دسترسی نامحدود
برای کاربرانی که ثبت نام کرده اند
برای ارتباط با ما می توانید از طریق شماره موبایل زیر از طریق تماس و پیامک با ما در ارتباط باشید
در صورت عدم پاسخ گویی از طریق پیامک با پشتیبان در ارتباط باشید
برای کاربرانی که ثبت نام کرده اند
درصورت عدم همخوانی توضیحات با کتاب
از ساعت 7 صبح تا 10 شب
دسته بندی: تحلیل عددی ویرایش: 2 نویسندگان: J. N. Reddy سری: ISBN (شابک) : 0199641757, 9780199641758 ناشر: Oxford University Press سال نشر: 2015 تعداد صفحات: 721 زبان: English فرمت فایل : PDF (درصورت درخواست کاربر به PDF، EPUB یا AZW3 تبدیل می شود) حجم فایل: 19 مگابایت
کلمات کلیدی مربوط به کتاب مقدمه ای بر تحلیل غیرخطی اجزا محدود: با کاربردهایی در انتقال حرارت، مکانیک سیالات و مکانیک جامدات: مهندسی، هوافضا، خودرو، مهندسی زیستی، شیمی، عمران و محیط زیست، مدل سازی کامپیوتری، ساخت و ساز، طراحی، برق و الکترونیک، تولید و استخراج انرژی، سیستم های صنعتی، ساخت و عملیات، مهندسی دریایی، فناوری مواد و مواد، علوم مواد و مواد مرجع، مخابرات و حسگرها، مهندسی و حمل و نقل، فیزیک ریاضی، فیزیک، علوم و ریاضی، مهندسی، مهندسی هوانوردی، مهندسی شیمی، مهندسی عمران، برق
در صورت تبدیل فایل کتاب An Introduction to Nonlinear Finite Element Analysis: with applications to heat transfer, fluid mechanics, and solid mechanics به فرمت های PDF، EPUB، AZW3، MOBI و یا DJVU می توانید به پشتیبان اطلاع دهید تا فایل مورد نظر را تبدیل نمایند.
توجه داشته باشید کتاب مقدمه ای بر تحلیل غیرخطی اجزا محدود: با کاربردهایی در انتقال حرارت، مکانیک سیالات و مکانیک جامدات نسخه زبان اصلی می باشد و کتاب ترجمه شده به فارسی نمی باشد. وبسایت اینترنشنال لایبرری ارائه دهنده کتاب های زبان اصلی می باشد و هیچ گونه کتاب ترجمه شده یا نوشته شده به فارسی را ارائه نمی دهد.
ویرایش دوم مقدمه ای بر تحلیل المان محدود غیرخطی هدفی
مشابه با ویرایش اول دارد، یعنی تسهیل درک آسان و کامل جزئیاتی که
در فرمول نظری، مدل اجزای محدود دخیل هستند. توسعه و حل مسائل غیر
خطی این کتاب یک درمان آسان برای درک موضوع تجزیه و تحلیل اجزای
محدود غیرخطی را ارائه میکند که شامل توسعه عنصر از مدلهای
ریاضی و ارزیابی عددی فیزیک اساسی است.
ویرایش جدید به طور گسترده سازماندهی شده است و حاوی مقادیر قابل
توجهی مطالب جدید است. فصل 1 در ویرایش دوم شامل بخش تحلیل
عملکردی کاربردی است. فصل 2 در مورد مکانیک پیوستار غیرخطی کاملاً
جدید است. فصل های 3 تا 8 در ویرایش جدید با فصل 2 تا 8 ویرایش
اول مطابقت دارد، اما با توضیحات اضافی، مثال ها و مشکلات تمرینی.
