• Structural Engineering and Mechanics
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• 제2권1호
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• pp.17-34
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• 1994

This paper proposes a new four node degenerated shell element. In the formulation of the new element, the assumed covariant shear strains are used to avoid the shear locking problem, and the assumed covariant membrane strains are applied to alleviate the membrane locking problem and also to improve the membrane bending performance. The assumed covariant strains are obtained from the covariant strain field defined with respect to the element natural coordinate system. This formulation enables us to obtain a shell element, which does not produce spurious singular modes, avoids locking phenomena, and excels in calculation efficiency. Several examples in this paper indicate that, despite its simplicity, the achieved accuracy and convergence are satisfactory.

• 대한토목학회논문집
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• 제11권3호
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• pp.1-10
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• 1991

본 논문에서는 개선된 감절점(degenerated) 쉘 유한요소의 복합적충을 갖는 쉘구조에의 적용성을 고찰하였다. 본 논문의 개선된 쉘 요소는 shear locking 해결에 우수한 결과를 보인 가정된 전단변형도를 대치사용하고, membrane locking 현상을 제거하기 위해 평면내 변형도의 구성시 감차적분을 행하며, 쉘요소 자체의 거동을 보완하기 위해 비적합변위형을 선택적으로 추가하였다. 본 요소는 shear/membrane locking이 발생하지 않으며, 전달가능한 거짓 영에너지모드도 나타나지 않는다. 유한변형을 고려한 기하학적 비선형 방정식을 total Lagrangian 수식화를 시용하여 정형화 하였고, 비선형 수치해석은 Newton-Raphson 반복법으로 반복 계산한다. 여러 예제해석을 통하여 본 개선된 쉘 유한요소의 유용성과 정확도를 고찰하였다.

• 한국전산구조공학회논문집
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• 제13권4호
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• pp.449-459
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• 2000

기존의 Mindlin이론을 바탕으로 한 감절점 쉘 요소는 두께가 두꺼운 쉘 구조를 해석할 경우 매우 좋은 결과가 얻어지는 것으로 알려져 있다. 그러나 두께가 얇은 쉘의 경우 전단구속 및 막구속 현상으로 인해 요소의 강성이 과대하게 평가되는 것으로 나타났다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 서로 다른 두 가지 막 및 전단 구속 해결방법을 조합하여 쉘 요소에 적용하였다. 첫 번째 요소는 전단 변형률에 가정된 전단변형률을 적용하였고, 막 변형률에는 감차적분법을 적용하였다. 두 번째 요소의 경우, 막 변형률과 전단 변형률 모두에 가정된 전단 변형률을 적용하여 쉘 구조해석을 수행하였다. 여러 가지 수치 해석을 수행한 결과, 두 가지 쉘 요소가 빠른 수렴성을 가지고 있는 것으로 나타났으며, 막 구속과 전단 구속 현상이 제거된 것을 나타났다.

• 대한기계학회논문집
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• 제17권10호
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• pp.2535-2542
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• 1993

Two-noded curved beam elements, CMLC (field-consistent membrane and linear curvature) and IMLC(field-inconsistent membrane and linear curvature) are developed on the basis of Timoshenko's beam theory and curvilinear coordinate. The curved beam element is developed by the separation of the radial deflection into the bending deflection. In the CMLC element, field-consistent axial strain interpolation is adapted for removing the membrane locking. The CMLC element shows the rapid and stable convergence on the wide range of curved beam radius to thickness. The field-consistent axial strain and the separation of radial deformation produces the most efficient linear element possible.

• 전산구조공학
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• 제3권1호
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• pp.97-107
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• 1990

본 연구에서는 쉘구조물의 해석을 위한 개선된 degenerated 쉘유한요소를 제시하였다. 본 연구의 개선된 degenerated 쉘요소는 shear locking 해결에 우수한 결과를 보인 가정된 전단변형도를 사용하고, membrane locking 현상을 제거하기 위해 평면내 변형도의 구성시 감차적분을 행하며, 쉘요소자체의 거동을 보완하기위해 비적합 변위형을 선택적으로 추가하였다. 본 요소는 기존 degenerated 요소계열에서 가장 큰 문제점중의 하나인 locking 현상과 전달가능한 거짓영에너지모드가 발생하지 않으며, 조각시험도 통과한다. 본 개선된 쉘요소의 거동을 알아보기위해 다수의 예제시험을 행하였다. 수치시험결과 본 요소는 빠른 수렴성과 안정성을 보여준다.

• Structural Engineering and Mechanics
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• 제5권6호
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• pp.853-865
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• 1997

The design of robust plate and shell elements has been a very challenging area for several decades. The main difficulty has been the shear locking phenomenon in plate elements and the shear and membrane locking phenomena together in the shell elements. Among the various artifices or devices which are used to develop elements free of these problems is the field-consistency approach. In this paper this approach is reviewed, It turns out that not only Mindlin type elements but also elements based on higher-order theories could be developed using the technique.

