PHÁT TRIỂN PHẦN TỬ HỮU HẠN MỚI DỰA TRÊN NỘI SUY LIÊN TIẾP CHO BÀI TOÁN CƠ NHIỆT 2D VÀ 3D

Luận án Tiến sĩ Cơ Kỹ thuật: Phát triển phần tử hữu hạn mới dựa trên nội suy liên tiếp cho bài toán cơ nhiệt 2D/3D. Nghiên cứu chuyên sâu về kỹ thuật mới.

• Tác giả: Nguyễn Ngọc Minh
• Người hướng dẫn: Trương Tích Thiện
• Trường học: university of technology
• Chuyên ngành: Engineering Mechanics (Cơ kỹ thuật)
• Đề tài: Development Of New Finite Elements Based On Consecutive-interpolation For 2D And 3D Thermal-mechanical Problems
• Loại tài liệu: Phd Thesis
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Bài Toán Cơ Nhiệt và Phương Pháp FEM 55 ký tự

Bài toán cơ nhiệt là một lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật, xuất hiện trong nhiều ứng dụng thực tế như hàng không vũ trụ, kỹ thuật điện, cơ khí và xây dựng. Các bài toán này liên quan đến việc phân tích sự tương tác giữa trường nhiệt và trường ứng suất-biến dạng trong vật liệu. Sự thay đổi nhiệt độ có thể gây ra ứng suất nhiệt, dẫn đến biến dạng và thậm chí phá hủy cấu trúc. Do đó, việc mô phỏng và phân tích chính xác các bài toán cơ nhiệt là rất quan trọng để đảm bảo an toàn và độ tin cậy của các công trình và thiết bị. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là một công cụ mạnh mẽ để giải quyết các bài toán này. FEM chia miền giải thành các phần tử nhỏ hơn, xấp xỉ nghiệm trên mỗi phần tử và sau đó kết hợp các nghiệm này để có được nghiệm tổng thể. Phương pháp này có thể xử lý các hình dạng phức tạp, điều kiện biên khác nhau và các thuộc tính vật liệu không đồng nhất. Tuy nhiên, FEM truyền thống cũng có những hạn chế nhất định, đặc biệt là trong việc mô tả chính xác gradient trường (như gradient nhiệt độ hoặc ứng suất) tại các nút.

1.1. Giới thiệu bài toán truyền nhiệt và ứng dụng thực tế

Bài toán truyền nhiệt đóng vai trò then chốt trong vô số ứng dụng kỹ thuật, từ hệ thống điều hòa không khí phức tạp đến các thiết bị điện tử hàng ngày. Quá trình truyền nhiệt có thể xảy ra thông qua dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ hoặc kết hợp của các cơ chế này. Phân tích chính xác truyền nhiệt cho phép kỹ sư tối ưu hóa hiệu suất thiết bị, tăng cường độ bền và đảm bảo vận hành an toàn. Ví dụ, trong thiết kế động cơ đốt trong, hiểu rõ sự phân bố nhiệt giúp ngăn ngừa quá nhiệt cục bộ, cải thiện hiệu suất đốt cháy và kéo dài tuổi thọ động cơ. Tương tự, trong kỹ thuật điện, phân tích truyền nhiệt là yếu tố quyết định trong việc thiết kế hệ thống làm mát hiệu quả cho các linh kiện điện tử, tránh quá nhiệt và đảm bảo độ tin cậy của thiết bị. Theo [4], quá trình truyền nhiệt tuân theo định luật bảo toàn năng lượng.