مطالب مربوط به مسائل وابسته به زمان از فصل 8 ویرایش اول در فصل
های 4 تا 8 ویرایش جدید جذب شده است. فصل 9 به طور گسترده بازنگری
شده است و شامل پیشرفت های به روز در تجزیه و تحلیل تغییر شکل
بزرگ پوسته های همسانگرد، مرکب و درجه بندی عملکردی است. فصل 10
ویرایش اول در مورد غیرخطی بودن مواد و مسائل جفت شده در ویرایش
دوم با انتقال مطالب مربوط به مکانیک جامدات به فصل 12 در ویرایش
جدید و مطالب مربوط به مسائل جفت شده به فصل جدید، فصل 10، در
مورد گالرکین با فرم ضعیف سازماندهی شده است. مدل های اجزای محدود
سیالات تراکم ناپذیر چسبناک در نهایت، فصل 11 در ویرایش دوم
کاملاً جدید است و به مدلهای المان محدود با حداقل مربعات سیالات
تراکم ناپذیر چسبناک اختصاص دارد. فصل 12 از ویرایش دوم بزرگ شده
است تا شامل مدل های المان محدود تیرهای ویسکوالاستیک باشد. به
طور کلی، تمام فصول ویرایش دوم حاوی توضیحات اضافی، مسائل مثال
دقیق و مسائل تمرینی اضافی است. اگرچه تمام بخش های برنامه نویسی
در فرترن هستند، اما منطق استفاده شده در این برنامه های فرترن
شفاف است و می تواند در نسخه های Matlab یا C از آن استفاده شود.
بنابراین نسخه جدید بیش از آن جایگزین نسخه اول می شود و امید است
که توسط کتابخانه هر موسسه آموزش عالی و همچنین تحلیلگران جدی
اجزای محدود خریداری شود.
این کتاب ممکن است به عنوان یک کتاب درسی مورد استفاده قرار گیرد.
برای یک دوره پیشرفته (پس از یک دوره اول) در مورد روش اجزای
محدود یا اولین دوره در مورد تجزیه و تحلیل اجزای محدود غیرخطی.
راهنمای راهحلها در صورت درخواست از سوی ناشر برای مدرسانی که
کتاب را به عنوان کتاب درسی برای یک دوره میپذیرند، در دسترس
است.
برای درخواست نسخهای از راهحلها، به آدرس زیر مراجعه کنید:
//global.oup.com/uk/ آکادمیک/فیزیک/ادمین/راه حل ها
The second edition of An Introduction to Nonlinear Finite
Element Analysis has the same objective as the first
edition, namely, to facilitate an easy and thorough
understanding of the details that are involved in the
theoretical formulation, finite element model development, and
solutions of nonlinear problems. The book offers an
easy-to-understand treatment of the subject of nonlinear finite
element analysis, which includes element development from
mathematical models and numerical evaluation of the underlying
physics.
The new edition is extensively reorganized and contains
substantial amounts of new material. Chapter 1 in the second
edition contains a section on applied functional analysis.
Chapter 2 on nonlinear continuum mechanics is entirely new.
Chapters 3 through 8 in the new edition correspond to Chapter 2
through 8 of the first edition, but with additional
explanations, examples, and exercise problems. Material on time
dependent problems from Chapter 8 of the first edition is
absorbed into Chapters 4 through 8 of the new edition. Chapter
9 is extensively revised and it contains up to date
developments in the large deformation analysis of isotropic,
composite and functionally graded shells. Chapter 10 of the
first edition on material nonlinearity and coupled problems is
reorganized in the second edition by moving the material on
solid mechanics to Chapter 12 in the new edition and material
on coupled problems to the new chapter, Chapter 10, on
weak-form Galerkin finite element models of viscous
incompressible fluids. Finally, Chapter 11 in the second
edition is entirely new and devoted to least-squares finite
element models of viscous incompressible fluids. Chapter 12 of
the second edition is enlarged to contain finite element models
of viscoelastic beams. In general, all of the chapters of the
second edition contain additional explanations, detailed
example problems, and additional exercise problems. Although
all of the programming segments are in Fortran, the logic used
in these Fortran programs is transparent and can be used in
Matlab or C++ versions of the same. Thus the new edition more
than replaces the first edition, and it is hoped that it is
acquired by the library of every institution of higher learning
as well as serious finite element analysts.
The book may be used as a textbook for an advanced course
(after a first course) on the finite element method or the
first course on nonlinear finite element analysis. A solutions
manual is available on request from the publisher to
instructors who adopt the book as a textbook for a
course.
