Aatef D. Hobiny;Ibrahim A. Abbas;C Alaa A. El-Bary
Steel and Composite Structures
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제48권6호
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pp.641-648
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2023
In this article, we explore the issue concerning semiconductors half-space comprised of materials with varying thermal conductivity. The problem is within the framework of the generalized thermoelastic model under one thermal relaxation time. The half-boundary space's plane is considered to be traction free and is subjected to a thermal shock. The material is supposed to have a temperature-dependent thermal conductivity. The numerical solutions to the problem are achieved using the finite element approach. To find the analytical solution to the linear problem, the eigenvalue approach is used with the Laplace transform. Neglecting the new parameter allows for comparisons between numerical findings and analytical solutions. This facilitates an examination of the physical quantities in the numerical solutions, ensuring the accuracy of the proposed approach.
The static analysis of structures with arbitrary cross-section geometry and material lamination via a refined one-dimensional (1D) approach is presented in this paper. Higher-order 1D models with a variable order of expansion for the displacement field are developed on the basis of Carrera Unified Formulation (CUF). Classical Euler-Bernoulli and Timoshenko beam theories are obtained as particular cases of the first-order model. Numerical results of displacement, strain and stress are provided by using the finite element method (FEM) along the longitudinal direction for different configurations in excellent agreement with three-dimensional (3D) finite element solutions. In particular, a layered thin-walled cylinder is considered as first assessment with a laminated conventional cross-section. An atherosclerotic plaque is introduced as a typical structure with arbitrary cross-section geometry and studied for both the homogeneous and nonhomogeneous material cases through the 1D variable kinematic models. The analyses highlight limitations of classical beam theories and the importance of higher-order terms in accurately detecting in-plane cross-section deformation without introducing additional numerical problems. Comparisons with 3D finite element solutions prove that 1D CUF provides remarkable three-dimensional accuracy in the analysis of even short and nonhomogeneous structures with arbitrary geometry through a significant reduction in computational cost.
The spectral element model is known to provide very accurate structural dynamic characteristics, while reducing the number of degree-of-freedom to resolve the computational and cost problems. Thus, the spectral element model with variational method for an axially moving Bernoulli-Euler beam subjected to axial tension is developed in the present paper. The high accuracy of the spectral element model is the verified by comparing its solutions with the conventional finite element solutions and exact analytical solutions. The effects of the moving speed and axial tension the vibration characteristics, wave characteristics, and the static and dynamic stabilities of a moving beam are investigated.
스펙트럴요소법 (SEM)은 계산되는 행렬의 크기를 줄여 비용과 시간을 절감하면서 구조물의 동역학적 특성을 정확하게 알 수 있는 해석법이다. 본 연구에서는 변분법을 이용하여 양단에서 축 방향으로 장력을 받으며 같은 방향으로 이동하는 현을 스펙트럴요소법 (SEM) 을 이용하여 해석하였다. 또 결과의 정확도를 비교하기 위하여 스펙트럴요소법 (SEM)과 유한요소법 (FEM)과 엄밀해를 비교하였다. 그리고 현이 움직이는 속도와 양단에 작용하는 장력이 진동특성, 파동특성 그리고 정, 동적 안정성에 어떤 영향을 미치는지 연구하였다.
Three-dimensional rigid-plastic finite element formulation based on the membrane theory was described and a computer program for large deformation analysis was developed. In the formulation, normal and planar anisotropy of sheet material and rotation of the principal axes of anisotropy was taken into consideration. Sheet metal was assumed to be rigid-plastic material obeying Hill's quadratic yield criterion and its associated flow rule. Deep drawing process, as a preliminary test, for normal anisotropic material was analyzed in order to examine the validity of developed finite element program. The results were consistent with the existing finite element solutions or experimental data. The present study was mainly concerned with the influence of planar anisotropy on deformation behaviour. Finite element analysis and experiment were carried out for the whole process of deep drawing of planar anisotropic material. The computational and experimental results on the shape of ear, strain distribution and punch load were in good agreement.
