Luận án: Phương pháp Phần tử Hữu hạn Đẳng hình học cho Phân tích Giới hạn Kết cấu
Luận án FE đẳng hình học cho phân tích giới hạn, thích nghi kết cấu. Giải pháp tối ưu ứng dụng kỹ thuật.
University of Technology and Education Ho Chi Minh City
Luan An
Doctoral Thesis
Năm xuất bản
Số trang
157
Thời gian đọc
24 phút
Lượt xem
1
Lượt tải
0
Phí lưu trữ
50 Point
Tổng quan nhanh
- Chủ đề:
- Giới thiệu Phương pháp Phần tử Hữu Hạn Đẳng Hình học
- Số trang:
- 157 trang
- Trường:
- University of Technology and Education Ho Chi Minh City
- Chuyên ngành:
- Engineering Mechanics
- Tác giả:
- Do Van Hien
- Năm:
- 2020
Tóm tắt nội dung luận án
I.Giới thiệu Phương pháp Phần tử Hữu Hạn Đẳng Hình học
Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) truyền thống đối mặt với thách thức trong việc chuyển đổi mô hình từ CAD sang CAE. Quá trình này thường gây mất mát thông tin hình học và phát sinh lỗi. Phương pháp phần tử hữu hạn đẳng hình học (Isogeometric Analysis - IGA) xuất hiện để giải quyết vấn đề này. IGA tạo ra một quy trình liền mạch từ thiết kế đến phân tích. Phương pháp này sử dụng cùng một biểu diễn hình học cho cả mô hình CAD và miền xấp xỉ lời giải. Mục tiêu chính là tích hợp chặt chẽ quy trình thiết kế và phân tích. IGA giảm thiểu đáng kể thời gian chuẩn bị mô hình. Đồng thời, IGA tăng cường độ chính xác của kết quả. IGA mang lại tiềm năng lớn trong việc nâng cao hiệu quả kỹ thuật. Phương pháp này đại diện cho một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực cơ học tính toán và kỹ thuật kết cấu. Việc loại bỏ bước chia lưới thủ công là một trong những lợi ích chính. Nó giúp duy trì độ chính xác cao của hình học thiết kế.
1.1. Mục tiêu và tầm quan trọng của IGA
Phân tích đẳng hình học (IGA) được phát triển nhằm khắc phục những hạn chế của phương pháp phần tử hữu hạn truyền thống. IGA loại bỏ khoảng cách giữa phần mềm thiết kế (CAD) và phần mềm phân tích (CAE). Mục tiêu là sử dụng cùng một biểu diễn hình học dựa trên NURBS cho cả mô hình hình học và không gian hàm xấp xỉ. Điều này giúp giảm đáng kể thời gian chuẩn bị mô hình. Nó cũng tăng cường độ chính xác của kết quả phân tích. IGA đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu quả quy trình phát triển sản phẩm. IGA cho phép tích hợp CAD/CAE liền mạch. Nó đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu hình học. Việc này dẫn đến các phân tích đáng tin cậy hơn.
1.2. Nền tảng phát triển phương pháp IGA
Nền tảng của phân tích đẳng hình học (IGA) là việc sử dụng các hàm cơ sở phi đồng nhất đa thức bậc B-spline (NURBS). Các hàm NURBS này được dùng để mô tả chính xác hình học phức tạp. Đồng thời, chúng được sử dụng làm các hàm hình dạng trong phân tích phần tử hữu hạn. Điều này thiết lập một mối liên kết trực tiếp giữa mô hình hình học trong CAD và lưới phần tử hữu hạn trong CAE. Việc này loại bỏ nhu cầu tạo lưới phần tử hữu hạn thủ công. IGA duy trì độ chính xác hình học cao. Các hàm cơ sở B-splines là thành phần cốt lõi của NURBS. Sự phát triển này đã tạo ra một khung phân tích mạnh mẽ. Nó đặc biệt hiệu quả với các kết cấu có hình dạng phức tạp. IGA tăng cường độ tin cậy của mô hình.
