A new generalized Bernoulli/Timoshenko beam-column element on a two-parameter elastic foundation is presented herein. This element is based on the exact solution of the differential equation which describes the deflection of the axially loaded beam resting on a two-parameter elastic foundation, and can take into account shear deformations, semi - rigid connections, and rigid offsets. The equations of equilibrium are formulated for the deformed configuration, so as to account for axial force effects. Apart from the stiffness matrix, load vectors for uniform load and non-uniform temperature variation are also formulated. The efficiency and usefulness of the new element in reinforced concrete or steel structures analysis is demonstrated by two examples.
In this paper, a new and simplified method is presented in which the natural frequencies of the uniform and non-uniform beams are calculated through simple mathematical relationships. The various vibration problems such as: Rayleigh beam under variable axial force, axial vibration of a bar with and without end discrete spring, torsional vibration of a bar with an attached mass moment of inertia, flexural vibration of the beam with laterally distributed elastic springs and also flexural vibration of the beam with effects of viscose damping are investigated. The governing differential equations are first obtained and then; according to a harmonic vibration, are converted into single variable equations in terms of location. Through repetitive integrations, the governing equations are converted into weak form integral equations. The mode shape functions of the vibration are approximated using a power series. Substitution of the power series into the integral equations results in a system of linear algebraic equations. The natural frequencies are determined by calculation of a non-trivial solution for system of equations. The efficiency and convergence rate of the current approach are investigated through comparison of the numerical results obtained with those obtained from other published references and results of available finite element software.
The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers D
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v.55
no.7
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pp.313-318
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2006
An automatic sample centering system is underway at the protein crystallography beam line of the Pohang Light Source to improve the efficiency of the crystal screening process. A sample pin which contains a protein crystal is mounted on a goniometer head. Then the crystal should be moved to the center of X-ray beam by controlling the motorized goniometer to obtain diffraction data. Since the X-ray beam is located at the center of the image obtained from the CCD camera when the image of the sample pin is in focus, an auto-focusing algorithm is a very important part in the auto-sample-centering system. However the results of applying several well-known auto focusing algorithms directly to the images are not satisfactory owing to the following factors: misalignment of CCD camera, non-uniform cryo-stream in the background of the image and the supporter of the loop. The performance of an auto-focusing algorithm can be increased if the algorithm is applied to only the loop region identified. Non-uniform cryo-stream and a various illumination condition and a stain, which is shown in the image, are main obstacles to loop region identification. In this paper, a simple loop region identification algorithm, which can solve these problems, is proposed and the effective ness of the proposed scheme is shown by applying the auto-focusing algorithm to the loop region identified.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2000.10a
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pp.369-376
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2000
For the general loading condition and boundary condition, it is very difficult to obtain closed-form solutions for buckling loads and natural frequencies of thin-walled structures because its behaviour is very complex due to the coupling effect of bending and torsional behaviour. Consequently most of previous finite element formulations introduced approximate displacement fields using shape functions as Hermitian polynomials, isoparametric interpoation function, and so on. The purpose of this study is to calculate the exact displacement field of a thin-walled straight beam element with the non-symmetric cross section and present a consistent derivation of the exact dynamic stiffness matrix. An exact dynamic element stiffness matrix is established from Vlasov's coupled differential equations for a uniform beam element of non-symmetric thin-walled cross section. This numerical technique is accomplished via a generalized linear eigenvalue problem by introducing 14 displacement parameters and a system of linear algebraic equations with complex matrices. The natural frequencies are evaluated for the non-symmetric thin-walled straight beam structure, and the results are compared with available solutions in order to verify validity and accuracy of the proposed procedures.
