In this paper, analysis and control of the flexible multibody system using MATLAB is presented. The equations of motion of a flexible body are derived in terms of the modal coordinate. The rigid-flexible multibody dynamic solver is developed. Finite element information required to analyze motion of flexible bodies is imported from ANSYS. The modified finite element data, such as modal mass matrix, modal stiffness matrix and constraint mode shapes, is calculated in the solver. Since the solver is developed using MATLAB, it is very easy to connect with SIMULINK which is widely used to control motion of the multibody system. Several simulations are implemented to verify the developed solver. A control example is carried out and the usefulness of the developed solver is demonstrated.
The focus of this study is on the problem of the design of structure of undetermined topology. This problem has been regarded as being the most challenging of structural optimization problems, because of the difficulty of allowing topology to change. Conventional approaches break down when element sizes approach to zero, due to stiffness matrix singularity. In this study, a novel nonlinear Programming formulation of the topology Problem is developed and examined. Its main feature is the ability to account for topology variation through zero element sizes. Stiffness matrix singularity is avoided by embedding the equilibrium equations as equality constraints in the optimization problem. Although the formulation is general, two dimensional plane elasticity examples are presented. The design problem is to find minimum weight of a plane structure of fixed geometry but variable topology, subject to constraints on stress and displacement. Variables are thicknesses of finite elements, and are permitted to assume zero sizes. The examples demonstrate that the formulation is effective for finding at least a locally minimal weight.
Three-dimensional Lagrangian fluid finite element is applied to seismic response analysis of an oil storage tank with a floating roof. The fluid element utilized in the present analysis is formulated based on the displacement finite element method considering only volumetric elasticity and its element stiffness matrix is derived by using one-point integration method in order to avoid volumetric locking. The method usually adds a rotational penalty stiffness to satisfy the irrotational condition for fluid motion and modifies element mass matrices through the projected mass method to suppress spurious hourglass-mode appeared in compensation for one-point integration. In the fluid element utilized in the present paper, a small hourglass stiffness is employed. The fluid and structure domains for the objective oil storage tank are modeled by eight-node solid elements and four-node shell elements, respectively, and the transient response of the floating roof structure or the free surface are evaluated by implicit direct time integration method. The results of seismic response analyses are compared with those by other method and the validation of the present analysis using three-dimensional Lagrangian fluid finite elements is shown.
A mixed eight-node hexahedral element formulated via the Hu-Washizu principle as well as the field extrapolation technique is presented. The mixed element with only three translational degrees of freedom at each node can provide extremely accurate and reliable performance for popular benchmark problems such as spacial beams, plates, shells as well as general three-dimensional elasticity problems. Numerical calculations also show that when extremely skewed and coarse meshes and nearly incompressible materials are used, the proposed mixed element can still possess excellent behaviour. The mixed formulation starts with introduction of a parallelepiped domain associated with the given general eight-node hexahedral element. Then, the assumed strain field at the nodal level is constructed via the Hu-Washizu variational principle for that associated parallelepiped domain. Finally, the assumed strain field at the nodal level of the given hexahedral element is established by using the field extrapolation technique, and then by using the trilinear shape functions the assumed strain field of the whole element domain is obtained. All matrices involved in establishing the element stiffness matrix can be evaluated analytically and expressed explicitly; however, a 24 by 24 matrix has to be inverted to construct the displacement extrapolation matrix. The proposed hexahedral element satisfies the patch test as long as the element with a shape of parallelepiped.
유연한 액체 저장탱크 내 유체의 부가질량 및 슬러싱 강성행렬을 도출하는 새로운 방법을 제시하였다. 비점성, 비압축성 이상유체를 표면 출렁임을 고려하여 경계요소법에 의하여 모델링하였다. 유체의 표면과 저장탱크 벽체의 접촉면과 같은 불연속 경계를 다루기 위해 특별한 과정을 도입하였다. 원통형 액체저장탱크의 지진응답해석에 적용하여 우수한 결과를 얻을 수 있음을 확인하였다.
The use of frequency-dependent spectral element matrix (or exact dynamic stiffness matrix) in structural dynamics may provide very accurate solutions, together with drastically reducing the number of degrees of freedom to improve the computation efficiency and cost problems. Thus, this paper develops a spectral element model for the coupled thermoelastic beam which axially moves with constant speed under a uniform tension. The accuracy of the spectral element model is then evaluated by comparing the natural frequencies obtained by the present element model with those obtained by the conventional finite element model.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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제18권3호
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pp.467-473
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2017
This paper focuses on the investigation of three-dimensional (3D) warping effect on the stiffness constants of composite beams with closed section profiles. A finite element (FE) cross-sectional analysis is developed based on the Reissner's multifield variational principle. The 3D in-plane and out-of-plane warping displacements, and sectional stresses are approximated as linear functions of generalized sectional stress resultants at the global level and as FE shape functions at the local sectional level. The classical elastic couplings are taken into account which include transverse shear and Poisson deformation effects. A generalized Timoshenko level $6{\times}6$ stiffness matrix is computed for closed section composite beams with and without warping. The effect of neglecting the 3D warping on stiffness constants is shown to be significant indicating large errors as high as 93.3%.
This work presents the three-dimensional extended strain smoothing approach in the framework of finite element method, so-called smoothed finite element method (S-FEM) for quasi-incompressible hyperelastic materials undergoing the large deformations. The proposed method is known that the incompressible limits, such as over-estimation of stiffness and distorted mesh sensitivity, can be overcome in two dimensions. Therefore, in this paper, the idea of Cell-based, Edge-based and Node-based strain smoothing approaches is extended to three-dimensions. The construction of subcells and smoothing domains for each methods are explained. The smoothed strain-displacement matrix and the stiffness matrix are obtained on each smoothing domain in the same manner with two-dimensional S-FEM. Various numerical tests are studied to demonstrate the validity and accuracy of 3D-S-FEM. The obtained results are compared with analytical solutions to express the efficacy of the methods.
Curved beam element has received attention because of its own usefulness and its bearing on general curved elements like shells. In conventional curved beam elements stiffness matrix is overestimated and eigensolutions are poor. To avoid this phenomenon it is necessary to use a large number of elements and, as a result, the total number of degrees of freedom is increased. In this paper the two-noded, with three degrees of freedom at each node, in-plane curvature-based curbed beam element is employed in eigen-analysis of curved beam. It is shown that the curvature-based beam element is very efficient in vibration analysis and also that it is applicable to both thin and thick curved beams.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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