1.2. Tổng quan phương pháp phần tử hữu hạn FEM và ưu nhược điểm

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là một kỹ thuật số mạnh mẽ, cho phép kỹ sư mô phỏng và phân tích hành vi của các cấu trúc và hệ thống phức tạp. Ưu điểm chính của FEM nằm ở khả năng xử lý các hình học phức tạp, vật liệu không đồng nhất và điều kiện biên đa dạng. FEM chia miền giải quyết thành nhiều phần tử hữu hạn nhỏ kết nối với nhau tại các nút. Phương pháp này xấp xỉ nghiệm trên từng phần tử bằng các hàm nội suy, sau đó lắp ráp các phương trình phần tử để tạo thành hệ phương trình toàn cục. Mặc dù rất hiệu quả, FEM truyền thống cũng có những hạn chế nhất định. Một trong những hạn chế chính là việc biểu diễn không liên tục của gradient trường (ví dụ: gradient nhiệt độ hoặc ứng suất) tại các nút, điều này có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả, đặc biệt trong các bài toán có sự tập trung ứng suất cao.

II. Thách Thức Với FEM Độ Chính Xác và Tính Liên Tục 59 ký tự

Một trong những thách thức chính của phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) truyền thống là tính không liên tục của trường đạo hàm (gradient) tại các nút. Điều này không phù hợp về mặt vật lý, vì các trường vật lý thực tế thường có tính liên tục. Sự không liên tục này có thể dẫn đến sai số trong kết quả, đặc biệt là trong các bài toán mà gradient trường đóng vai trò quan trọng, ví dụ như bài toán truyền nhiệt hoặc bài toán có sự tập trung ứng suất. Để khắc phục vấn đề này, nhiều phương pháp đã được phát triển, bao gồm các phương pháp có độ liên tục cao (high-order continuity) như phương pháp Đẳng hình học (Isogeometric Analysis) và phương pháp không lưới (Meshfree methods). Tuy nhiên, các phương pháp này thường phức tạp và tốn kém về mặt tính toán. Luận án này tập trung vào việc phát triển một phần tử hữu hạn mới có khả năng khắc phục vấn đề này mà vẫn duy trì tính đơn giản và hiệu quả của FEM truyền thống.

2.1. Vấn đề không liên tục gradient trong FEM truyền thống

Trong phương pháp phần tử hữu hạn truyền thống, các hàm nội suy thường chỉ đảm bảo tính liên tục của trường giá trị (ví dụ: nhiệt độ, chuyển vị) giữa các phần tử, nhưng không đảm bảo tính liên tục của trường đạo hàm (ví dụ: gradient nhiệt độ, ứng suất). Điều này có nghĩa là giá trị đạo hàm có thể khác nhau ở hai phía của một nút chung giữa hai phần tử, dẫn đến sự không liên tục tại nút. Sự không liên tục này không phù hợp với các hiện tượng vật lý thực tế, nơi mà các trường đạo hàm thường biến đổi mượt mà. Sự không liên tục gradient có thể gây ra sai số trong kết quả, đặc biệt khi phân tích các bài toán có sự tập trung gradient cao, chẳng hạn như bài toán truyền nhiệt có nguồn nhiệt cục bộ hoặc bài toán cơ học có vết nứt.

2.2. Các phương pháp khắc phục Đẳng hình học và phương pháp không lưới

Để giải quyết vấn đề không liên tục gradient trong FEM, các phương pháp tiên tiến hơn như phương pháp Đẳng hình học (Isogeometric Analysis) và phương pháp không lưới (Meshfree methods) đã được phát triển. Phương pháp Đẳng hình học sử dụng các hàm cơ sở NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines) để mô tả cả hình học và trường nghiệm, đảm bảo tính liên tục cao hơn. Phương pháp không lưới loại bỏ hoàn toàn sự phụ thuộc vào lưới phần tử, sử dụng các hàm gần đúng dựa trên các điểm rời rạc, cho phép mô phỏng các bài toán có biến dạng lớn và tái cấu trúc. Tuy nhiên, cả hai phương pháp này đều có độ phức tạp cao hơn và đòi hỏi chi phí tính toán lớn hơn so với FEM truyền thống, gây khó khăn cho việc áp dụng rộng rãi trong thực tế.

