In this paper, an extended finite element method is proposed to analyze both geometric and material non-linear behavior of general Functionally Graded Material (FGM) plate-shell type structures. A user defined subroutine (UMAT) is developed and implemented in Abaqus/Standard to study the elastoplastic behavior of the ceramic particle-reinforced metal-matrix FGM plates-shells. The standard quadrilateral 4-nodes shell element with three rotational and three translational degrees of freedom per node, S4, is extended in the present study, to deal with elasto-plastic analysis of geometrically non-linear FGM plate-shell structures. The elastoplastic material properties are assumed to vary smoothly through the thickness of the plate-shell type structures. The nonlinear approach is based on Mori-Tanaka model to underline micromechanics and locally determine the effective FGM properties and self-consistent method of Suquet for the homogenization of the stress-field. The elasto-plastic behavior of the ceramic/metal FGM is assumed to follow Ludwik hardening law. An incremental formulation of the elasto-plastic constitutive relation is developed to predict the tangent operator. In order to to highlight the effectiveness and the accuracy of the present finite element procedure, numerical examples of geometrically non-linear elastoplastic functionally graded plates and shells are presented. The effects of the geometrical parameters and the volume fraction index on nonlinear responses are performed.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.22
no.4
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pp.335-341
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2009
In this paper, review of developed MLS-based finite elements and a proposal for their applications are described. The shape functions and their derivatives of MLS-based finite elements are constructed using Moving-Least Square approximation. In MLS-based finite element, using the adequate influence domain of weight function used in MLS approximation, kronecker delta condition could be satisfied at the element boundary. Moreover, because of the characteristics of MLS approximation, we could easily add extra nodes at an arbitrary position in MLS-based finite elements. For these reasons, until now, several variable-node elements(2D variable element for linear case and quadratic case and 3D variable-node elements) and finite crack elements are developed using MLS-based finite elements concept. MLS-based finite elements could be extended to 2D variable-node triangle element, 2D finite crack triangle element, variable-node shell element, finite crack shell element, and 3D polyhedron element. In this paper, we showed the feasibility of 3D polyhedron element at the case of femur meshing.
This paper describes the finite element model for predicting the fundamental performance of embedded steel column base connections under monotonic and cyclic loading. Geometric and material nonlinearities were included in the proposed finite element model. Bauschinger and pinching effects were considered in the simulation of embedded column base connections under cyclic loading. The degradation of steel yield strength and accumulation of plastic damage can be well simulated. The accuracy of the finite element model is examined by comparing the predicted results with independent experimental dataset. It is demonstrated that the finite element model accurately predicts the behaviour and failure models of the embedded steel column base connections. The finite element model is extended to carry out evaluations and parametric studies. The investigated parameters include column embedded length, concrete strength, axial load and base plate thickness. Moreover, analytical models for predicting the initial stiffness and bending moment strength of the embedded column base connection were developed. The comparison between results from analytical models and those from experiments and finite element analysis proved the developed analytical model was accurate and conservative for design purposes.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.14
no.1
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pp.101-108
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2014
In order to overcome the key shortcoming of Hamilton's principle, recently, the extended framework of Hamilton's principle was developed. To investigate its potential in further applications especially for material non-linearity problems, the focus is initially on a classical single-degree-of-freedom elasto-viscoplastic model. More specifically, the extended framework is applied to the single-degree-of-freedom elasto-viscoplastic model, and a corresponding weak form is numerically implemented through a temporal finite element approach. The method provides a non-iterative algorithm along with unconditional stability with respect to the time step, while yielding whole information to investigate the further dynamics of the considered system.
This paper presents a numerical study on structural behavior of hammer head pier cap beams, extended on verges and reinforced with carbon fiber reinforced polymer (CFRP) plates. A 3-D finite element (FE) model along with a simplified analytical model are presented. Concrete damage plasticity (CDP) was adapted in the FE model and an analytical approach predicting the CFRP anchor strength was adapted in both FE and analytical model. Total five quarter-scaled pier cap beams with various CFRP reinforcing schemes were experimentally tested and analyzed with numerical approaches. Comparison between experimental results, FE results, analytical results and current ACI guideline predictions was presented. The FE results showed good agreement with experimental results in terms of failure mode, ultimate capacity, load-displacement response and strain distribution. In addition, the proposed strut-and-tie based analytical model provides the most accurate prediction of ultimate strength of extended cap beams among the three numerical approaches.