A Chebyshev spectral method (CSM) for the dynamic analysis of non-uniform Timoshenko beams under various boundary conditions and concentrated masses at their ends is proposed. The matrix-based Chebyshev spectral approach was used to construct the spectral differentiation matrix of the governing differential operator and its boundary conditions. A matrix condensation approach is crucially presented to impose boundary conditions involving the homogeneous Cauchy conditions and boundary conditions containing eigenvalues. By taking advantage of the standard powerful algorithms for solving matrix eigenvalue and generalized eigenvalue problems that are embodied in the MATLAB commands, chebfun and eigs, the modal parameters of non-uniform Timoshenko beams under various boundary conditions can be obtained from the eigensolutions of the corresponding linear differential operators. Some numerical examples are presented to compare the results herein with those obtained elsewhere, and to illustrate the accuracy and effectiveness of this method.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.30
no.2
s.245
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pp.171-178
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2006
Experimental and theoretical study of the non-planar response motions of a circular cantilever beam subject to base harmonic excitation has been presented in this paper work. Theoretical research is conducted using two non-linear coupled integral-differential equations of motion. These equations contain cubic linearities due do curvature term and inertial term. A combination of the Galerkin procedure and the method of multiple scales are used to construct a first-order uniform expansion for the case of one-to-one resonance. The results show that the non-linear geometric terms are very important for the low-frequency modes of the first and second mode. The non-linear inertia terms are also important for the high-frequency modes. We present the quantitative and qualitative results for non-planar motions of the dynamic behavior.
This study investigates the static and dynamic structural analysis of symmetrical and asymmetrical coupled shear walls using the continuous and modified transfer matrix methods by idealizing the coupled shear wall as a three-field CTB-type replacement beam. The coupled shear wall is modeled as a continuous structure consisting of the parallel coupling of a Timoshenko beam in tension (with axial extensibility in the shear walls) and a shear beam (replacing the beam coupling effect between the shear walls). The variational method using the Hamilton principle is used to obtain the coupled differential equations and the boundary conditions associated with the model. Using the continuous method, closed-form analytical solutions to the differential equation for the coupled shear wall with uniform properties along the height are derived and a numerical solution using the modified transfer matrix is proposed to overcome the difficulty of coupled shear walls with non-uniform properties along height. The computational advantage of the modified transfer matrix method compared to the classical method is shown. The results of the numerical examples and the parametric analysis show that the proposed analytical and numerical model and method is accurate, reliable and involves reduced processing time for generalized static and dynamic structural analysis of coupled shear walls at a preliminary stage and can used as a verification method in the final stage of the project.
Based on a fast and accurate method for the stationary random seismic response analysis for discretized structures(Lin 1992, Lin et al. 1992), a Ritz method for dealing with such responses of continuous systems in developed. This method is studied quantitatively, using cantilever shear beams for simplicity and clarity. The process can be naturally extended to deal with various boundary conditions as well as non-uniform Bernoulli-Euler beams, or even Timoshenko beams. Algorithms for both proportionally and non-proportionally damped responses are described. For all of such damping cases, it is not necessary to solve for the natural vibrations of the beams. The solution procedure is very simple, and equally efficient for a white or a non-white ground excitation spectrum. Two examples are given where various power spectral density functions, variances, covariances and second spectral moments of displacement, internal force response, and their derivatives are calculated and analyses. Some Ritz solutions are compared with "exact" CQC solutions.
International Journal of Precision Engineering and Manufacturing
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v.3
no.4
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pp.54-63
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2002
In recent years, mechanical systems such as high speed vehicles and railway trains moving on elastic beam structures have become a very important issue to consider. In this paper, a general approach, which can predict the dynamic behavior of a constrained mechanical system moving on a flexible beam structure, is proposed. Various supporting conditions for the foundation support are considered for the elastic beam structure. The elastic structure is assumed to be a non-uniform and linear Bernoulli-Euler beam with a proportional damping effect. Combined differential-algebraic equation of motion is derived using the multi-body dynamics theory and the finite element method. The proposed equations of motion can be solved numerically using the generalized coordinate partitioning method and predictor-corrector algorithm, which is an implicit multi-step integration method.
In this paper, nonlinear displacements of laminated composite beams are investigated under non-uniform temperature rising with temperature dependent physical properties. Total Lagrangian approach is used in conjunction with the Timoshenko beam theory for nonlinear kinematic model. Material properties of the laminated composite beam are temperature dependent. In the solution of the nonlinear problem, incremental displacement-based finite element method is used with Newton-Raphson iteration method. The distinctive feature of this study is nonlinear thermal analysis of Timoshenko Laminated beams full geometric non-linearity and by using finite element method. In this study, the differences between temperature dependent and independent physical properties are investigated for laminated composite beams for nonlinear case. Effects of fiber orientation angles, the stacking sequence of laminates and temperature on the nonlinear displacements are examined and discussed in detail.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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