III. Kỹ Thuật Nội Suy Liên Tiếp Giải Pháp FEM Mới 58 ký tự

Kỹ thuật nội suy liên tiếp (Consecutive-Interpolation Procedure - CIP) là một phương pháp mới được đề xuất để cải thiện độ chính xác và tính liên tục của phương pháp phần tử hữu hạn mà không làm tăng đáng kể độ phức tạp tính toán. CIP tích hợp thông tin về gradient trường tại các nút vào quá trình nội suy, giúp tạo ra trường gradient liên tục hơn so với FEM truyền thống. Phương pháp này sử dụng không chỉ giá trị tại nút mà còn giá trị đạo hàm trung bình tại nút, từ đó cải thiện độ chính xác của trường đạo hàm. Ưu điểm chính của CIP là nó vẫn duy trì thuộc tính Kronecker quan trọng trong tính toán số, sử dụng cùng một lưới phần tử với FEM truyền thống và không làm tăng số lượng bậc tự do. Luận án này tập trung vào việc hệ thống hóa và phát triển CIP để tạo ra một nhóm phần tử hữu hạn mới phù hợp với nhiều miền bài toán, từ một chiều đến ba chiều, và được áp dụng để phân tích bài toán tương tác cơ-nhiệt.

3.1. Nguyên lý hoạt động của kỹ thuật nội suy liên tiếp CIP

Kỹ thuật nội suy liên tiếp (CIP) dựa trên ý tưởng sử dụng thông tin về gradient trường tại các nút để cải thiện quá trình nội suy. Trong FEM truyền thống, các hàm nội suy chỉ sử dụng giá trị trường (ví dụ: nhiệt độ, chuyển vị) tại các nút. CIP bổ sung thêm thông tin về gradient trường tại các nút, thường được tính bằng cách trung bình gradient từ các phần tử lân cận. Thông tin gradient này được sử dụng để xây dựng các hàm nội suy mới, đảm bảo tính liên tục của gradient trường giữa các phần tử. Do đó, CIP có thể tạo ra trường gradient liên tục và chính xác hơn so với FEM truyền thống.

3.2. Ưu điểm của CIP so với các phương pháp FEM truyền thống

So với FEM truyền thống, CIP mang lại nhiều ưu điểm đáng kể. Thứ nhất, nó cải thiện độ chính xác của kết quả bằng cách giảm thiểu sự không liên tục của trường đạo hàm tại các nút. Thứ hai, CIP vẫn duy trì thuộc tính Kronecker, cho phép đơn giản hóa quá trình lắp ráp và giải hệ phương trình. Thứ ba, CIP sử dụng cùng một lưới phần tử với FEM truyền thống, giúp dễ dàng tích hợp vào các phần mềm FEM hiện có. Thứ tư, CIP không làm tăng số lượng bậc tự do, giúp giảm chi phí tính toán so với các phương pháp có độ liên tục cao khác.

3.3. Duy trì thuộc tính Kronecker và không tăng bậc tự do

Một trong những lợi thế quan trọng của kỹ thuật nội suy liên tiếp là nó duy trì thuộc tính Kronecker. Điều này có nghĩa là các hàm nội suy có giá trị bằng 1 tại nút tương ứng và bằng 0 tại các nút khác. Thuộc tính Kronecker giúp đơn giản hóa việc xây dựng ma trận độ cứng và vectơ tải trọng, đồng thời đảm bảo rằng các điều kiện biên được áp dụng một cách chính xác. Ngoài ra, CIP không làm tăng số lượng bậc tự do so với FEM truyền thống. Điều này là do CIP sử dụng thông tin gradient hiện có tại các nút, thay vì thêm các nút mới hoặc các biến số mới.

IV. Ứng Dụng XCQ4 Bài Toán Cơ Nhiệt 2D Vật Liệu Dị Hướng 57 ký tự

Luận án này trình bày việc phát triển và ứng dụng phần tử hữu hạn mới dựa trên CIP, được gọi là XCQ4, để giải quyết bài toán tương tác cơ nhiệt trong vật liệu dị hướng. XCQ4 là một phần tử tứ giác 4 nút được tăng cường bằng kỹ thuật CIP, cho phép mô phỏng chính xác các trường gradient và sự tập trung ứng suất trong vật liệu dị hướng. Phương pháp này được áp dụng để phân tích các bài toán có vết nứt, trong đó sự tập trung ứng suất và gradient nhiệt độ cao đóng vai trò quan trọng. Kết quả cho thấy rằng XCQ4 có độ chính xác cao hơn so với các phần tử FEM truyền thống trong việc dự đoán các yếu tố cường độ ứng suất và đường lan truyền vết nứt trong vật liệu dị hướng chịu tải trọng cơ nhiệt.

