In standard finite element algorithms, the local stability conditions are not accounted for in the formulation of the tangent stiffness matrix. As a result, the loss of the local stability is not adequately related to the onset of the global instability. The phenomenon typically arises with material-type localizations, such as shear bands and plastic hinges. This paper addresses the problem in the context of the planar, finite-strain, rate-independent, materially non-linear beam theory, although the proposed technology is in principle not limited to beam structures. A weak formulation of Reissner's finite-strain beam theory is first presented, where the pseudocurvature of the deformed axis is the only unknown function. We further derive the local stability conditions for the large deformation case, and suggest various possible combinations of the interpolation and numerical integration schemes that trigger the simultaneous loss of the local and global instabilities of a statically determined beam. For practical applications, we advice on a procedure that uses a special numerical integration rule, where interpolation nodes and integration points are equal in number, but not in locations, except for the point of the local instability, where the interpolation node and the integration point coalesce. Provided that the point of instability is an end-point of the beam-a condition often met in engineering practice-the procedure simplifies substantially; one of such algorithms uses the combination of the Lagrangian interpolation and Lobatto's integration. The present paper uses the Galerkin finite element discretization, but a conceptually similar technology could be extended to other discretization methods.
Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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2007.05a
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pp.1263-1267
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2007
A more complete two-dimensional vertical numerical model has been developed to describe the saltwater intrusion in an estuary. The model is based on the previous studies in order to obtain a better accuracy. The non-linear terms of the governing equations are analyzed and the $\sigma$-coordinate system is employed in the vertical direction with full transformation which is recently issued in several studies because numerical errors can be generated during the coordinate transformation of the diffusion term. The advection terms of the governing equations are discretized by an upwind scheme in second-order of accuracy. By employing an explicit scheme for the longitudinal direction and an implicit scheme for the vertical direction, the numerical model is free from the restriction of temporal step size caused by a relatively small grid ratio. In previous researches, some terms induced from the transformation have been intentionally excluded since they are asked the complicate discretization of the numerical model. However, the lack of these terms introduces significant errors during the numerical simulation of scalar transport problems, such as saltwater intrusion and sediment transport in an estuary. The numerical accuracy attributable to the full transformation is verified by comparing results with a previous model in a simply sloped topography. The numerical model is applied to the Han River estuary. Very reasonable agreements for salinity intrusion are observed.
In this study, the numerical model developed by Hong et al.(2008) was improved to be applied to rapidly varying flows such as the inundation of dry land or flow transitions due to large gradients of the bathymetry. A numerical approximation was applied that was consistent with the conservation of momentum in flow expansions and with the Bernoulli equation in flow contractions. The approximation was second order, but the accuracy reduced to first order near extreme values by the use of a minmod limiter. The modified model was verified by acomparison with the theoretical critical depth of weir, and for sufficiently smooth conditions and a fine grid size, both approximations converged to the same solution. In terms of the grid size, it was more effective at obtaining solutions than the previous model and reproduced the inundation of dry land.
In this study, the shock wave focusing of an elliptic reflector is numerically simulated by solving the Euler equations. The numerical method is the second order upwind TVD scheme with a finite volume discretization. For the verification of the present method, we simulate the moving shock wave passing through a two-dimensional corner. The computed isopycnics are compared with the earlier experiment. Numerical results of the elliptic reflectors show that the density and pressure at the focusing point increase linearly as the aspect ratio of the reflector becomes deep. On the other hand, the gas dynamic focal length decreased with the increase of the reflector aspect ratio.
According to our previous study, it is confirmed that the Petrov-Galerkin natural element method (PGNEM) completely resolves the numerical integration inaccuracy in the conventional Bubnov-Galerkin natural element method (BG-NEM). This paper is an extension of PG-NEM to two-dimensional nonlinear dynamic problem. For the analysis, a constant average acceleration method and a linearized total Lagrangian formulation is introduced with the PG-NEM. At every time step, the grid points are updated and the shape functions are reproduced from the relocated nodal distribution. This process enables the PG-NEM to provide more accurate and robust approximations. The representative numerical experiments performed by the test Fortran program, and the numerical results confirmed that the PG-NEM effectively and accurately approximates the nonlinear dynamic problem.