To request a copy of the Solutions Manual, visit:
//global.oup.com/uk/academic/physics/admin/solutions
1 General Introduction and Mathematical Preliminaries . . . 1 1.1 General Comments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Mathematical Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3 Numerical Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.4 The Finite Element Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.5 Nonlinear Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.5.2 Classication of Nonlinearities . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.6 Review of Vectors and Tensors . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.6.1 Preliminary Comments . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.6.2 Denition of a Physical Vector . . . . . . . . . . . . . . 13 1.6.2.1 Vector addition . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.6.2.2 Multiplication of a vector by a scalar . . . . . . . . . 13 1.6.3 Scalar and Vector Products . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.6.3.1 Scalar product (or \dot" product) . . . . . . . . . . 14 1.6.3.2 Vector product . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.6.3.3 Plane area as a vector . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.6.3.4 Linear independence of vectors . . . . . . . . . . . . 16 1.6.3.5 Components of a vector . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.6.4 Summation Convention and Kronecker Delta and Permutation Symbol . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.6.4.1 Summation convention . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.6.4.2 Kronecker delta symbol . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.6.4.3 The permutation symbol . . . . . . . . . . . . . . 18 1.6.5 Tensors and their Matrix Representation . . . . . . . . . . 19 1.6.5.1 Concept of a second-order tensor . . . . . . . . . . . 19 1.6.5.2 Transformation laws for vectors and tensors . . . . . . 20 1.6.6 Calculus of Vectors and Tensors . . . . . . . . . . . . . 22 1.7 Concepts from Functional Analysis . . . . . . . . . . . . . . 27 1.7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.7.2 Linear Vector Spaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.7.2.1 Vector addition . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.7.2.2 Scalar multiplication . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.7.2.3 Linear subspaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.7.2.4 Linear dependence and independence of vectors . . . . 29 1.7.3 Normed Vector Spaces . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.7.3.1 Holder inequality . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.7.3.2 Minkowski inequality . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.7.4 Inner Product Spaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 1.7.4.1 Orthogonality of vectors . . . . . . . . . . . . . . . 33 1.7.4.2 Cauchy{Schwartz inequality . . . . . . . . . . . . . 33 1.7.4.3 Hilbert spaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 1.7.5 Linear Transformations . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 1.7.6 Linear Functionals, Bilinear Forms, and Quadratic Forms . . 37 1.7.6.1 Linear functional . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 1.7.6.2 Bilinear forms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 1.7.6.3 Quadratic forms . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 1.8 The Big Picture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 1.9 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2 Elements of Nonlinear Continuum Mechanics . . . . . . . 47 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.2 Description of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.2.1 Congurations of a Continuous Medium . . . . . . . . . . 48 2.2.2 Material and Spatial Descriptions . . . . . . . . . . . . . 49 2.2.3 Displacement Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2.3 Analysis of Deformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2.3.1 Deformation Gradient . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2.3.2 Volume and Surface Elements in the Material and Spatial Descriptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 2.4 Strain Measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.4.1 Deformation Tensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.4.2 The Green{Lagrange Strain Tensor . . . . . . . . . . . . 57 2.4.3 The Cauchy and Euler Strain Tensors . . . . . . . . . . . 58 2.4.4 Innitesimal Strain Tensor and Rotation Tensor . . . . . . 59 2.4.4.1 Innitesimal strain tensor . . . . . . . . . . . . . . 59 2.4.4.2 Innitesimal rotation tensor . . . . . . . . . . . . . 60 2.4.5 Time Derivatives of the Deformation Tensors . . . . . . . . 60 2.5 Measures of Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.5.1 Stress Vector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.5.2 Cauchy's Formula and Stress Tensor . . . . . . . . . . . . 