4.1. Phát triển phần tử XCQ4 cho bài toán cơ nhiệt 2D

Phần tử XCQ4 là một phần tử tứ giác 4 nút được phát triển dựa trên kỹ thuật nội suy liên tiếp (CIP), đặc biệt được thiết kế để giải quyết các bài toán tương tác cơ nhiệt trong không gian hai chiều. Phần tử này được tăng cường bằng các hàm nội suy bổ sung, cho phép mô tả chính xác hơn trường gradient và sự tập trung ứng suất. Công thức XCQ4 bao gồm cả trường chuyển vị và trường nhiệt độ, cho phép mô phỏng sự tương tác giữa hai trường này một cách hiệu quả.

4.2. Ứng dụng phân tích bài toán có vết nứt trong vật liệu dị hướng

Một trong những ứng dụng quan trọng của phần tử XCQ4 là phân tích các bài toán có vết nứt trong vật liệu dị hướng. Trong các bài toán này, sự tập trung ứng suất và gradient nhiệt độ cao xảy ra xung quanh đầu vết nứt. XCQ4 có khả năng mô phỏng chính xác các trường này, cho phép dự đoán chính xác các yếu tố cường độ ứng suất (SIF) và đường lan truyền vết nứt. Vật liệu dị hướng, chẳng hạn như vật liệu composite, có các thuộc tính cơ học và nhiệt khác nhau theo các hướng khác nhau, làm cho việc phân tích trở nên phức tạp hơn.

4.3. So sánh hiệu quả XCQ4 với phần tử hữu hạn truyền thống

So sánh với các phần tử hữu hạn truyền thống, XCQ4 cho thấy độ chính xác và độ tin cậy cao hơn trong việc dự đoán các yếu tố cường độ ứng suất và đường lan truyền vết nứt trong vật liệu dị hướng chịu tải trọng cơ nhiệt. Các thử nghiệm số đã chứng minh rằng XCQ4 có khả năng hội tụ nhanh hơn và cung cấp kết quả chính xác hơn, đặc biệt trong các bài toán có sự tập trung ứng suất cao. Điều này làm cho XCQ4 trở thành một công cụ hiệu quả để phân tích và thiết kế các cấu trúc làm từ vật liệu dị hướng.

V. Phát Triển Phần Tử Hữu Hạn 3D Dựa Trên Kỹ Thuật CIP 56 ký tự

Luận án tiếp tục mở rộng kỹ thuật nội suy liên tiếp (CIP) để phát triển các phần tử hữu hạn 3D mới, phù hợp với các bài toán cơ nhiệt phức tạp trong không gian ba chiều. Các phần tử 3D này được xây dựng dựa trên công thức tổng quát để xác định các hàm phụ trợ, cho phép tích hợp CIP vào các loại phần tử khác nhau, chẳng hạn như phần tử tứ diện và phần tử hexahedron. Các phần tử 3D CIP được áp dụng để phân tích các bài toán truyền nhiệt và đàn hồi tuyến tính trong các miền phức tạp, cho thấy độ chính xác và hiệu quả cao hơn so với các phần tử FEM truyền thống.

5.1. Công thức tổng quát xác định hàm phụ trợ trong CIP 3D

Việc phát triển các phần tử hữu hạn 3D dựa trên kỹ thuật nội suy liên tiếp (CIP) đòi hỏi một công thức tổng quát để xác định các hàm phụ trợ. Công thức này phải có khả năng tích hợp CIP vào các loại phần tử khác nhau, chẳng hạn như phần tử tứ diện và phần tử hexahedron. Các hàm phụ trợ này được sử dụng để kết hợp thông tin gradient tại các nút vào quá trình nội suy, đảm bảo tính liên tục của trường đạo hàm.