II.Phân tích Giới hạn và Thích nghi Đảm bảo an toàn kết cấu
An toàn kết cấu là yếu tố sống còn đối với nhiều ngành công nghiệp. Ví dụ bao gồm nhà máy điện hạt nhân, công nghiệp hóa chất và bình áp lực. Phân tích giới hạn kết cấu và phân tích thích nghi là các công cụ thiết yếu. Chúng đánh giá và thiết kế các kết cấu kỹ thuật. Các phương pháp này cung cấp thông tin quý giá về sức chịu tải kết cấu. Chúng giúp xác định giới hạn an toàn dưới các loại tải trọng khác nhau. Phân tích giới hạn xác định tải trọng tối đa trước khi xảy ra sự cố dẻo hoàn toàn. Phân tích thích nghi xem xét khả năng kết cấu chịu tải trọng lặp. Nó đảm bảo không tích lũy biến dạng dẻo liên tục. Việc phát triển các công cụ số hiệu quả và mạnh mẽ là cần thiết. Điều này bao gồm chiến lược rời rạc hóa phần tử hữu hạn và kỹ thuật tối ưu hóa ràng buộc. Nghiên cứu này tập trung vào việc áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn đẳng hình học (IGA). Nó giải quyết các thách thức trong việc xác định tải trọng giới hạn và giới hạn thích nghi.
2.1. Đánh giá an toàn kết cấu qua phân tích giới hạn
Phân tích giới hạn kết cấu đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá an toàn của các công trình kỹ thuật. Đặc biệt là các kết cấu chịu tải trọng cao như nhà máy điện hạt nhân hoặc bình áp lực. Phương pháp này xác định tải trọng tối đa mà một kết cấu có thể chịu được. Sau tải trọng đó, kết cấu sẽ biến dạng dẻo không kiểm soát được. Các hệ số tải trọng giới hạn có thể được xác định thông qua phương pháp cận dưới hoặc cận trên. Việc sử dụng phân tích giới hạn giúp các kỹ sư thiết kế các kết cấu chịu lực một cách hiệu quả. Nó đảm bảo độ bền vững và an toàn dưới các điều kiện tải trọng khắc nghiệt. Phân tích giới hạn cũng là một phần quan trọng của phân tích phi tuyến.
2.2. Khái niệm phân tích thích nghi và ứng dụng
Phân tích thích nghi tập trung vào khả năng của kết cấu chịu tải trọng lặp. Mục tiêu là xác định mức tải trọng tối đa. Tại mức tải trọng này, kết cấu có thể đạt trạng thái thích nghi hoặc đàn hồi thích nghi. Điều này có nghĩa là kết cấu sẽ không tích lũy thêm biến dạng dẻo sau một số chu kỳ tải trọng ban đầu. Khái niệm này cực kỳ quan trọng đối với các cấu kiện chịu tải trọng chu kỳ. Ví dụ trong ngành hàng không, cầu đường và cơ khí. Phân tích thích nghi đóng góp vào việc thiết kế và đánh giá an toàn các kết cấu. Nó cung cấp một cái nhìn sâu sắc về hành vi vật liệu dưới tải trọng động và lặp.
2.3. Vai trò của phân tích giới hạn và thích nghi
Phân tích giới hạn và phân tích thích nghi là các công cụ không thể thiếu. Chúng dùng để đánh giá độ an toàn và sức chịu tải kết cấu. Các phương pháp này cung cấp cái nhìn toàn diện về khả năng của kết cấu. Chúng giúp dự đoán phản ứng dưới tải trọng tĩnh và động. Để ứng dụng các phân tích này vào thực tiễn, cần phát triển các công cụ số mạnh mẽ. Các công cụ này phải bao gồm các chiến lược rời rạc hóa hiệu quả và phương pháp tối ưu hóa. Nghiên cứu hiện tại đã tích hợp phương pháp phần tử hữu hạn đẳng hình học (IGA). IGA được dùng để nâng cao hiệu quả của các phân tích này. IGA là một phần quan trọng trong việc xây dựng mô hình. Nó cung cấp sự chính xác cần thiết cho các phân tích phi tuyến phức tạp.