63 2.5.3 Piola{Kirchho Stress Tensors . . . . . . . . . . . . . . 65 2.5.3.1 First Piola{Kirchho stress tensor . . . . . . . . . . . 65 2.5.3.2 Second Piola{Kirchho stress tensor . . . . . . . . . 67 2.6 Material Frame Indierence . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 2.6.1 The Basic Idea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 2.6.2 Objectivity of Strains and Strain Rates . . . . . . . . . . 69 2.6.3 Objectivity of Stress Tensors . . . . . . . . . . . . . . . 69 2.6.3.1 Cauchy stress tensor . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 2.6.3.2 First Piola{Kirchho stress tensor . . . . . . . . . . 70 2.6.3.3 Second Piola{Kirchho stress tensor . . . . . . . . . 70 2.7 Equations of Continuum Mechanics . . . . . . . . . . . . . . 70 2.7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 2.7.2 Conservation of Mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 2.7.2.1 Spatial form of the continuity equation . . . . . . . . 71 2.7.2.2 Material form of the continuity equation . . . . . . . 72 2.7.3 Reynolds Transport Theorem . . . . . . . . . . . . . . . 72 2.7.4 Balance of Linear Momentum . . . . . . . . . . . . . . 73 2.7.4.1 Spatial form of the equations of motion . . . . . . . . 73 2.7.4.2 Material form of the equations of motion . . . . . . . 73 2.7.5 Balance of Angular Momentum . . . . . . . . . . . . . . 74 2.7.6 Thermodynamic Principles . . . . . . . . . . . . . . . . 74 2.7.6.1 Energy equation in the spatial description . . . . . . . 75 2.7.6.2 Energy equation in the material description . . . . . . 76 2.7.6.3 Entropy inequality . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 2.8 Constitutive Equations for Elastic Solids . . . . . . . . . . . . 78 2.8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 2.8.2 Restrictions Placed by the Entropy Inequality . . . . . . . 79 2.8.3 Elastic Materials and the Generalized Hooke's Law . . . . . 80 2.9 Energy Principles of Solid Mechanics . . . . . . . . . . . . . 83 2.9.1 Virtual Displacements and Virtual Work . . . . . . . . . . 83 2.9.2 First Variation or G^ateaux Derivative . . . . . . . . . . . 83 2.9.3 The Principle of Virtual Displacements . . . . . . . . . . 84 2.10 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 3 The Finite Element Method: A Review . . . . . . . . . . 97 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 3.2 One-Dimensional Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 3.2.1 Governing Dierential Equation . . . . . . . . . . . . . 98 3.2.2 Finite Element Approximation . . . . . . . . . . . . . . 98 3.2.3 Derivation of the Weak Form . . . . . . . . . . . . . . . 101 3.2.4 Approximation Functions . . . . . . . . . . . . . . . . 104 3.2.5 Finite Element Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 3.2.6 Natural Coordinates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 3.3 Two-Dimensional Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 3.3.1 Governing Dierential Equation . . . . . . . . . . . . . 116 3.3.2 Finite Element Approximation . . . . . . . . . . . . . . 118 3.3.3 Weak Formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 3.3.4 Finite Element Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 3.3.5 Approximation Functions: Element Library . . . . . . . . 122 3.3.5.1 Linear triangular element . . . . . . . . . . . . . . 122 3.3.5.2 Linear rectangular element . . . . . . . . . . . . . 125 3.3.5.3 Higher-order triangular elements . . . . . . . . . . . 126 3.3.5.4 Higher-order rectangular elements . . . . . . . . . . 128 3.3.6 Assembly of Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 3.4 Axisymmetric Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 3.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 3.4.2 One-Dimensional Problems . . . . . . . . . . . . . . . . 137 3.4.3 Two-Dimensional Problems . . . . . . . . . . . . . . . 138 3.5 The Least-Squares Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 3.5.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 3.5.2 The Basic Idea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 3.6 Numerical Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 3.6.1 Preliminary Comments . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 3.6.2 Coordinate Transformations . . . . . . . . . . . . . . . 143 3.6.3 Integration Over a Master Rectangular Element . . . . . . 147 3.6.4 Integration Over a Master Triangular Element . . . . . . . 148 3.7 Computer Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 3.7.1 General Comments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 3.7.2 One-Dimensional Problems . . . . . . . . . . . . . . . . 152 3.7.3 Two-Dimensional Problems . . . . . . . . . . . . . . . 157 3.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 4 One-Dimensional Problems Involving a Single Variable . 175 4.1 Model Dierential Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 4.2 Weak Formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 4.3 Finite Element Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 4.4 Solution of Nonlinear Algebraic Equations . . . . . . . . . . . 