Chen, Chang Hong;Zhu, Yan Fei;Yao, Yao;Huang, Ying
Structural Engineering and Mechanics
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제57권3호
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pp.389-402
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2016
Based on the traditional mechanical model of thin-walled straight beam, the paper makes analysis and research on the pre-twisted thin-walled beam finite element numerical model. Firstly, based on the geometric deformation differential relationship, the Saint-Venant warping strain of pre-twisted thin-walled beam is deduced. According to the traditional thin-walled straight beam finite element mechanical model, the finite element stiffness matrix considering the Saint-Venant warping deformations is established. At the same time, the paper establishes the element stiffness matrix of the pre-twisted thin-walled beam based on the classic Vlasov Theory. Finally, by calculating the pre-twisted beam with elliptical section and I cross section and contrasting three-dimensional solid finite element using ANSYS, the comparison analysis results show that pre-twisted thin-walled beam element stiffness matrix has good accuracy.
A method for the vibration analysis of curved beam conveying fluid with uniform velocity was presented. The dynamics of curved beam is based on the inextensible theory. Both in-plane motion and out-of-plane motion of curved beam were discussed. The finite element method was formulated to solve the governing equations. The natural frequencies calculated by the presented method were compared with those by analytical solution, straight beam theories and Nastran. As the velocity of fluid becomes larger, the results by straight beam model became different from those by curved beam model. And it was shown that the curved beam element should be used to predict the critical velocity of fluid exactly. The influence of fluid velocity on the frequency response function was also discussed.
Most ships and offshore structures are equipped with a variety of pipes, which inevitably contain curved portions. While it has been a usual practice to conduct bending stress analyses of these curved pipes using the straight-beam theory, this paper adopts two different types of finite elements, straight-beam elements and two-dimensional shell elements, for finite element analyses of a variety of curved pipes. It then compares the analysis results for two different types of elements to determine correction factors, which can be used to transform the bending displacements and bending stresses obtained by straight-beam elements to those obtainable by two-dimensional shell elements. The paper ends with a practical suggestion on how to efficiently use these correction factors to estimate the combined axial and normal stresses in a curved portion of a pipe.
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.
For the general case of loading conditions and boundary conditions, 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. In consequence, most of previous finite element formulations are introduce approximate displacement fields to use shape functions as Hermitian polynomials, and so on. The Purpose of this study is to presents a consistent derivation of exact dynamic stiffness matrices of thin-walled straight beams, to be used ill tile free vibration analysis, in which almost types of boundary conditions are exist An exact dynamic element stiffness matrix is established from governing equations for a uniform beam element of nonsymmetric 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 frequency is evaluated for the thin-walled straight beam structure, and the results are compared with analytic solutions in order to verify the accuracy of this study.
A method of analysis is proposed for curved multicell box girder grillages. The method can be used to analyze box girder grillages comprising straight and/or curved segments. Each segment can be modelled by a number of beam elements. Each element has three nodes and the nodal degrees of freedom (DOF) consist of the six DOF for a conventional beam plus DOF to account for torsional warping, distortion, distortional warping, and shear lag. This element is an extension of a straight element that was developed earlier. For a more realistic analysis of the intersection regions of non-colinear box girder segments, the concept of a rigid connector is introduced, and the compatibility requirements between adjoining elements in those regions are discussed. The results of the analysis showed good agreement with the shell finite element results, but the proposed method of analysis needs a fraction of the time and effort compared to the shell finite element analysis.
본 연구에서는 먼저 곡률요소에서와 같이 Timoshenko보를 기술하는 모든 변수 들을 평형방정식과 함께 고려할 때 각 변수들에 대한 새로운 해석이 가능함을 보이고 자 한다. 이는 횡변위장을 곡률로 수정함으로써 시작되는데 수정횡변위장을 사용할 경우, 보를 기술하는 모든 변수들이 Euler보의 그것들과 형태상으로 동일하게 나타나 며 수학적으로 볼 때 간결하면서도 새로운 접근 방법을 제시해 준다. 또한 이러한 수정횡변위장을 사용할 경우 순수변위에 기초하고 있는 전통적인 구조요소의 정식화과 정과 같은 과정을 거치게 되는 잇점이 있다. 한편, 직선 보요소의 정식화 과정에는 수정횡변위장의 형상함수로서 전통적인 Hermite 보 요소의 형상함수를 도입하였는데 이는 회전각의 장이 수정횡변위장의 미분치로 주어지기 때문이다.마지막 단계로서, 수정횡변위치가 포함된 절점에서의 변위벡터와 원횡변위치가 포함된 변위벡터 사이에 존재하는 변환행렬을 찾아 내었다.
Huang, Ying;Zou, Haoran;Chen, Changhong;Bai, Songlin;Yao, Yao;Keer, Leon M.
Structural Engineering and Mechanics
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제72권5호
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pp.617-629
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2019
Based on the finite element method of traditional straight Euler-Bernoulli beams and the coupled relations between linear displacement and angular displacement of a pre-twisted Euler-Bernoulli beam, the shape functions and stiffness matrix are deduced. Firstly, the stiffness of pre-twisted Euler-Bernoulli beam is developed based on the traditional straight Euler-Bernoulli beam. Then, a new finite element model is proposed based on the displacement general solution of a pre-twisted Euler-Bernoulli beam. Finally, comparison analyses are made among the proposed Euler-Bernoulli model, the new numerical model based on displacement general solution and the ANSYS solution by Beam188 element based on infinite approach. The results show that developed numerical models are available for the pre-twisted Euler-Bernoulli beam, and which provide more accurate finite element model for the numerical analysis. The effects of pre-twisted angle and flexural stiffness ratio on the mechanical property are investigated.
Many pipes that are arranged longitudinally in ships have loops at intervals to prevent the failure of the pipes as they absorb large portions of the axial load caused by the bending of the hull girder and/or thermal loads when the pipes are carrying very hot fluids. Since the loops are curved at corners, an efficient method for conducting the structural analyses of these curved portions is required. In this paper, a pipe loop was analyzed by an analytical method and by the finite-element method in four different ways, i.e., based on straight-beam elements, curved-beam elements, 2-D shell elements, and 3-D solid elements. The results of the five analyses were compared to check the validity of the current curved-beam theory. The paper includes some suggestions on how to analyze the pipe loops efficiently.
The significance of spectral element method is that it can treat the mass and stiffness distribution exactly in contrast to the conventional finite element method, and therefore the dynamic behaviors within each spectral element can be obtained exactly. The present study provides the derivation of the spectral element of a curved beam, while the previous ones presented that of a straight structure. Further, in order to verify the derived spectral element, the natural frequencies of a ring by the spectral element method are compared with those by the analytical method and those by the FEM. From the verification, derived spectral element is admissible. And the dynamic behaviors of curved beam are simulated by using the derived spectral element of a curved beam.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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