A geometric and material nonlinear finite element analysis is developed for the layered elastomeric bearings. In this study, a mixed variational approach with separate variables is used to describe the displacement and volume change of rubber. To represent finely deformed behavior, Kirchoff stress tensors are used and converted Eulerian stress tensors to describe real physical meanings. Newton's method is utilized to solve the governing nonlinear finite element equations. Numerical test are performed in the case of compression and shear to verify the theory and to illustrate the application of this analysis. And the results of this study were compared to the results of Moore's discrete finite element analysis.
In this paper, an alternative analytical method is presented to evaluate the nonlinear vibration behavior of single and double tapered cantilever beams. The admissible lateral displacement function satisfying the geometric boundary conditions of a single or double tapered cantilever beam is derived by using Rayleigh-Ritz method. Based on the Lagrange method and the Newton Harmonic Balance (NHB) method, analytical approximate solutions in closed and explicit form are obtained. These approximate solutions show excellent agreement with those of numeric method for small as well as large amplitude. Moreover, due to brevity of expressions, the present analytical approximate solutions are convenient to investigate effects of various parameters on the large amplitude vibration response of tapered beams.
An analytical and experimental investigation is performed into the mechanical behavior of carbon-fiber/epoxy woven coned annular disk springs. An analytical approach is presented for predicting the deformation behavior of disk springs of specially orthotropic laminates with arbitrary geometric parameters. In addition, an analytical methodology is proposed for obtaining the deformation behavior of a stack of disk springs. The methodology is capable of accounting for parallel and series arrangements for uniform and irregular stacks. Element and assembly experimental results are used to validate the proposed method showing how to achieve flexible spring rates at various deflections ranges. This manuscript also provides guidelines for design and validation of disk spring assemblies.
In this study, an effective numerical method is introduced for nonlinear inelastic analyses of rectangular concrete-filled steel tubular (CFST) frames for the first time. A steel-concrete composite fiber beam-column element model is developed that considers material, and geometric nonlinearities, and residual stresses. This is achieved by using stability functions combined with integration points along the element length to capture the spread of plasticity over the composite cross-section along the element length. Additionally, a multi-spring element with a zero-length is employed to model the nonlinear semi-rigid beam-to-column connections in CFST frame models. To solve the nonlinear equilibrium equations, the generalized displacement control algorithm is adopted. The accuracy of the proposed method is firstly verified by a large number of experiments of CFST members subjected to various loading conditions. Subsequently, the proposed method is applied to investigate the nonlinear inelastic behavior of rectangular CFST frames with fully rigid, semi-rigid, and hinged connections. The accuracy of the predicted results and the efficiency pertaining to the computation time of the proposed method are demonstrated in comparison with the ABAQUS software. The proposed numerical method may be efficiently utilized in practical designs for advanced analysis of the rectangular CFST structures.
본 논문에서는 합성단면을 갖는 구조물의 극한 거동 해석에서 요구하는 재료 및 기하학적 비선형 해석을 수행하기 위한 보 요소를 제시하였다. 제안된 요소는 기하학적 비선형성을 효과적으로 모사할 수 있는 co-rotational 정식화를 통해 도출되었으며, 다양한 합성단면의 저항성능을 재현할 수 있도록 화이버 단면법이 요소의 내력 및 강성을 산정하는데 활용되었다. 제안된 방법을 구현할 수 있도록 해석 프로그램이 개발되었으며, 호장법을 적용하여 최대내력 발생 이후의 연성거동뿐만 아니라 심한 비선형 응답(snap-through 또는 snapback)까지 추적해낼 수 있도록 하였다. 본 연구에서 제안된 요소 정식화와 해석 프로그램의 정확성을 검증을 위해 몇 가지 수치예제가 수행되었고, 해석결과는 제안된 요소의 정확성과 효율성을 보이기 위해 3차원 연속체 모델 및 기존 연구의 결과와 비교되었다. 추가로 합성단면을 갖는 골조 구조물에 대한 수치예제를 통해, 합성단면을 구성하는 재료의 탄성계수 비 및 강도 비에 따른 영향을 분석하였다. 해석결과는 외층 재료의 탄성계수가 증가됨에 따라 준취성 거동이 나타났으며, 외층 재료의 항복강도가 높을수록 선형 거동하는 기하적 비선형 응답과 유사한 응답을 보였다.