180 4.4.1 General Comments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 4.4.2 Direct Iteration Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . 180 4.4.3 Newton's Iteration Procedure . . . . . . . . . . . . . . . 185 4.5 Computer Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 4.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 4.5.2 Preprocessor Unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 4.5.3 Processor Unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 4.5.3.1 Calculation of element coecients . . . . . . . . . . . 194 4.5.3.2 Assembly of element coecients . . . . . . . . . . . 198 4.5.3.3 Imposition of boundary conditions . . . . . . . . . . 200 4.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 5 Nonlinear Bending of Straight Beams . . . . . . . . . . 213 5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 5.2 The Euler{Bernoulli Beam Theory . . . . . . . . . . . . . . 214 5.2.1 Basic Assumptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 5.2.2 Displacement and Strain Fields . . . . . . . . . . . . . . 214 5.2.3 The Principle of Virtual Displacements: Weak Form . . . . . 216 5.2.4 Finite Element Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 5.2.5 Iterative Solution Strategies . . . . . . . . . . . . . . . 224 5.2.5.1 Direct iteration procedure . . . . . . . . . . . . . . 225 5.2.5.2 Newton's iteration procedure . . . . . . . . . . . . 225 5.2.6 Load Increments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 5.2.7 Membrane Locking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 5.2.8 Computer Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . 230 5.2.8.1 Rearrangement of equations and computation of element coecients . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 5.2.8.2 Computation of strains and stresses . . . . . . . . . 235 5.2.9 Numerical Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 5.3 The Timoshenko Beam Theory . . . . . . . . . . . . . . . . 242 5.3.1 Displacement and Strain Fields . . . . . . . . . . . . . . 242 5.3.2 Weak Forms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 5.3.3 General Finite Element Model . . . . . . . . . . . . . . 245 5.3.4 Shear and Membrane Locking . . . . . . . . . . . . . . 247 5.3.5 Tangent Stiness Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 5.3.6 Numerical Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 5.3.7 Functionally Graded Material Beams . . . . . . . . . . . 256 5.3.7.1 Material variation and stiness coecients . . . . . . . 256 5.3.7.2 Equations of equilibrium . . . . . . . . . . . . . . 257 5.3.7.3 Finite element model . . . . . . . . . . . . . . . . 258 5.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 6 Two-Dimensional Problems Involving a Single Variable . 265 6.1 Model Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 6.2 Weak Form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 6.3 Finite Element Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 6.4 Solution of Nonlinear Equations . . . . . . . . . . . . . . . 269 6.4.1 Direct Iteration Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . 269 6.4.2 Newton's Iteration Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . 269 6.5 Axisymmetric Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 6.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 6.5.2 Governing Equation and the Finite Element Model . . . . . 272 6.6 Computer Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 6.6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 6.6.2 Numerical Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 6.6.3 Element Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 6.7 Time-Dependent Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 6.7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 6.7.2 Semidiscretization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 6.7.3 Full Discretization of Parabolic Equations . . . . . . . . . 284 6.7.3.1 Eigenvalue problem . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 6.7.3.2 Time (-family of) approximations . . . . . . . . . . 284 6.7.3.3 Fully discretized equations . . . . . . . . . . . . . . 286 6.7.3.4 Direct iteration scheme . . . . . . . . . . . . . . . 286 6.7.3.5 Newton's iteration scheme . . . . . . . . . . . . . . 287 6.7.3.6 Explicit and implicit formulations and mass lumping . . 287 6.7.4 Full Discretization of Hyperbolic Equations . . . . . . . . 289 6.7.4.1 Newmark's scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 6.7.4.2 Fully discretized equations . . . . . . . . . . . . . . 289 6.7.5 Stability and Accuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 6.7.5.1 Preliminary comments . . . . . . . . . . . . . . . . 292 6.7.5.2 Stability criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 6.7.6 Computer Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . 294 6.7.7 Numerical Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 6.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306 7 Nonlinear Bending of Elastic Plates . . . . . . . . . . . 