III.Ứng dụng IGA Phân tích giới hạn và tối ưu hóa
Phương pháp phần tử hữu hạn đẳng hình học (IGA) được áp dụng hiệu quả trong phân tích giới hạn. IGA cung cấp một cách tiếp cận tiên tiến để rời rạc hóa miền chuyển vị của kết cấu. Điều này là bước đầu tiên và quan trọng trong toàn bộ quá trình phân tích. Việc sử dụng IGA đảm bảo mô tả hình học chính xác cao. Đồng thời, IGA tạo ra các hàm xấp xỉ lời giải mịn. Điều này rất cần thiết cho các bài toán có tính phi tuyến như phân tích giới hạn kết cấu. IGA tận dụng các hàm cơ sở NURBS vốn đã được sử dụng rộng rãi trong các phần mềm thiết kế CAD. Sự liên kết này mang lại lợi ích đáng kể về độ chính xác và hiệu quả tính toán. Sau bước rời rạc hóa, bài toán phân tích giới hạn trở thành một vấn đề tối ưu hóa ràng buộc. Việc giải quyết vấn đề này đòi hỏi các thuật toán mạnh mẽ và ổn định. Nghiên cứu đã phát triển một phương pháp giải quyết tối ưu hóa đặc biệt cho bài toán này. Nó kết hợp các tiêu chí chảy vật liệu và các ràng buộc về cân bằng.
3.1. Phương pháp IGA trong bài toán giới hạn
Trong nghiên cứu này, phương pháp phần tử hữu hạn đẳng hình học (IGA) được sử dụng. IGA thực hiện rời rạc hóa miền chuyển vị của kết cấu. Đây là bước đầu tiên và cốt lõi trong quá trình phân tích giới hạn kết cấu. Việc áp dụng IGA đảm bảo mô tả hình học của kết cấu có độ chính xác cao. Nó đồng thời cung cấp các hàm xấp xỉ lời giải với độ mịn cần thiết. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các bài toán phi tuyến. IGA tận dụng các hàm cơ sở NURBS để đạt được sự đồng nhất giữa hình học và xấp xỉ. Lợi ích của IGA bao gồm việc loại bỏ lỗi chuyển đổi dữ liệu và cải thiện độ tin cậy của kết quả.
3.2. Thuật toán tối ưu hóa bài toán giới hạn
Sau khi rời rạc hóa bằng IGA, bài toán phân tích giới hạn trở thành một bài toán tối ưu hóa. Thuật toán primal-dual được áp dụng để giải quyết vấn đề này. Thuật toán này dựa trên tiêu chuẩn chảy Von Mises. Nó kết hợp với một phương pháp lặp kiểu Newton. Mục tiêu là xác định hệ số tải trọng giới hạn của kết cấu. Thuật toán primal-dual cung cấp một cách tiếp cận mạnh mẽ. Nó xử lý hiệu quả các ràng buộc và tính phi tuyến. Việc lựa chọn phương pháp giải quyết tối ưu hóa là yếu tố then chốt. Nó đảm bảo tính chính xác và ổn định của kết quả phân tích giới hạn. Thuật toán này là một phần quan trọng của phân tích phi tuyến.
IV.Giải pháp bài toán thích nghi kết cấu phi tuyến tính
Bài toán thích nghi được coi là một bài toán lập trình phi tuyến tính phức tạp. Nó bắt nguồn từ định lý cận trên. Giới hạn thích nghi là giá trị cực tiểu của hàm tiêu tán dẻo. Hàm này dựa trên tiêu chuẩn chảy Von Mises. Bài toán yêu cầu thỏa mãn nhiều ràng buộc khác nhau. Các ràng buộc bao gồm tính tương thích, tính không nén và các ràng buộc chuẩn hóa. Việc mô hình hóa chính xác các ràng buộc và hàm mục tiêu là rất quan trọng. Điều này đảm bảo tính đúng đắn của phân tích thích nghi. Phân tích thích nghi đòi hỏi khả năng xử lý các đặc tính vật liệu phi tuyến và tải trọng chu kỳ. Để giải quyết bài toán tối ưu hóa phi tuyến có ràng buộc này, nghiên cứu đã sử dụng một phương pháp kết hợp. Phương pháp này bao gồm hàm phạt và nhân tử Lagrange. Sự kết hợp này mang lại một công cụ mạnh mẽ. Nó có khả năng giải quyết các bài toán thích nghi phức tạp hiệu quả.
