The objective of this study is to develop an efficient and accurate quadratic finite element model based on Streamline Upwind/Petrov Galerkin (SU/PG) scheme for analyzing and predicting two dimensional flow features in complex natural rivers. For a development of model, quadratic tin, quadrilateral and mixed elements as well as linear tin, quadrilateral and mixed elements were used in the model. Also, this model was developed through reinforcement of Gauss Quadrature which was necessary to integral of governing equation. Several tests for bottom-rising channel and U-type channel were performed for the purpose of validation and verification of the developed model. Such results showed that solutions of second order elements are better accurate and improved than those of linear elements. Results obtained by the developed model and RMA-2 model are compared, and the results for the developed model were better accurate than those of RMA-2 model. In the future if the developed model is applied in natural rivers, it can provide better accurate results than those of existing model.
In this paper, the classical Irons' patch tests which have been generally accepted for the convergence proof of a finite element are performed for Mindlin plate bending elements with a special emphasis on the nonconforming elements. The elements considered are 4-node and 8-node quadrilateral isoparametric elements which have been dominantly used for the analyses of plate bending problems. It was recognized from the patch tests that some nonconforming Mindlin plate elements pass all the cases of patch tests even though nonconforming elements do not preserve conformity. Then, the clues for the Mindlin plate element to pass the Irons' patch tests are investigated. Also, the convergent characteristics of some nonconforming Mindlin plate elements that do not pass the Irons' patch tests are examined by weak patch tests. The convergence tests are performed on the benchmark numerical problems for both nonconforming elements which pass the patch tests and which do not. Some conclusions on the relationship between the patch test and convergence of nonconforming Mindlin plate elements are drawn.
Herein, we present effective polygonal finite elements to which the strain-smoothed element (SSE) method is applied. Recently, the SSE method has been developed for conventional triangular and quadrilateral finite elements; furthermore, it has been shown to improve the performance of finite elements. Polygonal elements enable various applications through flexible mesh handling; however, further development is still required to use them more effectively in engineering practice. In this study, piecewise linear shape functions are adopted, the SSE method is applied through the triangulation of polygonal elements, and a smoothed strain field is constructed within the element. The strain-smoothed polygonal elements pass basic tests and show improved convergence behaviors in various numerical problems.
An alternative interpretation of the completeness requirements for the higher order elements is presented. Apart from the familiar condition, $\sum_iN_i=1$, some additional conditions to be satisfied by the shape functions of higher order elements are identified. Elements with their geometry in the natural form, i.e., without any geometrical distortion, satisfy most of these additional conditions inherently. However, the geometrically distorted elements satisfy only fewer conditions. The practical implications of the satisfaction or non-satisfaction of these additional conditions are investigated with respect to a 3-node bar element, and 8- and 9-node quadrilateral elements. The results suggest that non-satisfaction of these additional conditions results in poorer performance of the element when the element is geometrically distorted. Based on the new interpretation of completeness requirements, a 3-node element and an 8-node rectangular element that are insensitive to mid-node distortion under a quadratic displacement field have been developed.
This study purports to analyze equally stressed surfaces in tension-membrane structures through a geometrically nonlinear approach. It adopts the formulation of a 4-node quadrilateral isoparametric plane stress element considering the orthotropic characteristic of membrane textures. Tension structures, which include cables and tension membranes, such as a cable dome initially exhibit unstable conditions because no initial internal stiffness such as bending stiffness is present. Such a structural system requires prestressing to the tension members to attain a stable state. A tension-membrane structure retains a stable three dimensional curved surface as a structural shape. This analytical process for finding the geometry is referred to as Shape Finding Analysis. In order to assess the validity of this study, we examine equally stressed surfaces of saddle and catenary shape shell structures and carry out pertinent stress analyses
We suggest a linear elastic flat shell element based on the HT(hybrid Trefftz) method. We formulate the membrane part of the proposed element as an HT plane element with the drilling DOF. For the bending part, we developed a thick HT plate element that can represent transverse shear deformations accurately. Because we derive both the membrane and the bending parts consistently using the HT functional, we can easily construct the triangular and the quadrilateral elements in a unified way. In addition, warping of quadrilateral element is compensated by force and moment equilibrium equations. We evaluate the performance of the new element in terms of accuracy and convergence.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2002.10a
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pp.120-128
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2002
In order to analyze shell structures more accurately and effectively, a hybrid 4-node quadrilateral shell element is formulated. The element includes the frilling degrees of freedom and the independent parameter terms of the stress resultants are appropriately selected to overcome some of the shortcomings of the standard 4-node quadrilateral elements. In order to show the accuracy and convergent characteristics of the proposed shell element, three numerical examples are analyzed and the results are compared with the existed. As a result of this study, following conclusions are obtained. (1)Analysis results by the proposed element are less sensitive to the element geometric distortion. (2)The proposed element does not produce any spurious zero-energy modes
In this paper, we propose a new concept for error estimation in finite element solutions, which we call mode-based error estimation. The proposed error estimation predicts a posteriori error calculated by the difference between the direct finite element (FE) approximation and the recovered FE approximation. The mode-based FE formulation for the recently developed self-updated finite element is employed to calculate the recovered solution. The formulation is constructed by searching for optimal bending directions for each element, and deep learning is adopted to help find the optimal bending directions. Through various numerical examples using four-node quadrilateral finite elements, we demonstrate the improved predictive capability of the proposed error estimator compared with other competitive methods.
This paper presents a new approach to simulate fluid-solid interaction problems involving non-matching interfaces. The coupling between fluid and solid domains with dissimilar finite element meshes consisting of 4-node quadrilateral elements is achieved by using the interface element method (IEM). Conditions of compatibility between fluid and solid meshes are satisfied exactly by introducing the interface elements defined on interfacing regions. Importantly, a consistent transfer of loads through matching interface element meshes guarantees the present method to be an efficient approach of the solution strategy to fluid-solid interaction problems. An arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) description is adopted for the fluid domain, while for the solid domain an updated Lagrangian formulation is considered to accommodate finite deformations of an elastic structure. The stabilized equal order velocity-pressure elements for incompressible flows are used in the motion of fluids. Fully coupled equations are solved simultaneously in a single computational domain. Numerical results are presented for fluid-solid interaction problems involving nonmatching interfaces to demonstrate the effectiveness of the methodology.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1990.10a
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pp.9-15
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1990
In this study, an adaptive mesh h-refinement procedure was presented in plate bending problems. By introducing the transition elements for the procedure, same drawbacks due to the irregular nodes are eliminated which are generated in the consequence of local mesh refinement in common adaptive h-version performed by single type of quadrilateral elements. For the above objective, compatible 5-node through 7-node transition plate bending elements are developed by including variable number of midside nodes. Using the Zienkiewicn-Zhu error estimator, some numerical examples are presented to show the effectiveness of the adaptive h-refinement using the transition elements.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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