In this study, an accurate 2-noded hybrid-mixed element for continuous fiber-reinforced laminated beams is newly proposed. The present element including the effect of shear deformation is based on Hellinger-Reissner variational principle, and introduces additional consistent node less degrees for displacement field interpolation in order to enhance the numerical performance. The micromechanical and lamination theory are employed in the finite element description to consider the effects of the laminate stacking sequences, material orthotropy, and fiber volume fraction, etc. The element stiffness matrix can be explicitly derived through the stationary condition and static condensation using Mathematica program. Several numerical examples confirm the accuracy of the present hybrid-mixed element and also show in detail the effects of the continuous fiber volume fraction, stacking sequences and boundary condition on the bending behavior of laminated beams.
In this study, an alternative solution procedure presented by using variational methods for analysis of shear deformable functionally graded material (FGM) beams with mixed formulation. By using the advantages of $G{\hat{a}}teaux$ differential approaches, a refined complex general functional and boundary conditions which comprises seven independent variables such as displacement, rotation, bending moment and higher-order bending moment, shear force and higher-order shear force, is derived for general thick-thin FGM beams via shear deformation beam theories. The mixed-finite element method (FEM) is employed to obtain a beam element which have a 2-nodes and total fourteen degrees-of-freedoms. A computer program is written to execute the analyses for the present study. The numerical results of analyses obtained for different boundary conditions are presented and compared with results available in the literature.
A weak-form formulation of finite annular prism methods (FAPM) based on Reissner's mixed variational theorem (RMVT), is developed for the quasi three-dimensional (3D) static analysis of two-directional functionally graded (FG) circular plates with various boundary conditions and under mechanical loads. The material properties of the circular plate are assumed to obey either a two-directional power-law distribution of the volume fractions of the constituents through the radial-thickness surface or an exponential function distribution varying doubly exponentially through it. These FAPM solutions of the loaded FG circular plates with both simply-supported and clamped edges are in excellent agreement with the solutions obtained using the 3D analytical approach and two-dimensional advanced plate theories available in the literature.
Based on Reissner's mixed variational theorem (RMVT), the authors develop a semi-analytical finite element (FE) method for a three-dimensional (3D) bending analysis of nonhomogeneous orthotropic, complete and incomplete toroidal shells subjected to uniformly-distributed loads. In this formulation, the toroidal shell is divided into several finite annular prisms (FAPs) with quadrilateral cross-sections, where trigonometric functions and serendipity polynomials are used to interpolate the circumferential direction and meridian-radial surface variations in the primary field variables of each individual prism, respectively. The material properties of the toroidal shell are considered to be nonhomogeneous orthotropic over the meridianradial surface, such that homogeneous isotropic toroidal shells, laminated cross-ply toroidal shells, and single- and bi-directional functionally graded toroidal shells can be included as special cases in this work. Implementation of the current FAP methods shows that their solutions converge rapidly, and the convergent FAP solutions closely agree with the 3D elasticity solutions available in the literature.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.27
no.3
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pp.173-182
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2014
The mixed convolved action principle provides a new rigorous weak variational formalism for a broad range of initial boundary value problems in mathematical physics and mechanics in terms of mixed formulation, convolution, and fractional calculus. In this paper, its potential in the development of numerical methods for transient problems in various dynamical systems when adopting temporally second order approximation is investigated. For this, the classical single-degree-of-freedom linear elastic dynamical systems are primarily considered to investigate computational characteristics of the developed algorithms. For the undamped system, all the developed algorithms are symplectic with respect to the time step. For the damped system, they are shown to be accurate with good convergence characteristics.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.15
no.5
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pp.120-127
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1998
Differential inequalities occurring in problems of obstacle contact problems are recast into variational inequalities and analyzed by finite element methods. A new a posteriori error estimator, which is essential in adaptive finite element method, is introduced to capture the errors in finite element approximations of these variational inequalities. In order to construct a posteriori error estimates, saddle point problems are introduced using Lagrange parameters and upper bounds are provided. The global upper bound is localized by a special mixed formulation, which leads to upper bounds of the element errors. A numerical experiment is performed on an obstacle contact problem to check the effectivity index both in a local and a global sense.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.19