4.1. Mô hình hóa bài toán thích nghi phi tuyến
Bài toán thích nghi được mô hình hóa như một bài toán lập trình phi tuyến tính. Phương pháp này bắt nguồn từ định lý cận trên. Giới hạn thích nghi được xác định là giá trị cực tiểu của hàm tiêu tán dẻo. Hàm này dựa trên tiêu chuẩn chảy Von Mises. Bài toán cần thỏa mãn các ràng buộc về tương thích, không nén và chuẩn hóa. Việc mô hình hóa chính xác các ràng buộc và hàm mục tiêu là cần thiết. Nó đảm bảo tính đúng đắn của phân tích thích nghi. Điều này rất quan trọng đối với các kết cấu chịu tải trọng lặp. Phân tích phi tuyến đóng vai trò trung tâm trong quá trình này.
4.2. Giải pháp bằng hàm phạt và nhân tử Lagrange
Để giải quyết bài toán tối ưu hóa phi tuyến có ràng buộc trong phân tích thích nghi, nghiên cứu áp dụng một phương pháp kết hợp. Phương pháp hàm phạt được sử dụng để chuyển đổi bài toán có ràng buộc thành bài toán không ràng buộc. Đồng thời, phương pháp nhân tử Lagrange được tích hợp. Phương pháp này giúp xử lý các ràng buộc một cách hiệu quả hơn. Sự kết hợp này tạo ra một công cụ mạnh mẽ và ổn định. Nó có khả năng giải quyết các bài toán thích nghi phức tạp. Điều này cho phép xác định chính xác giới hạn thích nghi của kết cấu. Các giải pháp này tăng cường độ tin cậy của phân tích thích nghi. Nó cũng là một ví dụ điển hình của việc xử lý phân tích phi tuyến.
V.Mô hình NURBS và Hàm cơ sở B splines trong IGA
Phân tích đẳng hình học (IGA) đặc trưng bởi việc sử dụng các hàm cơ sở NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines). Các hàm này đóng vai trò kép trong IGA. Chúng không chỉ dùng để biểu diễn hình học chính xác của kết cấu mà còn để xấp xỉ lời giải của bài toán. Mô hình NURBS là một công cụ mạnh mẽ. Nó là nền tảng của hầu hết các hệ thống thiết kế hỗ trợ máy tính (CAD) hiện đại. Việc sử dụng trực tiếp các hàm NURBS trong IGA giúp loại bỏ khoảng cách giữa giai đoạn thiết kế và giai đoạn phân tích. Điều này đảm bảo rằng độ chính xác hình học được duy trì từ đầu đến cuối quy trình. Nó cũng giảm thiểu đáng kể sai số do xấp xỉ hình học. Hàm cơ sở B-splines là thành phần cốt lõi của NURBS. Sự hiểu biết sâu sắc về các hàm này là cần thiết để phát triển và triển khai IGA hiệu quả. Các hàm này mang lại khả năng mô hình hóa hình học phức tạp một cách linh hoạt.
5.1. Vai trò của hàm cơ sở NURBS
Trong phân tích đẳng hình học (IGA), hàm cơ sở NURBS đóng vai trò trung tâm. Các hàm này được sử dụng đồng thời để biểu diễn hình học chính xác của kết cấu. Đồng thời, chúng cũng là các hàm hình dạng để xấp xỉ lời giải của bài toán. Mô hình NURBS là nền tảng của các hệ thống CAD phổ biến. Việc sử dụng NURBS trực tiếp trong phân tích giúp loại bỏ nhu cầu chuyển đổi dữ liệu hình học. Nó cũng giảm thiểu sai số do xấp xỉ hình học. Hàm cơ sở B-splines là một thành phần cơ bản của NURBS. Chúng mang lại khả năng mô tả hình học phức tạp với độ chính xác cao. Vai trò này là then chốt trong việc tích hợp CAD/CAE.
5.2. Kỹ thuật trích xuất Bézier và Lagrange
Việc triển khai hiệu quả các hàm NURBS trong mã phần tử hữu hạn (FEM) hiện có là một thách thức. Sự khác biệt đáng kể giữa hàm cơ sở NURBS và hàm Lagrange truyền thống là nguyên nhân. Để giải quyết vấn đề này, các kỹ thuật trích xuất đã được phát triển. Kỹ thuật trích xuất Bézier biểu diễn hàm cơ sở NURBS dưới dạng đa thức Bernstein bậc C0. Điều này giúp tích hợp dễ dàng hơn vào các khung FEM hiện có. Tương tự, kỹ thuật trích xuất Lagrange tạo ra một mối liên hệ trực tiếp giữa NURBS và các hàm hình dạng Lagrange. Các kỹ thuật này cải thiện hiệu quả tính toán. Chúng làm cho IGA trở nên khả thi hơn trong các ứng dụng thực tế. Nó giúp tối ưu hóa quá trình tính toán.
