The objective of numerical analysis is to devise and analyze efficient algorithms or numerical methods for equations arising in mathematical modeling for science and engineering. In this article, we present some recent topics in computational mathematics, specially in the finite element method and overview the development of the mixed finite element method in the context of second order elliptic and parabolic problems. Multiscale methods such as MsFEM, HMM, and VMsM are included.
In this study, finite elements addition and removal method by stress range is applied to optimize shapes in structures, without using classical and numerical optimization methods and search methods. The program based on this algorithm is developed and compared to theoritial results with considerable accuracy. Classical methods need mesh generation for finite element analysis for every iteration, the developed method needs updated mesh data such as coordinates of nodes, elements connectivity, and loads on nodes. And other tools of finite element analysis can be in use as a black box to interface with this program.
Despite a widely-held belief that the finite element method is the method for the solution of solid mechanics problems, which has for 30 years dissuaded solid mechanics scientists from paying any attention to the finite volume method, it is argued that finite volume methods can be a viable alternative. It is shown that it is simple to understand and implement, strongly conservative, memory efficient, and directly applicable to nonlinear problems. A number of examples are presented and, when available, comparison with finite element methods is made, showing that finite volume methods can be not only equal to, but outperform finite element methods for many applications.
It is usual that underground structures are constructed within multi-layered medium. In this paper, an efficient numerical model ling of multi-layered structural systems is studied using coupled analysis of finite elements and boundary elements. The finite elements are applied to the area in which the material nonlinearity is dominated, and the boundary elements are applied to the far field area where the nonlinearity is relatively weak. In the boundary element model 1 ins of the multi-layered medium, fundamental solutions are restricted. Thus, methods which can utilize existing Kelvin and Melan solution are sought for the interior multi-layered domain problem and semi infinite domain problem. Interior domain problem which has piecewise homogeneous layers is analyzed using boundary elements with Kelvin solution; by discretizing each homogeneous subregion and applying compatibility and equilibrium conditions between interfaces. Semi-infinite domain problem is analyzed using boundary elements with Melan solution, by superposing unit stiffness matrices which are obtained for each layer by enemy method. Each methodology is verified by comparing its results which the results from the finite element analysis and it is concluded that coupled analysis using boundary elements and finite elements can be reasonable and efficient if the superposition technique is applied for the multi-layered semi-infinite domain problems.
Vivar-Perez, Juan M.;Duczek, Sascha;Gabbert, Ulrich
Smart Structures and Systems
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제13권4호
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pp.587-614
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2014
In recent years the interest in online monitoring of lightweight structures with ultrasonic guided waves is steadily growing. Especially the aircraft industry is a driving force in the development of structural health monitoring (SHM) systems. In order to optimally design SHM systems powerful and efficient numerical simulation tools to predict the behaviour of ultrasonic elastic waves in thin-walled structures are required. It has been shown that in real industrial applications, such as airplane wings or fuselages, conventional linear and quadratic pure displacement finite elements commonly used to model ultrasonic elastic waves quickly reach their limits. The required mesh density, to obtain good quality solutions, results in enormous computational costs when solving the wave propagation problem in the time domain. To resolve this problem different possibilities are available. Analytical methods and higher order finite element method approaches (HO-FEM), like p-FEM, spectral elements, spectral analysis and isogeometric analysis, are among them. Although analytical approaches offer fast and accurate results, they are limited to rather simple geometries. On the other hand, the application of higher order finite element schemes is a computationally demanding task. The drawbacks of both methods can be circumvented if regions of complex geometry are modelled using a HO-FEM approach while the response of the remaining structure is computed utilizing an analytical approach. The objective of the paper is to present an efficient method to couple different HO-FEM schemes with an analytical description of an undisturbed region. Using this hybrid formulation the numerical effort can be drastically reduced. The functionality of the proposed scheme is demonstrated by studying the propagation of ultrasonic guided waves in plates, excited by a piezoelectric patch actuator. The actuator is modelled utilizing higher order coupled field finite elements, whereas the homogenous, isotropic plate is described analytically. The results of this "semi-analytical" approach highlight the opportunities to reduce the numerical effort if closed-form solutions are partially available.