5.2. Ứng dụng CIP 3D cho bài toán truyền nhiệt và đàn hồi tuyến tính

Các phần tử 3D CIP được áp dụng để phân tích các bài toán truyền nhiệt và đàn hồi tuyến tính trong các miền phức tạp. Trong bài toán truyền nhiệt, CIP giúp mô phỏng chính xác sự phân bố nhiệt độ và gradient nhiệt độ trong các cấu trúc 3D. Trong bài toán đàn hồi tuyến tính, CIP giúp dự đoán chính xác ứng suất và biến dạng trong các cấu trúc chịu tải trọng khác nhau. Các thử nghiệm số đã chứng minh rằng các phần tử 3D CIP có độ chính xác và hiệu quả cao hơn so với các phần tử FEM truyền thống.

VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Cho Phần Tử Hữu Hạn Mới 59 ký tự

Luận án này đã trình bày việc phát triển một nhóm phần tử hữu hạn mới dựa trên kỹ thuật nội suy liên tiếp (CIP), có khả năng giải quyết các bài toán cơ nhiệt 2D và 3D một cách hiệu quả. Phương pháp này cải thiện độ chính xác và tính liên tục của FEM truyền thống mà không làm tăng đáng kể độ phức tạp tính toán. Các phần tử mới, đặc biệt là XCQ4 và các phần tử 3D CIP, đã được chứng minh là có độ chính xác cao hơn trong việc dự đoán các yếu tố cường độ ứng suất và đường lan truyền vết nứt trong vật liệu dị hướng. Trong tương lai, nghiên cứu có thể được mở rộng để áp dụng CIP cho các bài toán phi tuyến, các bài toán động lực học và các bài toán có sự tương tác giữa nhiều trường vật lý.

6.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu và ưu điểm của phương pháp CIP

Nghiên cứu này đã thành công trong việc phát triển một phương pháp mới, kỹ thuật nội suy liên tiếp (CIP), để cải thiện độ chính xác và tính liên tục của phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) trong việc giải quyết các bài toán cơ nhiệt. CIP đã được chứng minh là có nhiều ưu điểm so với FEM truyền thống, bao gồm độ chính xác cao hơn, tính liên tục tốt hơn, khả năng hội tụ nhanh hơn và không làm tăng đáng kể độ phức tạp tính toán.

6.2. Hướng phát triển tiếp theo cho phần tử hữu hạn dựa trên CIP

Trong tương lai, nghiên cứu có thể được mở rộng theo nhiều hướng khác nhau. Một hướng đi là áp dụng kỹ thuật nội suy liên tiếp (CIP) cho các bài toán phi tuyến, chẳng hạn như các bài toán có độ dẻo, độ nhớt và sự biến dạng lớn. Một hướng khác là phát triển các phần tử CIP cho các bài toán động lực học, cho phép mô phỏng các hiện tượng như va chạm và rung động. Ngoài ra, CIP có thể được tích hợp vào các phần tử có khả năng mô phỏng sự tương tác giữa nhiều trường vật lý, chẳng hạn như sự tương tác giữa cơ học, nhiệt học và điện từ học. Cuối cùng, việc tối ưu hóa các thuật toán CIP và phát triển các phần mềm chuyên dụng sẽ giúp CIP trở nên dễ tiếp cận hơn và được ứng dụng rộng rãi trong thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY NGUYỄN NGỌC MINH DEVELOPMENT OF NEW FINITE ELEMENTS BASED ON CONSECUTIVE-INTERPOLATION FOR 2D AND 3D THERMAL-MECHANICAL PROBLEMS PHD THESIS IN ENGINEERING HO CHI MINH CITY - 2020 VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY NGUYỄN NGỌC MINH DEVELOPMENT OF NEW FINITE ELEMENTS BASED ON CONSECUTIVE-INTERPOLATION FOR 2D AND 3D THERMAL-MECHANICAL PROBLEMS Major: Engineering Mechanics (Cơ kỹ thuật) Codes: 62520101 Independent Examiner 1: Associate Prof. NGUYỄN VĂN HIẾU Independent Examiner 2: Associate Prof. NGUYỄN QUỐC HƯNG Examiner 1: Dr. TRỊNH ANH NGỌC Examiner 2: Associate Prof.

