Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.29
no.3
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pp.285-292
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2016
In this study, FE-BE direct coupling methods of 1D and 2D problems are considered for the pontoon-type floating structure and the difference of the modeling dimensions is investigated for the hydroelastic response. The modeling dimensions are defined as the 1D problem consisting 1D beam-2D fluid coupling and the 2D problem consisting 2D plate-3D fluid coupling with zero-draft assumption. For case studies, hydroelastic responses of the 1D Problem are compared to those of the 2D Problem for a wide range of aspect ratio and regular waves. It is shown that the effects of the elastic behavior are increased by decreasing the incident wavelength, whereas the effects of the rigid behavior are increased by increasing the incident wavelength. In 2D problem, the incident wave angle can be considered, and slightly more accurate results can be obtained, but the computational efficiency is lower. On the other hand, in 1D problem with plate-strip condition, the incident wave angle cannot be considered, but when the aspect ratio is large, the overall responses can be analyzed through a simplified model, and the computational efficiency can be improved.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.28
no.5
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pp.459-465
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2015
There exist different kinds of aircrafts, such as conventional airplane, rotorcraft, fighter, and unmanned aerial vehicle. Their shape and feature are dependent upon their own assigned mission. One of the fundamental analyses performed during the aircraft design is the structural analysis. It becomes more complicated and requires severe computations because of the recent complex trends in aircraft structure. In order for efficiency in the structural analysis, a simplified approach, such as equivalent beam or plate model, is preferred. However, it is not clear which analysis will be appropriate to analyze the realistic configuration, such as an aircraft wing, i.e., between an equivalent beam and plate analysis. It is necessary to assess the limitation for both the one-dimensional beam analysis and the two-dimensional plate theory. Thus, in this paper, the static structural analysis results obtained by EDISON solvers were compared with the three-dimensional results obtained from MSC NASTRAN. Before that, EDISON program was verified by comparing the results with those from MSC NASTRAN program and other analytic solutions.
Kim, Jaeseung;Moon, Sanggon;Han, Jeongwoo;Lee, Geun-Ho;Kim, Min-Geun
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.35
no.4
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pp.243-248
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2022
Weight optimization was performed for a rotorcraft shaft system using one-dimensional Euler-Bernoulli beam elements. Torsion, shaft support stiffness such as bearings, flange mass are all considered. To guarantee structural dynamic stability, eigenvalue analysis was performed to avoid critical speed and tooth mesh excitation form the gearbox. The weight optimization was performed by adjusting the thickness and radius while the length of the shaft was fixed, and the optimization process was divided into two stages. In the first, the weight is optimized with the torsional strength constraint. In the second, the difference between the primary mode of shaft and the critical speed is maximized so that the primary mode of the shaft can avoid the critical speed while the constraint on the torsional strength of the shaft is satisfied according to the standard for shaft system stability (AMC P 706-201, 1974). The proposed method was verified by comparing the results of the optimal design using the given one-dimensional beam elements with the stress results of the 3D finite element and the actual manufactured shaft.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2008.11a
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pp.71-81
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2008
This paper proposes a spectral element which can represent dynamic responses in high frequency domain such as Lamb waves on a thin plate. A two layer beam model under 2-D plane strain condition is introduced to simulate high-frequency dynamic responses induced by piezoelectric layer (PZT layer) bonded on a base plate. In the two layer beam model, a PZT layer is assumed to be rigidly bonded on a base beam. Mindlin-Herrmann and Timoshenko beam theories are employed to represent the first symmetric and anti-symmetric Lamb wave modes on a base plate, respectively. The Bernoulli beam theory and 1-D linear piezoelectricity are used to model the electro-mechanical behavior of a PZT layer. The equations of motions of a two layer beam model are derived through Hamilton's principle. The necessary boundary conditions associated with electro mechanical properties of a PZT layer are formulated in the context of dual functions of a PZT layer as an actuator and a sensor. General spectral shape functions of response field and the associated boundary conditions are formulated through equations of motions converted into frequency domain. A detailed spectrum element formulation for composing the dynamic stiffness matrix of a two layer beam model is presented as well. The validity of the proposed spectral element is demonstrated through comparison results with the conventional 2-D FEM and the previously developed spectral elements.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.15
no.11
s.104
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pp.1287-1294
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2005
The purpose of this paper is to investigate free vibrations and critical loads of the Beck's columns with a tip spring, which carry a tip mass. The ordinary differential equation governing free vibrations of Beck's column subjected to a follower force is derived based on the Bernoulli-Euler beam theory Both the divergence and flutter critical loads are calculated from the load-frequency corves that are obtained by solving the differential equation numerically. The critical loads are presented in the figures as functions of various non-dimensional system parameters such as the subtangential parameter, mass ratio and spring parameter.