This paper investigates the heat equation for domains subjected to an internal source with a sharp spatial gradient. The solution is first approximated using linear finite elements, and sufficiently small time-step sizes to yield stable simulations. The main area of interest is then in the ability to approximate the solution using Generalized Finite Elements, and again explore the time-step limitations required for stable simulations. Both high order elements, as well as elements with special enrichments are used to generate solutions. When compared to linear finite elements, the high order elements deliver better accuracy at a given level of mesh refinement, but do not offer an increase in critical time-step size. When special enrichment functions are used, the solution can be approximated accurately on very coarse meshes, while yielding solutions which are both accurate and computationally efficient. The major conclusion of interest is that the significantly larger element size yields larger allowable time-step sizes while still maintaining stability of the time-stepping algorithm.
The aim of this paper is to investigate stress analysis of semi-infinite soils consisting of two layers with twin rectangular tunnels under static loads. The region close to the ground surface and tunnel modelled within finite elements. In order to use a more realistic model, the far region is modelled within infinite elements. The material model of the layered soil is considered as elastic and isotropic. In the finite element solution of the problem, two dimensional (2D) plane solid elements are used with sixteen-nodes rectangular finite and eight-nodes infinite shapes. Finite and infinite elements are ordered to be suitable for the tunnel and the soils. The governing equations of the problem are obtained by using the virtual work principle. In the numerical process, the five-point Gauss rule is used for the calculation of the integrations. In order to validate using methods, comparison studies are performed. In the numerical results, the stress distributions of the two layered soils containing twin rectangular tunnels presented. In the presented results, effects of the location of the tunnels on the stress distributions along soil depth are obtained and discussed in detail. The obtained results show that the locations of the tunnels are very effective on the stress distribution on the soils.
Various transition elements are generally used for the effective analysis of a complicated mechanical structure. In this paper, a solid-to-beam transition finite element which connects a continuum element and a $c^1-continuity$ beam element each other is proposed. The shape functions of the transition finite elements, which a 8-noded hexahedral solid element fur 3D analysis and a 4-noded quadrilateral plane element fur 2D analysis are connected to a Euler's beam element, are explicitely formulated. In order to show the effectiveness and convergence characteristics of the proposed transition elements. numerical tests are performed for various examples and their results are compared with those obtained by other methods. As the result of this study. following conclusions are obtained: (1)The proposed transition finite elements show the monotonic convergence characteristics because of having used the compatible displacement folds. (2)As being used the transition element in the finite element analysis, the finite element modelings are more convenient and the analysis results are more accurate because of the formulation characteristies of the Euler's beam element.
Two methods were developed for analyzing problems with two adjacent sub-domains modeled by different kinds of elements in finite element method. Each sub-domain can be defined independently without the consideration of equivalent division with common nodes used for the interface. These two methods employ an individual interface to accomplish the compatibility. The MLSA method uses the moving least square approximation which is the basic formulation for Element Free Galerkin Method to formulate the interface. The displacement field assumed by this method does not pass through nodes on the common boundary. Therefore, nodes can be chosen freely for this method. The results show that the MLSA method has better approximation than traditional methods.
The finite element linear buckling analysis of folded plate structures using adaptive h-refinement methods is presented in this paper. The variable-node flat shell element used in this study possesses the drilling D.O.F. which, in addition to improvement of the element behavior, permits an easy connection to other elements with six degrees of freedom per node. The Box-typed structures can be analyzed using these developed flat shell elements. By introducing the variable node elements some difficulties associated with connecting the different layer patterns, which are common in the adaptive h-refinement on quadrilateral mesh, can be overcome. To obtain better stress field for the error estimation, the super-convergent patch recovery is used. The convergent buckling modes and the critical loads associated with these modes can be obtained.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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