In this study, the effect of in-plane deformations on the dynamic behavior of laminated plates is investigated. For this purpose, the displacement-time and strain-time histories obtained from the large deflection analysis of laminated plates are compared for the cases with and without including in-plane deformations. For the first one, in-plane stiffness and inertia effects are considered when formulating the dynamic response of the laminated composite plate subjected to the blast loading. Then, the problem is solved without considering the in-plane deformations. The geometric nonlinearity effects are taken into account by using the von Karman large deflection theory of thin plates and transverse shear stresses are ignored for both cases. The equations of motion for the plate are derived by the use of the virtual work principle. Approximate solution functions are assumed for the space domain and substituted into the equations of motion. Then, the Galerkin method is used to obtain the nonlinear algebraic differential equations in the time domain. The effects of the magnitude of the blast load, the thickness of the plate and boundary conditions on the in-plane deformations are investigated.
The displacement and pressure field of liquid crystals are analyzed numerically and compared with classical Reynolds theory. A plane slider bearing is employed as a simple example considering elasticity, permeability and splay effect which are the inherent characteristics of layered liquid crystals. Due to the geometric constraint of thin wedge and the strong anchoring behavior of the liquid crystals dislocations are inevitable. A finite element method is used to solve five coupled nonlinear equations. The load characteristics based on the pressure distribution along the gap shows that the liquid crystals can carry large load compared to the conventional lubricants.
A suitable ground motion intensity measure (IM) plays a crucial role in the seismic performance assessment of a structure. In this paper, we introduce a scalar IM for use in evaluating the seismic response of single-layer reticulated domes. This IM is defined as the weighted geometric mean of the spectral acceleration ordinates at the periods of the dominant vibration modes of the structure considered, and the modal strain energy ratio of each dominant vibration mode is the corresponding weight. Its applicability and superiority to 11 other existing IMs are firstly investigated in terms of correlation with the nonlinear seismic response, efficiency and sufficiency using the results of incremental dynamic analyses which are performed for a typical single-layer reticulated dome. The hazard computability of this newly proposed IM is also briefly discussed and illustrated. A conclusion is drawn that this dominant vibration mode-based scalar IM has the characteristics of strong correlation, high efficiency, good sufficiency as well as hazard computability, and thereby is appropriate for use in the prediction of seismic response of single-layer reticulated domes.
The tubed steel reinforced concrete (SRC) column is a composite column in which the outer steel tube is mainly used to provide confinement on the core concrete. This paper presents experimental and analytical studies on the behavior of circular tubed SRC (TSRC) columns subjected to axial compression. Eight circular TSRC columns were tested to investigate the effects of length-to-diameter ratio (L/D) of the specimens, diameter-to-thickness ratio (D/t) of the steel tubes, and use of stud shear connectors on the steel sections. Elastic-plastic analysis on the steel tubes was used to investigate the mechanism of confinement on the core concrete. The test results indicated that the tube confinement increased the strength and deformation capacity for both short and slender columns, and the effects on strength were more pronounced for short columns. A nonlinear finite element (FE) model was developed using ABAQUS, in which the nonlinear material behavior and initial geometric imperfection were included. Good agreement was achieved between the predicted results using the FE model and the test results. The test and FE results were compared with the predicted strengths calculated by Eurocode 4 and the AISC Standard. Based on the analytical results, a new design method for this composite column was proposed.
Pendulums can be used as passive vibration control devices in several structures and machines. In the present work, the nonlinear behavior of a pendulum-tower system is studied. The tower is modeled as a bar with variable cross-section with concentrated masses. First, the vibration modes and frequencies of the tower are obtained analytically. The primary structure and absorber together constitute a coupled system which is discretized as a two degrees of freedom nonlinear system, using the normalized eigenfunctions and the Rayleigh-Ritz method. The analysis shows the influence of the geometric nonlinearity of the pendulum absorber on the response of the tower. A parametric analysis also shows that, with an appropriate choice of the absorber parameters, a pendulum can decrease the vibration amplitudes of the tower in the main resonance region. The results also show that the pendulum nonlinearity cannot be neglected in this type of problem, leading to multiplicity of solutions, dynamic jumps and instability. In order to improve the effectiveness of the control during the transient response, a hybrid control system is suggested. The added control force is implemented as a non-linear variable stiffness device based on position and velocity feedback. The obtained results show that this strategy of nonlinear control is attractive, has a good potential and can be used to minimize the response of slender structures under various types of excitation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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