For slope stability analysis, an alternative to the classical limit equilibrium method (LEM) of slices is the shear strength reduction method (SRM), which can be integrated into finite element analysis or finite difference analysis. Recently, probabilistic analysis of earth slopes has been very attractive because it is capable to take the soil uncertainty into account. However, the SRM is less commonly extended to probabilistic framework compared to a variety of probabilistic LEM analysis of earth slopes. To overcome some limitations that hinder the development of probabilistic SRM stability analysis, a new procedure based on recursive algorithm FORM with sensitivity analysis in the space of original variables is proposed. It can be used to deal with correlated non-normal variables subjected to implicit limit state surface. Using the proposed approach, a probabilistic finite element analysis of the stability of an existing earth dam is carried out in this paper.
Kim, Tae-Soon;Park, Sang-Yun;Park, Jai-Hak;Park, Chi-Yong
Proceedings of the KSME Conference
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2004.11a
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pp.124-129
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2004
Finite element alternating method have been suggested and used for assessing the integrity of cracked structures. In the paper, in order to analyze arbitrarily shaped three dimensional cracks, the finite element alternating method is extended. The cracks are modeled as a distribution of displacement discontinuities by the displacement discontinuity method and the symmetric Galerkin boundary element method. Applied the proposed method to three dimensional crack included in the elbow, the efficiency and applicability of the method were demonstrated.
Kim, Chang-Sik;Li, Chun Bao;Kim, Young Hun;Choung, Joonmo
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.54
no.4
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pp.335-343
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2017
The Newman-Raju formula and contour integral-based finite element analyses(FEAs) have been widely used to assess crack growth rates and residual lives at crack locations in ships or offshore structures, but the Newman-Raju formula is known to be less accurate for the complicated weld details and the conventional FEA-based contour integral approach needs concentrated efforts to construct FEA models. Recently, an extended finite element method(XFEM) has been proposed to reduce those modeling efforts with reliable accuracy. Stress intensity factors(SIFs) from the approaches such as the Newman-Raju formula, conventional FEA-based J-integral, and XFEM-based J-integral were compared for an infinitely long plate with a propagating elliptic crack. It was concluded that the XFEM approach was far reliable in terms of prediction ability of SIFs. Assuming a 25 year-aged coast guard patrol ship had the prescribed cracks at the bracket toes attached to longitudinal stiffeners in way of deck and bottom, SIFs were derived based on the three approaches. To obtain axial tension loads acting on the longitudinal stiffeners, long term hull girder bending moments were assumed to obey Weibull distribution of which two parameters were decided from a reference (DNV, 2014). For the complicated weld details, it was concluded that the XFEM approach could cost-effectively and accurately estimate the crack growth rates and residual lives of ship structures.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.31
no.10
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pp.1009-1016
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2007
Finite element alternating method has been suggested and used effectively to obtain the fracture parameters in assessing the integrity of cracked structures. The method obtains the solution from alternating independently between the FEM solution for an uncracked body and the crack solution in an infinite body. In the paper, the finite element alternating method is extended in order to obtain the elastic-plastic stress fields of a three dimensional inner crack. The three dimensional crack solutions for an infinite body were obtained using symmetric Galerkin boundary element method. As an example of a three dimensional inner crack, a penny-shaped crack in a finite body was analyzed and the obtained elastc-plastic stress fields were compared with the solution obtained from the finite element analysis with fine mesh. It is noted that in the region ahead of the crack front the stress values from FEAM are close to the values from FEM. But large discrepancy between two values is observed near the crack surfaces.
Kumar, M.R. Nanda;Murthy, A. Ramachandra;Gopinath, Smitha;Iyer, Nagesh R.
Structural Engineering and Mechanics
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v.57
no.1
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pp.65-89
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2016
This paper presents the development of methodologies using Extended Finite Element Method (XFEM) for cracked unstiffened and concentric stiffened panels subjected to constant amplitude tensile fatigue loading. XFEM formulations such as level set representation of crack, element stiffness matrix formulation and numerical integration are presented and implemented in MATLAB software. Stiffeners of the stiffened panels are modelled using truss elements such that nodes of the panel and nodes of the stiffener coincide. Stress Intensity Factor (SIF) is computed from the solutions of XFEM using domain form of interaction integral. Paris's crack growth law is used to compute the number of fatigue cycles up to failure. Numerical investigations are carried out to model the crack growth, estimate the remaining life and generate damage tolerant curves. From the studies, it is observed that (i) there is a considerable increase in fatigue life of stiffened panels compared to unstiffened panels and (ii) as the external applied stress is decreasing number of fatigue life cycles taken by the component is increasing.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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