In this paper, incompressible two-dimensional Navier-Stokes equations are numerically solved for the study of steady laminar flow around a body with the wall effect. A second-order finite difference method is used for the spatial discretization on the nonstaggered grid system and the 4-stage Runge-Kutta scheme for the numerical integration in time. The pressure field is obtained by solving the pressure-Poisson equation with the Neumann boundary condition. To investigate the wall effect, numerical computations are carried out for the NACA 0012 section at the various blockage ratios. The pressure and skin friction on the foil surface, velocity pronto in its wake and drag coefficient are investigated as functions of the blockage ratio.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.21
no.3
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pp.236-245
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1997
The flow characteristics of developing turbulent steady flow are investigated numerically and experimentally in the entrance region of a square duct ($40 mm{\times}40 mm$ and 4, 000 mm). The numerical anaysis are incorporated by finite- volume discretization with staggered grid system and SIMPLE algorithm. The numerical solution are compared with experimental results of mean velocity profiles, turbulence intensity and entrance length. For turbulent steady flow, the turbulent components in the velocity waveforms increase as the dimensionless transverse position approaches the wall. Thrbulence intensity increases as the dimensionless transverse position increases from the center to the wall of the duct for the developing turbulent steady flows. The entrance length of the turbulent steady flow is about 40 times as large as the hydraulic diameter under the present experimental condition.
A methodology on application of the discrete singular convolution (DSC) technique to the free vibration analysis of thin plates with curvilinear quadrilateral platforms is developed. In the proposed approach, irregular physical domain is transformed into a rectangular domain by using geometric coordinate transformation. The DSC procedures are then applied to discretization of the transformed set of governing equations and boundary conditions. For demonstration of the accuracy and convergence of the method, some numerical examples are provided on plates with different geometry such as elliptic, trapezoidal having straight and parabolic sides, sectorial, annular sectorial, and plates with four curved edges. The results obtained by the DSC method are compared with those obtained by other numerical and analytical methods. The method is suitable for the problem considered due to its generality, simplicity, and potential for further development.
A detailed finite element modeling is presented for the simulation of the nonlinear behavior of reinforced concrete structures which manages to predict the nonlinear behavior of four different experimental setups with computational efficiency, robustness and accuracy. The proposed modeling method uses 8-node hexahedral isoparametric elements for the discretization of concrete. Steel rebars may have any orientation inside the solid concrete elements allowing the simulation of longitudinal as well as transverse reinforcement. Concrete cracking is treated with the smeared crack approach, while steel reinforcement is modeled with the natural beam-column flexibility-based element that takes into consideration shear and bending stiffness. The performance of the proposed modeling is demonstrated by comparing the numerical predictions with existing experimental and numerical results in the literature as well as with those of a commercial code. The results show that the proposed refined simulation predicts accurately the nonlinear inelastic behavior of reinforced concrete structures achieving numerical robustness and computational efficiency.
Increasingly numerical (finite element) modeling of concrete hinges on our ability to develop a representative volume element with all its heterogeneity properly discretized. Yet, despite all the sophistication of the ensuing numerical models, the initial discretization has been for the most part simplistic. Whenever the heterogeneity of the concrete is to be accounted for, a mesh is often manually crafted through the arbitrary inclusion of the particles (aggregates and/or voids) in an ad-hoc manner. This paper develops a mathematical strategy to precisely address this limitation. Algorithms for the random generation and placement of elliptical (2D) or ellipsoid (3D) inclusions, with possibly radiating cracks, in a virtual concrete model are presented. Collision detection algorithms are extensively used.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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