311 7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 7.2 The Classical Plate Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . 312 7.2.1 Assumptions of the Kinematics . . . . . . . . . . . . . . 312 7.2.2 Displacement and Strain Fields . . . . . . . . . . . . . . 312 7.3 Weak Formulation of the CPT . . . . . . . . . . . . . . . . 315 7.3.1 Virtual Work Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 7.3.2 Weak Forms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318 7.3.3 Equilibrium Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318 7.3.4 Boundary Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 7.3.4.1 The Kirchho free-edge condition . . . . . . . . . . . 320 7.3.4.2 Typical edge conditions . . . . . . . . . . . . . . . 321 7.3.5 Stress Resultant{De ection Relations . . . . . . . . . . . 322 7.4 Finite Element Models of the CPT . . . . . . . . . . . . . . 324 7.4.1 General Formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324 7.4.2 Tangent Stiness Coecients . . . . . . . . . . . . . . . 327 7.4.3 Non-Conforming and Conforming Plate Elements . . . . . . 331 7.5 Computer Implementation of the CPT Elements . . . . . . . . 333 7.5.1 General Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333 7.5.2 Programming Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 7.5.3 Post-Computation of Stresses . . . . . . . . . . . . . . . 339 7.6 Numerical Examples using the CPT Elements . . . . . . . . . 340 7.6.1 Preliminary Comments . . . . . . . . . . . . . . . . . 340 7.6.2 Results of Linear Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . 340 7.6.3 Results of Nonlinear Analysis . . . . . . . . . . . . . . . 344 7.7 The First-Order Shear Deformation Plate Theory . . . . . . . . 348 7.7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348 7.7.2 Displacement Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348 7.7.3 Weak Forms using the Principle of Virtual Displacements . . 349 7.7.4 Governing Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350 7.8 Finite Element Models of the FSDT . . . . . . . . . . . . . . 352 7.8.1 Weak Forms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352 7.8.2 The Finite Element Model . . . . . . . . . . . . . . . . 354 7.8.3 Tangent Stiness Coecients . . . . . . . . . . . . . . . 356 7.8.4 Shear and Membrane Locking . . . . . . . . . . . . . . 358 7.9 Computer Implementation and Numerical Results of the FSDT Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359 7.9.1 Computer Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . 359 7.9.2 Results of Linear Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . 359 7.9.3 Results of Nonlinear Analysis . . . . . . . . . . . . . . . 363 7.10 Transient Analysis of the FSDT . . . . . . . . . . . . . . . 370 7.10.1 Equations of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370 7.10.2 The Finite Element Model . . . . . . . . . . . . . . . . 371 7.10.3 Time Approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374 7.10.4 Numerical Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375 7.11 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379 8 Nonlinear Bending of Elastic Shells . . . . . . . . . . . 385 8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385 8.2 Governing Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387 8.2.1 Geometric Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387 8.2.2 General Strain{Displacement Relations . . . . . . . . . . 392 8.2.3 Stress Resultants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394 8.2.4 Displacement and Strain Fields . . . . . . . . . . . . . . 395 8.2.5 Equations of Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . 397 8.2.6 Shell Constitutive Relations . . . . . . . . . . . . . . . 399 8.3 Finite Element Formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . 399 8.3.1 Weak Forms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399 8.3.2 Finite Element Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400 8.3.3 Linear Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402 8.3.4 Nonlinear Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410 8.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415 9 Finite Element Formulations of Solid Continua . . . . . . 417 9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417 9.1.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417 9.1.2 Summary of Denitions and Concepts from Continuum Mechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418 9.1.3 Energetically-Conjugate Stresses and Strains . . . . . . . . 419 9.2 Various Strain and Stress Measures . . . . . . . . . . . . . . 421 9.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421 9.2.2 Notation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422 9.2.3 Conservation of Mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423 9.2.4 Green{Lagrange Strain Tensors . . . . . . . . . . . . . . 423 9.2.4.1 Green{Lagrange strain increment tensor . . . . . . . . 