The flutter and buckling analysis of a beam structure subjected to a static follower force is completely studied in the paper. The beam is fixed in the transverse direction and constrained by a rotational spring at one end, and by a translational spring and a rotational spring at the other end. The co-existence of flutter and buckling in this beam due to the presence of the follower force is an interesting and important phenomenon. The results from this theoretical analysis will be useful for the stability design of structures in engineering applications, such as the potential of flutter control of aircrafts by smart materials. The transition-curve surface for differentiating the two distinct instability regions of the beam is first obtained with respect to the variations of the stiffness of the springs at the two ends. Second, the capacity of the follower force is derived for flutter and buckling of the beam as a function of the stiffness of the springs by observing the variation of the first two frequencies obtained from dynamic analysis of the beam. The research in the paper may be used as a benchmark for the flutter and buckling analysis of beams.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.28
no.12
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pp.2012-2018
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2004
The vibration of a semi-circular pipe conveying fluid is studied when the pipe is clamped at both ends. To consider the geometric nonlinearity, this study adopts the Lagrange strain theory for large deformation and the extensible dynamics based on the Euler-Bernoulli beam theory for slenderness assumption. By using the Hamilton principle, the non-linear partial differential equations are derived for the in-plane motions of the pipe, considering the fluid inertia forces as a kind of non-conservative forces. The linear and non-linear terms in the governing equations are compared with those in the previous study, and some significant differences are discussed. To investigate the dynamic characteristics of the system, the discretized equations of motion are derived from the Galerkin method. The natural frequencies varying with the flow velocity are computed from the two cases, which one is the linear problem and the other is the linearized problem in the neighborhood of the equilibrium position. Finally, the time responses at various flow velocities are directly computed by using the generalized-$\alpha$ method. From these results, we should consider the geometric nonlinearity to analyze dynamics of a semi-circular pipe conveying fluid more precisely.
The tension of an arch bridge hanger is estimated using a number of experimentally identified modal frequencies. The hanger is connected through metallic plates to the bridge deck and arch. Two different categories of model classes are considered to simulate the vibrations of the hanger: an analytical model based on the Euler-Bernoulli beam theory, and a high-fidelity finite element (FE) model. A Bayesian parameter estimation and model selection method is used to discriminate between models, select the best model, and estimate the hanger tension and its uncertainty. It is demonstrated that the end plate connections and boundary conditions of the hanger due to the flexibility of the deck/arch significantly affect the estimate of the axial load and its uncertainty. A fixed-end high fidelity FE model of the hanger underestimates the hanger tension by more than 20 compared to a baseline FE model with flexible supports. Simplified beam models can give fairly accurate results, close to the ones obtained from the high fidelity FE model with flexible support conditions, provided that the concept of equivalent length is introduced and/or end rotational springs are included to simulate the flexibility of the hanger ends. The effect of the number of experimentally identified modal frequencies on the estimates of the hanger tension and its uncertainty is investigated.
Eltaher, Mohamed A.;Omar, Fatema-Alzahraa;Abdraboh, Azza M.;Abdalla, Waleed S.;Alshorbagy, Amal E.
Smart Structures and Systems
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v.25
no.2
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pp.219-228
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2020
This work presents a modified continuum model to explore and investigate static and vibration behaviors of perforated piezoelectric NEMS structure. The perforated nanostructure is modeled as a thin perforated nanobeam element with Euler-Bernoulli kinematic assumptions. A size scale effect is considered by included a nonlocal constitutive equation of Eringen in differential form. Modifications of geometrical parameters of perforated nanobeams are presented in simplified forms. To satisfy the Maxwell's equation, the distribution of electric potential for the piezoelectric nanobeam model is assumed to be varied as a combination of a cosine and linear functions. Hamilton's principle is exploited to develop mathematical governing equations. Modified numerical finite model is adopted to solve the equation of motion and equilibrium equation. The proposed model is validated with previous respectable work. Numerical investigations are presented to illustrate effects of the number of perforated holes, perforation size, nonlocal parameter, boundary conditions, and external electric voltage on the electro-mechanical behaviors of piezoelectric nanobeams.
This paper presents an innovative stress-function variational approach in formulating the interfacial shear and normal stresses in an externally bonded concrete joint using carbon fiber-reinforced plastic (CFRP) plies. The joint is subjected to surface traction loadings applied at both ends of the concrete substrate layer. By introducing two interfacial shear and normal stress functions on the CFRP-concrete interface, based on Euler-Bernoulli beam idea and static stress equations of equilibrium, the entire stress fields of the joint were determined. The complementary strain energy was minimized in order to solve the governing equation of the joint. This yields an ordinary differential equation from which the interfacial normal and shear stresses were proposed explicitly, satisfying all the multiple traction boundary conditions. Lamination theory for composite materials was also employed to obtain the interfacial stresses. The proposed approach was validated by the analytic models in the literature as well as through a comprehensive computational code generated by the authors. Furthermore, a numerical verification was carried out via the finite element software ABAQUS. In the end, a scaling analysis was conducted to analyze the interfacial stress field dependence of the joint upon effective issues using the devised code.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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