VI.Hiệu quả Tích hợp CAD CAE và Khía cạnh Tính toán
Mục tiêu chính của phân tích đẳng hình học (IGA) là tạo ra sự tích hợp liền mạch giữa các công cụ thiết kế hỗ trợ máy tính (CAD) và phân tích kỹ thuật hỗ trợ máy tính (CAE). Cụ thể, IGA tìm cách tích hợp phân tích phần tử hữu hạn (FEA) vào các công cụ CAD dựa trên NURBS. Sự tích hợp này mang lại một quy trình làm việc hiệu quả. Nó loại bỏ nhu cầu chuyển đổi dữ liệu hình học phức tạp giữa các phần mềm khác nhau. Điều này giúp giảm đáng kể thời gian và công sức chuẩn bị mô hình. Nó cũng giảm thiểu các lỗi có thể phát sinh trong quá trình chuyển đổi. Việc duy trì độ chính xác hình học từ giai đoạn thiết kế đến giai đoạn phân tích là một lợi thế lớn của IGA. Tuy nhiên, việc triển khai hiệu quả các hàm NURBS trong các mã FEM hiện có vẫn đặt ra những thách thức về mặt tính toán. Nghiên cứu đã đề xuất các giải pháp để giải quyết những vấn đề này, đảm bảo IGA có thể áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng kỹ thuật thực tế.
6.1. Tích hợp CAD CAE liền mạch trong IGA
Mục tiêu chính của phân tích đẳng hình học (IGA) là tích hợp phân tích phần tử hữu hạn (FEA) vào các công cụ thiết kế CAD dựa trên NURBS. Sự tích hợp này tạo ra một quy trình làm việc liền mạch và hiệu quả. Nó loại bỏ hoàn toàn nhu cầu chuyển đổi dữ liệu hình học phức tạp. Điều này giúp giảm đáng kể thời gian và công sức chuẩn bị mô hình. Nó cũng giảm thiểu các lỗi có thể phát sinh trong quá trình chuyển đổi. Việc duy trì độ chính xác hình học từ giai đoạn thiết kế đến giai đoạn phân tích là một lợi thế lớn của IGA. Tích hợp CAD/CAE giúp tăng năng suất và độ tin cậy trong toàn bộ quy trình phát triển sản phẩm.
6.2. Thách thức và phương pháp triển khai NURBS
Mặc dù có nhiều lợi ích, việc triển khai hàm NURBS hiệu quả trong các mã FEM hiện có vẫn là một thách thức. Hàm NURBS khác biệt đáng kể so với hàm Lagrange truyền thống trong FEM. Điều này đặt ra các vấn đề về mặt tính toán và lập trình. Nghiên cứu đã sử dụng các kỹ thuật trích xuất Bézier và Lagrange của NURBS để giải quyết các khía cạnh tính toán này. Trích xuất Bézier biểu diễn hàm NURBS dưới dạng đa thức Bernstein. Điều này cho phép tích hợp dễ dàng hơn vào các mã FEM. Trích xuất Lagrange cũng tạo ra một cầu nối tương tự. Các kỹ thuật này cải thiện hiệu quả tính toán. Chúng làm cho IGA trở nên khả thi hơn trong các ứng dụng thực tế. Nó giúp tối ưu hóa hiệu suất của phân tích phần tử hữu hạn đẳng hình học.
Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Tải đầy đủ (157 trang)Trích đoạn nội dung luận án
Tải xuống để đọc toàn bộMINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION HO CHI MINH CITY DO VAN HIEN ISOGEOMETRIC FINITE ELEMENT METHOD FOR LIMIT AND SHAKEDOWN ANALYSIS OF STRUCTURES DOCTORAL THESIS MAJOR: ENGINEERING MECHANICS Ho Chi Minh City, June 16, 2020 Declaration I, Do Van Hien, declare that this thesis entitled, "Isogeometric finite element method for limit and shakedown analysis of structures" is a presentation of my original research work. I confirm that: • Wherever contributions of others are involved, every effort is made to indicate this clearly, with due reference to the literature,and acknowledgement of collaborative research and discussions. • The work was done under the guidance of Prof. Nguyen Xuan Hung at the Ho Chi Minh City University of Technology and Education.
i Acknowledgements This thesis summarizes my research carried out during the past five years at the Doctoral Program "Engineering Mechanics" at Ho Chi Minh City University of Technology and Education in Ho Chi Minh City. This thesis would not have been possible without help of many, and I would like to acknowledge their kind efforts and assistance. First of all I would like to express my deep gratitude to my supervisor Prof. Nguyen Xuan Hung, for his guidance, support and encouragement during the past five years.
I appreciate that he left a lot of freedom for me to pursue my own ideas, set the right direction when it was necessary and contributed valuable advice. I am also very grateful to Assoc. Van Huu Thinh, who has been my second advisor at HCMUTE for many years. I am indebted to Prof.
Timon Rabczuk for giving me the chance to spend a one-year research visit at the Bauhaus-Universität Weimar, and I also want to thank Prof. Tom Lahmer and Prof. Xiaoying Zhuang for the fruitful discussions and their support. I also would like to thank the research group members at GACES (at HCMUTE), CIRTECH (at HUTECH) and ISM (at Bauhaus-Universität Weimar, Germany) for their helpful supports.
I would like to thank from the bottom of my heart to Assoc. Nguyen Hoai Son, Assoc.Prof Nguyen Trung Kien, Assoc.Prof Chau Dinh Thanh and other colleagues at HCMUTE for their kind supports and advice. I am immensely indebted to my father Do Tang, my mother Pham Thi Nghe and my parents in-law who have been the source of love and discipline for their inspiration and encouragement throughout the course of my education including this Doctoral Program. Last but not least, I am extremely grateful to my wife Mrs.
Nguyen Thi Nhu Lan who has been the source of love, companionship and encouragement, to my sons, Do Quang Khai and Do Minh Nhat, who has been the source of joy and love. ii Abstract The structural safety such as nuclear power plants, chemical industry, pressure vessel industry and so on can commonly be evaluated with the help of limit and shakedown analysis. Nowadays, the limit and shakedown analysis plays a well-known role in not only assessing the safety of engineering structures but also designing of the engineering structures. The limit load multipliers can be determinated by using lower or upper bound method.
In order to ultilize the limit and shakedown analysis in many practical engineering areas, the development of numerical tools which are sufficiently efficient and robust is a neccessary of current research in the field of limit and shakedown analysis. The numerical tools involve the two steps: finite element discretisation strategy and constrained optimization. In this research, the isogeometric finite element method is used to discretise the displacement domain of strutures in the first step. The primal-dual algorithm based upon the von Mises yield criterion and a Newton-like iteration is used in the second step to solve optimization problem.
Mathematically, the shakedown problem is considered as a nonlinear programming problem. Starting from upper bound theorem, shakedown bound is the minimum of the plastic dissipation function, which is based on von Mises yield criterion, subjected to compatibility, incompressibility and normalized constraints. This constraint nonlinear optimization problem is solved by combined penalty function and Lagrange multiplier methods. The isogeometric analysis (IGA) uses NURBS basis functions for both the repre- sentation of the geometry and the approximation of solutions.
The main aim of the IGA was to integrate Finite Element Analysis (FEA) into NURBS based Computer Aid Design (CAD) design tools. The Bézier and Lagrange extraction of NURBS was used in the analysis due to The computational aspects of the NURBS function increase the question of how to implement efficiently the NURBS function in the existing FEM codes due to a significant differences between the NURBS basis function and the Lagrange function. The Bézier extraction is founded on the NURBS basis functions in terms of C 0 Bernstein polynomials. Lagrange extraction is similar to Bézier extraction but it sets up a direct connection between NURBS and Lagrange polynomial basis functions instead iii Abstract iv of using C 0 Bernstein polynomials as a new shape function in the Bézier extraction.
Numerical results of structure problems are compared with analytical or other available solutions to prove the reliability and efficiency of these approaches. Pressure vessel which is designed to hold liquids or gases contains various parts such as thin walled vessels, thick walled cylinders, nozzle, head, nozzle head, skirt support and so on. Two types of defects, axial and circumferential cracks, are commonly found in pressure vessel and piping. The application of shakedown analysis in pressure vessel engineering is illustrated in this study.