본 연구에서는 완경사 방정식을 이용한 유한요소모형에서 경사 경계면을 효율적으로 처리할 수 있는 수치기법을 소개하였다. 유한요소법은 다른 수치기법과 다르게 불규칙한 지형에도 적용이 가능하다는 장점을 가지고 있어 복잡한 지형 형태를 갖는 연안에서 발생하는 수리현상을 해석하기 위하여 빈번히 사용되었다. 그러나 유한요소모형에 사용된 지배방정식이 타원형 미분방정식인 경우에는 연직방향으로 경사진 경계면에서의 경계처리가 쉽지 않다는 단점이 있다. 본 연구에서는 Bessel 함수를 이용하여 경사진 경계면을 처리하는 방법을 소개하고 얻어진 결과를 해석해와 비교하였다.
When a crack meets bimaterial interface stress singularity depends on the elastic constants of the adjacent materials. In the present study we are going to describe the finite element formulation for problems with a crack to be embedded in the stiffer material$({\mu}_2/{\mu}_1)$. The cubic isoparametric singular element, represented by adequately shifting the mid-side nodes adjacent to the crack tip is constructed to enclose the crack tip. An alternative method to obtain the optimal position of the mid-side nodes of cubic isoparametric elements is presented. In addition, a proper definition for the stress intensity factors of a crack normal to bimaterial interface is provided. It is based upon near a tip displacement solutions. Models for numerical analysis are two dimensional elastic bodies with a through crack under plain strain. The results obtained are compared with the previous solutions.
An effective approach for updating finite element model is presented which can provide reliable estimates for structural updating parameters from identified operational modal data. On the basis of the dynamic perturbation method, an exact relationship between the perturbation of structural parameters such as stiffness change and the modal properties of the tested structure is developed. An iterative solution procedure is then provided to solve for the structural updating parameters that characterise the modifications of structural parameters at element level, giving optimised solutions in the least squares sense without requiring an optimisation method. A regularization algorithm based on the Tikhonov solution incorporating the generalised cross-validation method is employed to reduce the influence of measurement errors in vibration modal data and then to produce stable and reasonable solutions for the structural updating parameters. The Canton Tower benchmark problem established by the Hong Kong Polytechnic University is employed to demonstrate the effectiveness and applicability of the proposed model updating technique. The results from the benchmark problem studies show that the proposed technique can successfully adjust the reduced finite element model of the structure using only limited number of frequencies identified from the recorded ambient vibration measurements.
좁은 슬롯을 포함한 디스크 브레이크 로터의 소음 방사특성을 전산해석과 이론적 계산을 합성한 방법으로 검토하였다. 첫 단계로 로터와 기본 치수가 동일하고 동일한 슬롯을 보유한 후판 환형 디스크의 소음방사 특성을 유한요소해석을 구한 모달 진동 데이터를 바탕으로 기존의 해법을 이용하여 계산하고 수치해석결과로 검증하였다. 다음으로 이 결과를 유한요소해석으로 구한 샘플 로터의 고유진동 특성에 적용, 고유진동으로 인한 소음방사를 계산한 다음 그 결과를 경계요소법을 이용하여 검증하였다. 마지막으로 이 결과를 바탕으로 로터에 고정된 조화가진 및 로터 주위를 회전하는 조화력에 의해 방사되는 소음 및 진동 특성을 검토하였다.
Using the concept of quasi-static decomposition and using three-noded isoparametric locking-free element, this article presents a formulation of the finite element method for Timoshenko beam subjected to spatially different time-dependent motions at supports. To verify the validity of the formulation, three fixed-hinged beams excited by the real seismic motions are examined; one is a slender beam, another is a stocky one, and the other is an intermediate one. The numerical results of time histories of motions of the three beams are compared with corresponding analytical solutions. The internal loads such as bending moment and shearing force at a specific time are also compared with analytic solutions. These comparisons show good agreements. The comparisons between static components of the internal loads and the corresponding total internal loads show that the static components predominate in the stocky beam, whereas the dynamic components predominate in the slender one. Thus, the total internal loads of the stocky beam, which is governed by static components, can be predicted simply by static analysis. Careful numerical experiments indicate that the fundamental frequency of a beam can be used as a parameter identifying such a stocky beam.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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