• 전산구조공학
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• 제3권3호
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• pp.113-123
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• 1990

본 연구에서는 개선된 degenerated 쉘 유한요소의 탄소성 및 기하학적 비선형 해석에의 적용성을 고찰하였다. 본 연구의 개선된 degenerated 쉘요소는 shear locking 해결에 우수한 결과를 보인 가정된 전단변형도를 대치사용하고, membrance locking 현상을 제거하기위해 평면내 변형도의 구성시 감차적분을 행하며, 쉘요소 자체의 거동을 보완하기위해 비적합변위형을 선택적으로 추가하였다. 본 요소는 shear/membrance locking이 발생하지 않으며, 전달가능한 거짓 영에너지모드도 나타나지않는다. 소성변형 정형화에서는 적층모델을 사용하며, 재료는 von Mises항복조건을 따른다고 가정한다. 유한변형을 고려한 기하학적 비선형 방정식을 total lagrangian수식화를 사용하여 정형화 하였고, 비선형 방정식은 하중제어 및 변위제어법을 사용한 Newton-Raphson 반복법으로 반복 계산한다. 여러 예제해석을 통하여 본 개선된 degenerated 쉘 유한요소의 정확도를 고찰하였다.

• Structural Engineering and Mechanics
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• 제8권2호
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• pp.207-231
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• 1999

A versatile 4-node shell element which is useful for the analysis of arbitrary shell structures is presented. The element is developed by flat shell approach, i.e., by combining a membrane element with a Mindlin plate element. The proposed element has six degrees of freedom per node and permits an easy connection to other types of finite elements. In the plate bending part, an improved Mindlin plate has been established by the combined use of the addition of non-conforming displacement modes (N) and the substitute shear strain fields (S). In the membrane part, the nonconforming displacement modes are also added to the displacement fields to improve the behavior of membrane element with drilling degrees of freedom and the modified numerical integration (M) is used to overcome the membrane locking problem. Thus the element is designated as NMS-4F. The rigid link correction technique is adopted to consider the effect of out-of-plane warping. The shell element proposed herein passes the patch tests, does not show any spurious mechanism and does not produce shear and membrane locking phenomena. It is shown that the element produces reliable solutions even for the distorted meshes through the analysis of benchmark problems.

• Structural Engineering and Mechanics
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• 제14권5호
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• pp.595-610
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• 2002

This paper presents an efficiency of various non-conforming (NC) modes in development of a series of new finite elements with the special emphasis on 4-node quadrilateral elements. The NC modes have been used as a key scheme to improve the behaviors of various types of new finite elements, i.e., Mindlin plate bending elements, membrane elements with drilling degrees of freedom, flat shell elements. The NC modes are classified into three groups according to the 'correction constants' of 'Direct Modification Method'. The first group is 'basic NC modes', which have been widely used by a number of researchers in the finite element communities. The basic NC modes are effective to improve the behaviors of regular shaped elements. The second group is 'hierarchical NC modes' which improve the behaviors of distorted elements effectively. The last group is 'higher order NC modes' which improve the behaviors of plate-bending elements. When the basic NC modes are combined with hierarchical or higher order NC modes, the elements become insensitive to mesh distortions. When the membrane component of a flat shell has 'hierarchical NC modes', the membrane locking can be suppressed. A number of numerical tests are carried out to show the positive effect of aforementioned various NC modes incorporated into various types of finite elements.

• Computers and Concrete
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• 제31권3호
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• pp.223-239
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• 2023

Geometric nonlinear performance simulation and analysis of complex modern buildings and industrial products require high-performance shell elements. Balancing multiple aspects of performance in the one geometric nonlinear analysis element remains challenging. We present a new shell element, flat shell DKMGQ-CR (Co-rotational Discrete Kirchhoff-Mindlin Generalized Conforming Quadrilateral), for linear and geometric nonlinear analysis of both thick and thin shells. The DKMGQ-CR shell element was developed by combining the advantages of high-performance membrane and plate elements in a unified coordinate system and introducing the co-rotational formulation to adapt to large deformation analysis. The effectiveness of linear and geometric nonlinear analysis by DKMGQ-CR is verified through the tests of several classical numerical benchmarks. The computational results show that the proposed new element adapts to mesh distortion and effectively alleviates shear and membrane locking problems in linear and geometric nonlinear analysis. Furthermore, the DKMGQ-CR demonstrates high performance in analyzing thick and thin shells. The proposed element DKMGQ-CR is expected to provide an accurate, efficient, and convenient tool for the geometric nonlinear analysis of shells.