CHÂU ĐÌNH THÀNH Examiner 3: Associate Prof. LƯƠNG VĂN HẢI SCIENTIFIC SUPERVISORS: 1. TRƯƠNG TÍCH THIỆN 2. BÙI QUỐC TÍNH LỜI CAM ĐOAN / DECLARATION Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả.

Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. This doctoral dissertation is the outcome of my original research, conducted at the Ho Chi Minh city University of Technology, VNU – HCM, Viet Nam. I declare that this document is my own work and has not submitted for any other degree or qualification except as specified.

All the references are cited in the document. Tác giả luận án / Author Chữ ký / Signature i TÓM TẮT LUẬN ÁN Luận án trình bày một nhóm phần tử hữu hạn mới dựa trên sự tích hợp kỹ thuật nội suy liên tiếp vào phương pháp phần tử hữu hạn truyền thống. Với kỹ thuật này, không chỉ giá trị tại nút mà cả giá trị đạo hàm trung bình tại nút cũng được sử dụng trong quá trình xấp xỉ. Nhờ đó trường đạo hàm thu được từ nhóm phần tử hữu hạn mới là một trường liên tục, thay vì bất liên tục tại nút (không hợp lý về mặt vật lý) như phương pháp truyền thống.

Sự cải thiện về tính liên tục cũng mang đến độ chính xác cao hơn của lời giải xấp xỉ. Tuy nhiên khác với các phương pháp có độ liên tục bậc cao hiện hành như phương pháp Đẳng hình học hay phương pháp không lưới, phương pháp phần tử hữu hạn nội suy liên tiếp vẫn duy trì thuộc tính Kronecker quan trọng trong tính toán số. Thêm vào đó, phương pháp đề xuất sử dụng cùng một lưới phần tử với phương pháp phần tử hữu hạn truyền thống và không làm tăng số lượng bậc tự do. Kỹ thuật nội suy liên tiếp ban đầu được giới thiệu riêng lẻ cho phần tử tam giác 3 nút và phần tử tứ giác 4 nút và áp dụng với bài toán đàn hồi tuyến tính hai chiều.

Trong luận án này, phương pháp được hệ thống hóa và phát triển nâng cao để tạo ra một nhóm phần tử hữu hạn mới phù hợp với nhiều miền bài toán từ một chiều đến ba chiều, và được áp dụng để phân tích bài toán tương tác cơ-nhiệt. Phương pháp đề xuất tiếp tục được mở rộng để khảo sát ứng xử của miền chứa dạng bất liên tục như vết nứt, với vật liệu đẳng hướng và vật liệu trực hướng. ii ABSTRACT This dissertation presents a new group of finite elements based on the integration of consecutive-interpolation procedure into the traditional Finite Element Method. With this technique, not only the nodal values but also the averaged nodal gradients are included in approximation process.

As a result, the gradient fields obtained by the new group of finite elements are smooth, unlike the fields which are (non-physically) discontinuous at nodes delivered by traditional Finite Element Method. The improvement on continuity results in higher accuracy of approximated solution as well. On the other hand, unlike the other higher-order methods such as the Isogeometric Analysis and the Meshfree methods, the novel Consecutive-interpolation Finite Element Method possesses the important Kronecker-delta property. Furthermore, the proposed method employs the same discretization mesh with the traditional Finite Element Method and does not increase the number of degrees of freedom.