Table of Contents Contents Page Acknowledgments iii Abstract v List of Figures viii List of Tables xii Notations xii 1 INTRODUCTION 1 1.2 Motivation of the thesis .3 Objectives and Scope of study .4 Outline of the thesis .5 Original contributions of the thesis .6 List of Publications .1 Elastic perfectly plastic and rigid perfectly plastic material models 9 2.2 Drucker’s stability postulate .1 Plastic dissipation function .2 Fundamental of shakedown analysis. 27 v Table of Contents vi 2.5 Primal-dual interior point methods. 28 3 ISOGEOMETRIC FINITE ELEMENT METHOD 30 3.1 B-Splines basis functions .3 NURBS-based isogeometric analysis .4 A brief of NURBS based on Bézier extraction .2 Bézier extraction of NURBS .5 A brief review on Lagrange extraction of smooth splines .2 The Lagrange extraction operator .3 Rational Lagrange basis functions and control points .4 Using Lagrange extraction operators in a finite element code. 60 4 THE ISOGEOMETRIC FINITE ELEMENT METHOD AP- PROACH TO LIMIT AND SHAKEDOWN ANALYSIS 61 4.2 Isogeometric FEM discretizations .1 Discretization formulation of lower bound .2 Discretization formulation of upper bound and upper bound algorithm .3 Dual relationship between lower bound and upper bound and dual algorithm 76 5 NUMERICAL APPLICATIONS 85 5.2 Limit and shakedown analysis of two dimensional structures .1 Square plate with a central circular hole .2 Grooved rectangular plate subjected to varying tension.
94 Table of Contents vii 5.3 Limit and shakedown analysis of 3D structures .1 Thin square slabs with two different cutout subjected to tension 99 5.2 2D and 3D symmetric continuous beam .3 Thin-walled pipe subjected to internal pressure and axial force .4 Limit and shakedown analysis of pressure vessel components .1 Pressure vessel support skirt .2 Reinforced Axisymmetric Nozzle .5 Limit analysis of crack structures. 123 6 CONCLUSIONS AND FURTHER STUDIES 128 6.2 Limitations and Further studies. 129 References 131 List of Figures 2.2 Material models: (a) Elastic perfectly plastic; (b) Rigid perfectly plastic 10 2.3 Elastic perfectly plastic material model .6 von Mises and Tresca yield conditions in biaxial stress states .8 Load domain with two variable loads .9 Critical cycles of load for shakedown analysis [72; 84; 89] .1 Estimation of the relative time costs .2 The workchart of a design-through-analysis process .3 The concept of mesh in IGA .4 The concept of IGA: .5 Different types of B-Spline basis functions on the same distinct knot vector 35 3.6 The cubic B-Spline functions Ni3 (ξ) and its first and second derivatives 36 3. Control points are denoted by red circular •.
Control points are denoted by red circular •. The knots, which define a mesh by partitioning the curve into elements, are denoted by green square .9 Comparison of refinement strategies: p-refinement and k-refinement .10 A circle as a NURBS curve .11 Bent pipe modeled with a single NURBS patch. (b) NURBS mesh with control points. (c) Geometry with 32 NURBS elements 44 3.12 Flowchart of a classical finite element code .13 Flowchart of a multi-patch isogeometric analysis code.
