This paper presents the derivation of the generalized governing equations in theory of elasticity, their weak forms and the some applications in the numerical analysis of structural mechanics. Unlike the differential equations in classical elasticity theory, the generalized equations of the equilibrium and compatibility equations presented here take the form of integral equations, and the generalized equilibrium equations contain the classical differential equations and the boundary conditions in a single equation. By using appropriate test functions, the weak forms of these generalized governing equations can be established. It can be shown that various variational principles in structural analysis are merely the special cases of these weak forms of generalized governing equations in elasticity. The present weak forms of elasticity equations extend greatly the choices of the trial functions for approximate solutions in the numerical analysis of various engineering problems. Therefore, the weak forms of generalized governing equations in elasticity provide a powerful modeling tool in the computational structural mechanics.
A generalized finite difference method for solving solid mechanics problems such as elasticity and crack problems is presented. The method is constructed in framework of Taylor polynomial based on the Moving Least Squares method and collocation scheme based on the diffuse derivative approximation. The governing equations are discretized into the difference equations and the nodal solutions are obtained by solving the system of equations. Numerical examples successfully demonstrate the robustness and efficiency of the proposed method.
Dynamic behaviors are analyzed for a flexble spinning disk with angular acceleration, considering geometric nonlinearity. Based upon the Kirchhoff plate theory and the von Karman strain theory, the nonlinear governing equations are derived which are coupled equations with the in-plane and out-of-planedisplacements. The governing equations are discretized by using the Galerkin approximation. With the discretized nonlinear equations, the time responses are computed by using the generalized-$\alpha$ method and the Newton-Raphson method. The analysis shows that the existence of angular acceleration increases the displacements of the spinning disk and makes the disk unstable.
The propagation of plane waves in a linear, homogeneous and isotropic nonlocal generalized thermoelastic solid medium is considered in the framework of Lord and Shulman generalization. The governing field equations are formulated and specialized in a plane. Plane wave solutions of governing equations show that there exists three plane waves, namely, P, thermal and SV waves which propagate with distinct speeds. Reflection of P and SV waves from thermally insulated or isothermal boundary of a half-space is considered. The relevant boundary conditions are applied at stress free boundary and a non-homogeneous system of three equations in reflection coefficients is obtained. For incidence of both P and SV waves, the expressions for energy ratios of reflected P, thermal and SV waves are also obtained. The speeds and energy ratios of reflected waves are computed for relevant physical constants of a thermoelastic material. The speeds of plane waves are plotted against nonlocal parameter and frequency. The energy ratios of reflected waves are also plotted against the angle of incidence of P wave at a thermally insulated stress-free surface. The effect of nonlocal parameter is shown graphically on the speeds and energy ratios of reflected waves.
The Jacobian matrix of the equations of motion of a system using velocity transformation technique is derived via variation methods to apply the implicit integration algorithm, DASSL. The concept of generalized coordinate partitioning is used to parameterize the constraint set with independent generalized coordinates. DASSL is applied to determine independent generalized coordinates and velocities. Dependent generalized coordinates, velocities, accelerations and Lagrange multipliers are explicitly retained in the formulation to satisfy all of the governing kinematic and dynamic equations. The derived Jacobian matrix of a system is proved to be valid and accurate both analytically and through solution of numerical examples.
In an insulating dielectric liquid such as transformer oil, space charge injection and propagation were analyzed under the Fowler-Nordheim and Richardson-Dushman's thermal emission charge injection conditions for blade-plane electrodes stressed by a step voltage. The governing equations were composed of all five equations such as the Poisson's equation for electric fields, three continuity equations for electrons, negative, and positive ions, and energy balanced equation for temperature distributions. The governing equations for each carrier, the continuity equations, belong to the hyperbolic-type PDE of which the solution has a step change at the space charge front resulting in numerical instabilities. To decrease these instabilities, the governing equations were solved simultaneously by the Finite Element Method (FEM) employing the artificial diffusion scheme as a stabilization technique. Additionally, the terminal current was calculated by using the generalized energy method which is based on the Poynting's theorem, and represents more reliable and stable approach for evaluating discharge current. To verify the proposed method, the discharge phenomena were successfully applied to the blade~plane electrodes, where the radius of blade cap was $50{\mu}m$.
This paper deals with a novel application of the Generalized Differential Quadrature (G.D.Q.) method to the linear elastic static analysis of isotropic rotational shells. The governing equations of equilibrium, in terms of stress resultants and couples, are those from Reissner-Mindlin shear deformation shell theory. These equations, written in terms of internal-resultants circular harmonic amplitudes, are first put into generalized displacements form, by use of the strain-displacements relationships and the constitutive equations. The resulting systems are solved by means of the G.D.Q. technique with favourable precision, leading to accurate stress patterns.
The governing equations in generalized curvilinear coordinates for 3D laminar flow are the Incompressible Navier-Stokes (INS) equations with the artificial dissipative terms. and continuity equation discretized using a second-order accurate, finite volume method on the nonstaggered computational grid. This method adopts a dual or pseudo time-stepping Artificial Compressibility (AC) method integrated in pseudo-time. Multigrid methods are also applied because solving the equations on the coarse grids requires much less computational effort per iteration than on the fine grid. The algorithm yields practically identical velocity profiles and secondary flows that are in excellent overall agreement with an experimental measurement (Humphrey et al., 1977).
Hosseini, Seyed Amin;Abolbashari, Mohammad Hossein;Hosseini, Seyed Mahmoud
Structural Engineering and Mechanics
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제60권3호
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pp.529-545
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2016
In this article, the generalized coupled non-Fickian diffusion-thermoelasticity analysis is carried out using an analytical method. The transient behaviors of field variables, including mass concentration, temperature and displacement are studied in a strip, which is subjected to shock loading. The governing equations are derived using generalized coupled non-Fickian diffusion-thermoelasticity theory, which is based on Lord-Shulman theory of coupled thermoelasticity. The governing equations are transferred to the frequency domain using Laplace transform technique and then the field variables are obtained in analytical forms using the presented method. The field variables are eventually determined in time domain by employing the Talbot technique. The dynamic behaviors of mass concentration, temperature and displacement are studied in details. It is concluded that the presented analytical method has a high capability for simulating the wave propagation with finite speed in mass concentration field as well as for tracking thermoelastic waves. Furthermore, the obtained results are more realistic than that of others.
In the present work generalized thermoelasticity of a piezoelectric layer is analysed under various shock loading conditions. The generalized thermoelasticity is based on the Lord-Shulman model. The governing equations are solved in the space domain using the finite element method and for solving the equations in the time domain the Newmark method is used. Two kinds of shock loading, temperature shock, and stress shock loading are considered. The results are compared with same results presented in other works and a very close agreement is observed. Finally, the results for each loading condition are presented in various locations and times.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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