The consecutive-interpolation procedure was initially introduced separately for the 3- node triangular element and the 4-node quadrilateral element to be used in analysis of two-dimensional linear elastic problems. In this dissertation, the method is further developed to form a new class of finite elements which is suitable for domains from 1D to 3D. The new group of finite elements (being integrated with consecutive-interpolation procedure) is applied to analyze the thermo-mechanical problems. The proposed method is also extended to study behaviors of bodies containing discontinuities such as cracks, for both isotropic and orthotropic materials.

iii CONTENTS LỜI CAM ĐOAN / DECLARATION .iv LIST OF FIGURES. viii LIST OF TABLES. xiii CHAPTER 1 INTRODUCTION .1 Heat transfer and thermo-mechanical problems .1 Finite element method (FEM) and its issues. 2 Trends in development of numerical methods .5 Original contributions of the dissertation.

7 Scientific and practical meaning of the contributions by the dissertation .8 Scope of the dissertation .8 Outline of the dissertation .9 CHAPTER 2 LINEAR THERMO-ELASTIC PROBLEMS .13 Time integration scheme .1 Backward Euler scheme. 16 CHAPTER 3 CONSECUTIVE-INTERPOLATION PROCEDURE FOR 1D AND 2D PROBLEMS .17 Issue of non-physically discontinuous nodal gradient in Finite Element Method (FEM): An example of two-node bar element (L2 element). 17 The consecutive-interpolation procedure (CIP) for two-node bar element: CL2 element.1 Calculation of CIP-based shape functions .2 First order derivative of CIP-based shape functions .3 Modification to retain the C0-continuity. 25 The consecutive-interpolation procedure (CIP) for three-node triangular element (CT3) and four-node quadrilateral element (CQ4) .1 CIP-enhanced formulation for 2D domain .2 The CT3 element .3 The CQ4 element .37 CHAPTER 4 TWO-DIMENSIONAL DYNAMIC AND QUASI-STATIC THERMOELASTIC FRACTURE PROBLEMS IN ISOTROPIC MATERIALS .38 Numerical modeling of cracks .39 The extended consecutive-interpolation four-node quadrilateral element (XCQ4) .1 Enriched formulation for displacement field .2 Enriched formulation for temperature field .43 Computation of (dynamic) stress intensity factors (DSIFs) for thermo-elastic fracture problems .45 Crack growth modeling.

48 Numerical results and discussion .1 Edge crack under constant flux (mode-I) .2 Static SIFs analysis: Square plate with a center crack .3 Static SIFs analysis: Rectangular plate with a slant center crack (mixed - mode) .4 Quasi-static crack propagation simulation of a slant edge crack in a cruciform panel .5 Dynamic SIFs analysis: Edge crack under quasi-static thermal shock .6 Dynamic SIFs analysis: Center crack under quasi-static thermal shock .7 Dynamic SIFs analysis: Curved crack under dynamic thermal shock .76 CHAPTER 5 TWO-DIMENSIONAL QUASI-STATIC THERMO-ELASTIC FRACTURE PROBLEMS IN ORTHOTROPIC MATERIALS .78 v Formulation of XCQ4 element for linear thermo-elastic fracture problems in orthotropic media .1 The characteristic equation of an arbitrary orthotropic material .2 Enriched formulation for displacement .3 Enriched formulation for temperature. 83 Evaluation of SIFs by Interaction integral. 83 Crack growth modeling.1 Static SIFs analysis: Single edge notched specimen under mechanical tensile load .2 Static SIFs analysis: Rectangular epoxy/glass plate with a horizontal edge crack under constant flux.3 Static SIFs analysis: Rectangular epoxy/glass plate with a slant center crack .4 Static SIFs analysis: An anisotropic square plate with two parallel isothermal cracks .5 Quasi static crack propagation in an anisotropic cracked disc .6 Quasi static crack propagation of an edge crack in a rectangular plate under constant flux .7 Quasi static crack propagation in a perforated panel with a circular hole under constant heat flux.106 CHAPTER 6 DEVELOPMENT OF 3D CIP-BASED FINITE ELEMENTS .107 Generalized formulation to determine auxiliary functions .107 CIP-enhanced FEM for 3D linear heat transfer problems .1 Steady-state heat convection in a 3D complicated domain.2 Transient heat transfer in a plate with cylindrical hole .113 CIP-enhanced FEM for 3D linear elastic problems .1 Static analysis of a cantilever beam with T-shaped cross-section .2 Free vibration analysis of a hollow cylinder .3 Free vibration analysis of a composite sandwich beam .124 CHAPTER 7 CONCLUSIONS AND OUTLOOKS .1 XCQ4 element for analysis of linear thermo-elastic fracture problems .2 General formulation of CIP-enhanced elements .144 vii LIST OF FIGURES Figure 1. Thermal crack in an asphalt pavement [7].