The basis functions extend over a series of elements 48 h i 3.15 Bézier decomposition of Ξ = 0, 0, 0, 0.16 The Bernstein polynomials for polynomial degree p = 1, 2, 3 and 4. 52 viii List of Figures ix 3.17 Smooth C 2 -continuous curve represented by a B-spline basis .18 Smooth C 2 -continuous curve represented by a nodal Lagrange basis .19 Demonstration of the Lagrange extraction operators in 1D case and their inverse for the transformation of B-spline, Lagrange on an element level. The second B-Splines element of the example curve is shown in Fig 3.20 Demonstration of the Lagrange extraction operators in 2D case and their inverse for the transformation of NURBS and Lagrange on an element level. The first NURBS element of 2D case example is shown in Fig.1 Flow chart for the upper bound algorithm for shakedown analysis .2 Flow chart for the primal-dual algorithm for shakedown analysis .1 Square plate with a central hole: Full (a) and symmetric geometry (b).2 Square plate with central circular hole: Quadratic NURBS mesh with 32 elements and control net.3 The convergence of the IGA compared with those of different methods for limit analysis (with P2 = 0) of the square plate with a central circular hole.4 The limit load domain of the square plate with a central circular hole using the IGA compared with those of other numerical methods.5 Limit and shakedown load factors for square plate with a central hole .6 Influency parameter of ε, c and τ .7 Full geometry and applied load of grooved rectangular plate.8 A symmetry of the grooved rectangular plate: a) A symmetric todel including applied loads and boundary conditions; b) 2D control point net and 40 NURBS quadratic elements.9 Limit load factors of the plate with tension of a strip with semi-circular notches.10 Limit and shakedown load factors for the grooved rectangular plate subjected to both tension and bending loads.11 Influency parameter of ε, c and τ .12 The 2D view geometry of thin square slabs with two different cutouts subjected to biaxial loading.13 The 3D geometry of thin square slabs with two different cutouts subjected to biaxial loading.
100 List of Figures x 5.14 The 3D quadrant NURBS meshes of thin square slabs with two different cutouts: (a)-Circular cutout and (b)-Square cutout .15 Finite element discretization using quartic NURBS elements for thin square slabs with two different cutouts.16 Convergence of limit load factors using the IGA solution in comparison with those of other methods for thin square slabs with two different cutouts: a) circular; b) square.17 Influency parameter of ε, c and τ for 3D circular cutout.18 Geometry and loading of the continuous beam .19 Continuous beam: (a) 2D NURBS mesh and (b) 3D NURBS mesh.20 2D Continuous beam: Convergence of limit and shakedown load factors in comparison with those of two other methods.21 Influency parameter of ε, c and τ .22 A thin-walled pipe subjected to internal pressure and axial force: a) Full model subjected to internal pressure and axial uniform loads; b) Cubic mesh and control net; c) a quarter of the model with symmetric conditions imposed on the oxz, oyz and oxy surface.23 The limit load domain of the IGA compared with exact solution for thin-walled pipe problem.24 The limit load domain of the IGA compared with exact solution for thin-walled pipe problem: a) Limit Analysis; b) Shakedown analysis.25 Influency parameter of ε, c and τ .26 The pressure vessel skirt: Three quarter of full 3D model.27 Axisymmetric model of the pressure vessel skirt .
Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ
Trích dẫn luận án này
Do Van Hien (2020). Phương pháp Phần tử Hữu hạn Đẳng hình học cho Phân tích Kết cấu [Luận án tiến sĩ, University of Technology and Education Ho Chi Minh City]. LuanAn.net. https://luanan.net/toan-hoc/hinh-hoc/luan-an-tien-si-phuong-phap-phan-tu-huu-han-dang-hinh-hoc-cho-phan-tich-gioi-han-va-thich-nghi-cua-ket-cau
Câu hỏi thường gặp
Luận án "Phương pháp Phần tử Hữu hạn Đẳng hình học cho Phân tích Kết cấu" nghiên cứu về vấn đề gì?
Luận án FE đẳng hình học cho phân tích giới hạn, thích nghi kết cấu. Giải pháp tối ưu ứng dụng kỹ thuật.
Luận án "Phương pháp Phần tử Hữu hạn Đẳng hình học cho Phân tích Kết cấu" được bảo vệ tại trường nào?
Luận án này được bảo vệ tại University of Technology and Education Ho Chi Minh City. Năm bảo vệ: 2020.
Luận án "Phương pháp Phần tử Hữu hạn Đẳng hình học cho Phân tích Kết cấu" thuộc chuyên ngành gì?
Luận án "Phương pháp Phần tử Hữu hạn Đẳng hình học cho Phân tích Kết cấu" thuộc chuyên ngành Engineering Mechanics. Danh mục: Hình Học.
Luận án "Phương pháp Phần tử Hữu hạn Đẳng hình học cho Phân tích Kết cấu" có bao nhiêu trang?
Luận án "Phương pháp Phần tử Hữu hạn Đẳng hình học cho Phân tích Kết cấu" có 157 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.
Cách tải luận án "Phương pháp Phần tử Hữu hạn Đẳng hình học cho Phân tích Kết cấu" về máy như thế nào?
Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.