424 9.2.4.2 Updated Green{Lagrange strain tensor . . . . . . . . 424 9.2.5 Euler{Almansi Strain Tensor . . . . . . . . . . . . . . . 425 9.2.6 Relationships Between Various Stress Tensors . . . . . . . 426 9.2.7 Constitutive Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . 426 9.3 Total Lagrangian and Updated Lagrangian Formulations . . . . . 429 9.3.1 Principle of Virtual Displacements . . . . . . . . . . . . 429 9.3.2 Total Lagrangian Formulation . . . . . . . . . . . . . . 430 9.3.2.1 Weak form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430 9.3.2.2 Incremental decompositions . . . . . . . . . . . . . 431 9.3.2.3 Linearization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432 9.3.3 Updated Lagrangian Formulation . . . . . . . . . . . . . 433 9.3.3.1 Weak form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433 9.3.3.2 Incremental decompositions . . . . . . . . . . . . . 435 9.3.3.3 Linearization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436 9.3.4 Some Remarks on the Formulations . . . . . . . . . . . . 437 9.4 Finite Element Models of 2-D Continua . . . . . . . . . . . . 439 9.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439 9.4.2 Total Lagrangian Formulation . . . . . . . . . . . . . . 439 9.4.3 Updated Lagrangian Formulation . . . . . . . . . . . . . 444 9.4.4 Computer Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . 445 9.4.5 A Numerical Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450 9.5 Conventional Continuum Shell Finite Element . . . . . . . . . 458 9.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458 9.5.2 Incremental Equations of Motion . . . . . . . . . . . . . 459 9.5.3 Finite Element Model of a Continuum . . . . . . . . . . . 460 9.5.4 Shell Finite Element . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462 9.5.5 Numerical Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468 9.5.5.1 Simply-supported orthotropic plate under uniform load . 468 9.5.5.2 Four-layer (0/90/90/0) clamped plate under uniform load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469 9.5.5.3 Cylindrical shell roof under self-weight . . . . . . . . . 470 9.5.5.4 Simply-supported spherical shell under point load . . . . 471 9.5.5.5 Shallow cylindrical shell under point load . . . . . . . 472 9.6 A Rened Continuum Shell Finite Element . . . . . . . . . . . 473 9.6.1 Backgound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473 9.6.2 Representation of Shell Mid-Surface . . . . . . . . . . . . 474 9.6.3 Displacement and Strain Fields . . . . . . . . . . . . . . 478 9.6.4 Constitutive Relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480 9.6.4.1 Isotropic and functionally graded shells . . . . . . . . 481 9.6.4.2 Laminated composite shells . . . . . . . . . . . . . 483 9.6.5 The Principle of Virtual Displacements and its Discretization . 486 9.6.6 The Spectral/hp Basis Functions . . . . . . . . . . . . . 488 9.6.7 Finite Element Model and Solution of Nonlinear Equations . . 491 9.6.7.1 The Newton procedure . . . . . . . . . . . . . . . 491 9.6.7.2 The cylindrical arc-length procedure . . . . . . . . . . 493 9.6.7.3 Element-level static condensation and assembly of elements . . . . . . . . . . . . . . . . 495 9.6.8 Numerical Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497 9.6.8.1 A cantilevered plate strip under an end transverse load . 498 9.6.8.2 Post-buckling of a plate strip under axial compressive load 500 9.6.8.3 An annular plate with a slit under an end transverse load 501 9.6.8.4 A cylindrical panel subjected to a point load . . . . . . 504 9.6.8.5 Pull-out of an open-ended cylindrical shell . . . . . . . 509 9.6.8.6 A pinched half-cylindrical shell . . . . . . . . . . . . 512 9.6.8.7 A pinched cylinder with rigid diaphragms . . . . . . . 513 9.6.8.8 A pinched hemisphere with an 18 hole . . . . . . . . 515 9.6.8.9 A pinched composite hyperboloidal shell . . . . . . . . 517 9.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522 10 Weak-Form Finite Element Models of Flows of Viscous Incompressible Fluids . . . . . . . . . . . . . . 523 10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523 10.2 Governing Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524 10.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524 10.2.2 Equation of Mass Continuity . . . . . . . . . . . . . . . 525 10.2.3 Equations of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525 10.2.4 Energy Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526 10.2.5 Constitutive Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . 526 10.2.6 Boundary Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527 10.3 Summary of Governing Equations . . . . . . . . . . . . . . . 529 10.3.1 Vector Form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529 10.3.2 Cartesian Component Form . . . . . . . . . . . . . . . 529 10.4 Velocity{Pressure Finite Element Model . . . . . . . . . . . . 530 10.4.1 Weak Forms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 530 10.4.2 Semidiscrete Finite Element Model . . . . . . . . . . . . 