no.4
s.74
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pp.407-418
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2006
In this paper, an efficient yet accurate stress analysis based on the first-order shear deformation theory (FSDT) is presented. The transverse shear strain energy is modified via the mixed variational theorem, so that the shear correction factors are automatically involved in the formulation. In the mixed variational formulation, the transverse stresses are taken to be functions subject to variations. The transverse shear stresses based on an efficient higher order plate theory (EHOPT, Cho and Parmerter, 1993) are utilized and modified, while the transverse normal stress is assumed to be the third-order polynomial of thickness coordinates, which satisfies both zero transverse shear stresses and prescribed surface fractions in top and bottom surfaces. On the other hand, the displacements are assumed to be those of the FSDT Resulting strain energy expressions are referred to as an EFSDTM3D that stands for an enhanced first-order shear deformation theory based on the mixed formulation for three dimensional elasticity, The developed EFSDTM3D preserves the computational advantage of the classical FSDT while allowing for important local through-the-thickness variations of displacements and stresses through the recovery procedure that is based on the least square minimization of in-plane stresses. Comparisons of displacements and stresses of both laminated and sandwich plates using the present theory are made with the classical FSDT, three-dimensional exact solutions, and available data in the literature.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.21
no.2
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pp.153-160
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2008
In this study, we propose a new three-node hybrid-mixed curved beam element with the relaxed-equiribrium stress functions for static analysis. The proposed element considering shear deformation is based on the Hellinger-Reissner variational principle. The stress functions are carefully chosen from three important considerations: (i) all the kinematic deformation modes must be suppressed, and (ii) the spurious constraints must be removed in the limiting behaviors via the field-consistency, and (iii) the relaxed equilibrium conditions could be incorporated because it might be impossible to select the stress functions and parameters to fully satisfy both the equiribrium conditions and the suppression of kinematic deformation modes in the three-node curved beam hybrid-mixed formulation. Numerical examples confirm the superior and stable behavior of the proposed element regardless of slenderness ratio and curvature. Besides, the proposed element shows the outstanding performance in predicting the stress resultant distributions.
In recent years there are many plate bending elements that emerged for solving both thin and thick plates. The main features of these elements are that they are based on mix formulation interpolation with discrete collocation constraints. These elements passed the patch test for mix formulation and performed well for linear analysis of thin and thick plates. In this paper a member of this family of elements, namely, the Discrete Reissner-Mindlin (DRM) is further extended and developed to analyze both thin and thick plates with geometric nonlinearity. The Von K$\acute{a}$rm$\acute{a}$n's large displacement plate theory based on Lagrangian coordinate system is used. The Hu-Washizu variational principle is employed to formulate the stiffness matrix of the geometrically Nonlinear Discrete Reissner-Mindlin (NDRM). An iterative-incremental procedure is implemented to solve the nonlinear equations. The element is then tested for plates with simply supported and clamped edges under uniformly distributed transverse loads. The results obtained using the geometrically NDRM element is then compared with the results of available analytical solutions. It has been observed that the NDRM results agreed well with the analytical solutions results. Therefore, it is concluded that the NDRM element is both reliable and efficient in analyzing thin and thick plates with geometric non-linearity.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.30
no.1
s.244
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pp.18-25
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2006
The purpose of this research work is to demonstrate a successful application of hybrid-mixed formulation and nodeless degrees of freedom in developing a very accurate in-plane curved beam element for free vibration analysis. To resolve the numerical difficulties due to the spurious constraints, the present element, based on the Hellinger-Reissner variational principle and considering the effect of shear deformation, employed consistent stress parameters corresponding to cubic displacement polynomials with additional nodeless degrees. The stress parameters were eliminated by the stationary condition, and the nodeless degrees were condensed by Guyan Reduction. Several numerical examples indicated that the property of the mass matrix as well as that of the stiffness matrix have a great effect on the numerical performance. The element with consistent mass matrix produced best results on convergence and accuracy in the numerical analysis of Eigenvalue problems. Also, the higher-order mixed curved beam element showed a superior numerical behavior for the free vibration analyses.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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