular benchmark problems such as spacial beams, plates, shells as well as general three-dimensional elasticity problems. Numerical calculations also show that when extremely skewed and coarse meshes and nearly incompressible materials are used, the proposed mixed element can still possess excellent behaviour. The mixed formulation starts with introduction of a parallelepiped domain associated with the given general eight-node hexahedral element. Then, the assumed strain field at the nodal level is constructed via the Hu-Washizu variational principle for that associated parallelepiped domain. Finally, the assumed strain field at the nodal level of the given hexahedral element is established by using the field extrapolation technique, and then by using the trilinear shape functions the assumed strain field of the whole element domain is obtained. All matrices involved in establishing the element stiffness matrix can be evaluated analytically and expressed explicitly; however, a 24 by 24 matrix has to be inverted to construct the displacement extrapolation matrix. The proposed hexahedral element satisfies the patch test as long as the element with a shape of parallelepiped.
For the post-buckling and elasto-plastic analysis of shell structures, the total Lagrangian formulation is presented based upon the degenerated shell element. Geometrically correct formulation is developed by updating the direction of normal vectors in the iteration process and evaluating the total Green-Lagrange stain corresponding U total displacements. In the calculation of the stiffness matrix, the element formulation takes into account the effect of finite rotation increments by retaining second order rotation terms in the incremental displacement field. The selective or reduced integration scheme using the heterosis element is applied in order to overcome both shear locking phenomena and the zero energy mode. The load/displacement incremental scheme is adopted for geometric non-linear F .E. analysis. Based on such methodology, the computer program is developed and numerical examples to demonstrate the accuracy and the effectiveness of the proposed shell element are presented and compared with references's results.
This paper presents a mixed formulation frame element with the assumptions of the Timoshenko shear beam theory for displacement field and that accounts for interaction between shear and normal stress at material level. Nonlinear response of the element is obtained by integration of section response, which in turn is obtained by integration of material response. Satisfaction of transverse equilibrium equations at section includes the interaction between concrete and transverse reinforcing steel. A 3d plastic damage model is implemented to describe the hysteretic behavior of concrete. Comparisons with available experimental data on RC structural walls confirm the accuracy of proposed method.
For the effective finite element analysis of the structures including material interfaces or contact surfaces, interface elements are proposed. Most of early works in this problem require not only iterative computation but also complex formulation because of the kinematic nonlinearities caused from the discontinuous behavior and the stress concentration phenomena. The proposed elements, however, are consistently formulated using relative displacements and tractions between top and bottom regular finite elements. The effectiveness of these elements are shown by solving various numerical sample problems including an leaf spring and comparing with results of general finite element analysis. As a result, more stable solutions are conveniently obtaines using interface elements than regular finite elements.
In this paper, a multi-scale meshfree-enriched finite element formulation is presented for the analysis of acoustic wave propagation problem. The scale splitting in this formulation is based on the Variational Multi-scale (VMS) method. While the standard finite element polynomials are used to represent the coarse scales, the approximation of fine-scale solution is defined globally using the meshfree enrichments generated from the Generalized Meshfree (GMF) approximation. The resultant fine-scale approximations satisfy the homogenous Dirichlet boundary conditions and behave as the "global residual-free" bubbles for the enrichments in the oscillatory type of Helmholtz solutions. Numerical examples in one dimension and two dimensional cases are analyzed to demonstrate the accuracy of the present formulation and comparison is made to the analytical and two finite element solutions.
Over-coating is one of the most popular engineering practices to strengthen Reinforced Concrete (RC) structures, due to the relative quickness and ease of construction. It consists of an external coat bonded to the outer surface of the structural RC element, either by the use of chemical adhesives, mechanical anchor bolts or simply mortar injection. In contrast to these constructive advantages, the numerical estimation of the bearing capacity of the strengthened reinforced concrete element is still complicated, not only for the complexity of modelling a flexible membrane or plate attached to a quasi-rigid solid, but also for the difficulties that raise of simulating any potential delamination between both materials. For these reasons, the standard engineering calculations used in the practice remain very approximated and clumsy. In this work, we propose the formulation of a new 2D solid-layer finite element capable to link a solid body with a flexible thin layer, as it were the "skin" of the body, allowing the potential delamination between both materials. In numerical terms, this "skin" element is intended to work as a transitional region between a solid body (modelled with a classical formulation of a standard quadrilateral four-nodes element) and a flexible coat layer (modelled with cubic beam element), dealing with the incompatibility of Degrees-Of-Freedom between them (two DOF for the solid and three DOF for the beam). The aim of the solid-layer element is to simplify the mesh construction of the strengthened RC element being aware of two aspects: a) to prevent the inappropriate use of very small solid elements to simulate the coat; b) to improve the numerical estimation of the real bearing capacity of the strengthened element when the coat is attached or detached from the solid body.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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