A finite element method (FEM) of B-spline wavelet on the interval (BSWI) is used in this paper to solve the static and vibration problems of thin plate. Instead of traditional polynomial interpolation, the scaling functions of two-dimensional tensor product BSWI are employed to construct the transverse displacements field. The method combines the accuracy of B-spline functions approximation and various basis functions for structural analysis. Some numerical examples are studied to demonstrate the proposed method and the numerical results presented are in good agreement with the solutions of other methods.
The high precision analysis by the p-version of the finite element method are fairly well established as highly efficient method for linear elastic problems, especially in the presence of stress singularity. It has been noted that the merits of p-version are accuracy, modeling simplicity, robustness, and savings in user's and CPU time. However, little has been done to exploit their benefits in elasto-plastic analysis. In this paper, the p-version finite element model is proposed for the materially nonlinear analysis that is based on the incremental theory of plasticity, the associated flow rule, and von-Mises yield criteria. To obtain the solution of nonlinear equation, the Newton-Raphson method and initial stiffness method, etc are used. Several numerical examples are tested with the help of the square plates with cutout, the thick-walled cylinder under internal pressure, and the center cracked plate under tensile loading. Those results are compared with the there cal solutions and the numerical solutions of ADINA software.
The stress intensity factors have been widely used in numerical studies of crack growth direction. However in many cases, omissive terms of the series expansion are quantitatively significant, so we consider the computation of such terms. For this purpose, we used the finite element method with isometric quadratic quarter-point elements. For examples, infinite square plate with a slant crack subjected to a uniaxial load is analyzed. The numerical analysis were performed for the wide range of crack tip element lengths and inclined angles. The numerical results obtained are compared with the theoretical solutions. Also they were accurate and efficient.
In this study, railway plate girder bridges are modeled in detail for finite elements within 3-dimension and analyzed by SAP 2000N, a commercial finite element analysis tool. Especially, loads of trains gained by statistical averages of measured true loads of trains are used for analysis. When the loads are adapted, the numerical dynamic responses are very close to real measurements. Resonant speed areas by train types are evaluated from the results of numerical analyses by different driving speeds of trains. For dynamic numerical analysis of railway bridges, reasonable guides are also discussed.
For better estimation of elastic property of concrete composites, the effect of Interfacial Transition Zone (ITZ) has been found to be significant. Numerical concrete composites models have been introduced using Finite Element Method (FEM), where ITZ is modeled as a thin shell surrounding aggregate. Therefore, difficulties arise from the mesh generation. In this study, a numerical concrete composites model in 3D based on FEM and random unit cell method is proposed to calculate elastic modulus of concrete composites with ITZ. The validity of the model has been verified by comparing the calculated elastic modulus with those obtained from other analytical and numerical models.
Stainless steel wire mesh (SSWM) is an alternative material for strengthening of structural elements similar to fiber reinforced polymer (FRP). Finite element (FE) method based Numerical investigation for evaluation of axial strength of SSWM strengthened plain cement concrete (PCC) and reinforced cement concrete (RCC) columns is presented in this paper. PCC columns of 200 mm diameter with height 400 mm, 800 mm and 1200 mm and RCC columns of diameter 200 mm with height of 1200 mm with different number of SSWM wraps are considered for study. The effect of concrete grade, height of column and number of wraps on axial strength is studied using finite element based software ABAQUS. The results of numerical simulation are compared with experimental study and design guidelines specified by ACI 440.2R-08 and CNR-DT 200/2004. As per numerical analysis, an increase in axial capacity of 15.69% to 153.95% and 52.39% to 109.06% is observed for PCC and RCC columns respectively with different number of SSWM wraps.
Hajdo, Emina;Mejia-Nava, Rosa Adela;Imamovic, Ismar;Ibrahimbegovic, Adnan
Coupled systems mechanics
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제10권1호
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pp.79-102
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2021
In this paper we deal with instability problems of structures under nonconservative loading. It is shown that such class of problems should be analyzed in dynamics framework. Next to analytic solutions, provided for several simple problems, we show how to obtain the numerical solutions to more complex problems in efficient manner by using the finite element method. In particular, the numerical solution is obtained by using a modified Euler-Bernoulli beam finite element that includes the von Karman (virtual) strain in order to capture linearized instabilities (or Euler buckling). We next generalize the numerical solution to instability problems that include shear deformation by using the Timoshenko beam finite element. The proposed numerical beam models are validated against the corresponding analytic solutions.
The non-linear static analysis of reinforced concrete (RC) structures using the three-dimensional (3D) finite element method is a time-consuming and challenging task. Moreover, this type of analysis encounters numerical problems such as the lack of convergence of results in the stages of growth and propagation of cracks in the structure. The time integration analysis along with the mass scaling (MS) technique is usually used to overcome these limitations. Despite the use of this method in the 3D finite element analysis of RC structures, a comprehensive study has not been conducted so far to assess the effects of the MS method on the accuracy of results. This study aims to evaluate the accuracy of the MS method in the non-linear quasi-static finite element analysis of RC structures. To this aim, different types of RC structures were simulated using the finite element approach based on the implicit time integration method and the mass scaling technique. The influences of effective parameters of the MS method (i.e., the allowable values of increase in the mass of the RC structure, the relationship between the duration of the applied load and fundamental vibration period of the RC structure, and the pattern of applied loads) on the accuracy of the simulated results were investigated. The accuracy of numerical simulation results has been evaluated through comparison with existing experimental data. The results of this study show that the achievement of accurate structural responses in the implicit time integration analyses using the MS method involves the appropriate selection of the effective parameters of the MS method.
In this paper an electromechanically coupled isogeometric finite element is utilized to analyse Lamb wave excitation with piezoceramic actuators. An effective actuator design reduces the energy needed for Lamb wave excitation, which is beneficial if a structural health monitoring system should be applied for a structure. For a better understanding of the actuator behavior the piezoeceramics are studied both free and bonded at a structure. The numerical part of the analysis is performed utilizing isogeometric finite elements. To obtain the optimal performance for the numerical analysis the effect of k-refinement of the isogeometric element with respect to the convergence is studied and discussed. The optimal numerical setup with the best convergence rate is proposed and is validated with free piezoeceramic actuators. The validated model is then utilized to study the impact of actuator shape and adhesive bondline effect to the wave amplitude. The study shows that simplified analytical equations do not predict the optimal excitation frequencies for all piezoceramic designs accurately.
In this study the finite element method is utilized to predict the deflection and vibration characteristics of rectangular plates made of saturated porous functionally graded materials (PFGM) within the framework of the third order shear deformation plate theory. Material properties of PFGM plate are supposed to vary continuously along the thickness direction according to the power-law form and the porous plate is assumed of the form where pores are saturated with fluid. Various edge conditions of the plate are analyzed. The governing equations of motion are derived through energy method, using calculus of variations while the finite element model is derived based on the constitutive equation of the porous material. According to the numerical results, it is revealed that the proposed modeling and finite element approach can provide accurate deflection and frequency results of the PFGM plates as compared to the previously published results in literature. The detailed mathematical derivations are presented and numerical investigations are performed while the emphasis is placed on investigating the effect of the several parameters such as porosity volume fraction, material distribution profile, mode number and boundary conditions on the natural frequencies and deflection of the PFGM plates in detail. It is explicitly shown that the deflection and vibration behaviour of porous FGM plates are significantly influenced by these effects. Numerical results are presented to serve as benchmarks for future analyses of FGM plates with porosity phases.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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