Illustration of a finite element mesh for a two-dimensional heat transfer problem. Convergence of thermal energy corresponding to mesh size. Illustration of a two-node bar element (L2) in global system of coordinates (left) and in natural coordinates (right). A one-dimensional domain being discretized by two L2 elements.

Shape function associated with node 2 (global) of the Example provided in Figure 3.2, computed by traditional FEM and by CIP-enhanced FEM. CIP-based shape functions R1, R2 and R3 associated with the nodes given in Figure 3. First-order derivative of the shape functions associated with node 2 of the Example given in Figure 3.2, computed by traditional FEM and CIP-enhanced FEM .4: Sketch of 1D bar subjected to body load. The bar is uniformly discretized by 5 eleements .4: Comparison of stress calculated by standard FEM and the proposed CIP-enhanced FEM.4: Convergence rate with respect to number of degrees of freedom (DOFs) of the standard linear FEM, quadratic FEM and CIP approach.

Visualization of the shape function for a CQ4 element. Visualization of the first order derivative of shape function for a CQ4 element. Sketch of the CIP-enhanced four-node quadrilateral element (CQ4) in a 2D finite element mesh [42] .1: Cantilever beam being subject to parabolic shear load31 Figure 3.1: (a) The triangular mesh and (b) quadrilateral mesh at coarsest level.1: Convergence rate of elastic energy with respect to mesh size, presented in log-log scale .1: The field of normal stress component σxx computed by four types of element: CQ4, Q4, CT3 and T3 .2: Quarter model of the thick cylinder pipe and boundary conditions.2: Temperature distribution in the cylinder pipe .2: Hoop stress distribution in the cylinder pipe. Signed distance function.

The set of nodes enriched by Heaviside function (denoted by x symbol and the set of nodes enriched by branch functions (denoted by square symbol). Level set functions. The interaction integral domain. The weighting function q(x).1: (a) Geometry and boundary conditions of a strip with an edge crack under constant flux and (b) its deformed shape obtained with XCQ4 elements .1: Different interaction integral domain size selected to evaluate the interaction integral: (a) domain 1, (b) domain (2), (c) domain 3 and (d) domain 4.

A mesh size of 25 x 49 elements is used for both XQ4 and XCQ4 .1: Convergence of SIFs evaluated by XCQ4 and XQ4 elements with respect to number of nodes .1: Distribution of temperature [oC] .1: Stress component σxx [Pa] obtained by (a) XCQ4 element and (b) XQ4 element, showing in deformed shape.2: A square plate with horizontal center crack under two sets of boundary conditions: (a) Adiabatic crack and (b) Isothermal crack .1: Geometry and boundary conditions .1: Normalized SIFs with respect to a/W at the inclined angle θ = 30o .1: Normalized SIFs with respect to crack angle θ, given a/W = 0.2: Geometry and boundary conditions .2: Normalized SIFs with respect to a/W at the inclined angle θ = 30o .2: Normalized SIFs with respect to crack angle θ, given a/W = 0.4: Geometry and a typical mesh of a cruciform panel (AF = BE = HC = GD = 3L) .4: Crack paths predicted for four loading cases reported in Table 4.5 by the present XCQ4 element. These paths are comparable with those derived by other numerical methods available in literatures, e.4: Temperature [oC] distribution of the cruciform panel for (a) case 1 and (b) case 3 by the XCQ4. (a) Distrbution of normal stress σyy [Pa] and (b) the displacement uy [m] for case 3 by the XCQ4 .