532 10.4.3 Fully Discretized Finite Element Model . . . . . . . . . . 534 10.5 Penalty Finite Element Models . . . . . . . . . . . . . . . . 535 10.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535 10.5.2 Penalty Function Method . . . . . . . . . . . . . . . . 536 10.5.3 Reduced Integration Penalty Model . . . . . . . . . . . . 538 10.5.4 Consistent Penalty Model . . . . . . . . . . . . . . . . 539 10.6 Computational Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 540 10.6.1 Properties of the Finite Element Equations . . . . . . . . . 540 10.6.2 Choice of Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 541 10.6.3 Evaluation of Element Matrices in Penalty Models . . . . . 543 10.6.4 Post-Computation of Pressure and Stresses . . . . . . . . . 544 10.7 Computer Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545 10.7.1 Mixed Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545 10.7.2 Penalty Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 549 10.7.3 Transient Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552 10.8 Numerical Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552 10.8.1 Preliminary Comments . . . . . . . . . . . . . . . . . 552 10.8.2 Linear Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552 10.8.3 Nonlinear Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 561 10.8.4 Transient Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 567 10.9 Non-Newtonian Fluids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 570 10.9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 570 10.9.2 Governing Equations in Cylindrical Coordinates . . . . . . 570 10.9.3 Power-Law Fluids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 572 10.9.4 White{Metzner Fluids . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574 10.9.5 Numerical Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . 578 10.10 Coupled Fluid Flow and Heat Transfer . . . . . . . . . . . . 582 10.10.1 Finite Element Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582 10.10.2 Numerical Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583 10.10.2.1 Heated cavity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583 10.10.2.2 Solar receiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584 10.11 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 587 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 587 11 Least-Squares Finite Element Models of Flows of Viscous Incompressible Fluids . . . . . . . . . . . . . . 589 11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 589 11.2 Least-Squares Finite Element Formulation . . . . . . . . . . . 593 11.2.1 The Navier{Stokes Equations of Incompressible Fluids . . . . 593 11.2.2 Numerical Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595 11.2.2.1 Low Reynolds number ow past a circular cylinder . . . 595 11.2.2.2 Steady ow over a backward facing step . . . . . . . . 600 11.2.2.3 Lid-driven cavity ow . . . . . . . . . . . . . . . . 604 11.3 A Least-Squares Finite Element Model with Enhanced Element-Level Mass Conservation . . . . . . . . . . . . . . . 607 11.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 607 11.3.2 Unsteady Flows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 608 11.3.2.1 The velocity{pressure{vorticity rst-order system . . . . 609 11.3.2.2 Temporal discretization . . . . . . . . . . . . . . . 609 11.3.2.3 The standard L2-norm based least-squares model . . . . 610 11.3.2.4 A modied L2-norm based least-squares model with improved element-level mass conservation . . . . . . . 611 11.3.3 Numerical Examples: Verication Problems . . . . . . . . 613 11.3.3.1 Steady Kovasznay ow . . . . . . . . . . . . . . . 613 11.3.3.2 Steady ow in a 1 2 rectangular cavity . . . . . . . 616 11.3.3.3 Steady ow past a large cylinder in a narrow channel . . 619 11.3.3.4 Unsteady ow past a circular cylinder . . . . . . . . . 621 11.3.3.5 Unsteady ow past a large cylinder in a narrow channel . 627 11.4 Summary and Future Direction . . . . . . . . . . . . . . . . 632 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635 Appendix 1: Solution Procedures for Linear Equations . . . . 637 A1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 637 A1.2 Direct Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 639 A1.2.1 Preliminary Comments . . . . . . . . . . . . . . . . . 639 A1.2.2 Symmetric Solver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 640 A1.2.3 Unsymmetric Solver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 642 A1.3 Iterative Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644 Appendix 2: Solution Procedures for Nonlinear Equations . . 645 A2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 645 A2.2 The Picard Iteration Method . . . . . . . . . . . . . . . . . 646 A2.3 The Newton Iteration Method . . . . . . . . . . . . . . . . 650 A2.4 The Riks and Modied Riks Methods . . . . . . . . . . . . . 654 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 663 Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 679