The present work pays emphasis on investigating the effect of different types of debonding on the bending behaviour of active sandwich beam, consisting of both extension and shear actuators. An active sandwich beam finite element is formulated by using Timoshenko's beam theory, characterized by first order shear deformation for the core and Euler-Bernoulli's beam theory for the top and bottom faces. The problem of debondings of extension actuator and face are dealt with by employing four-region model for inner debonding and three-region model for the edge debonding respectively. Displacement based continuity conditions are enforced at the interfaces of different regions using penalty method. Firstly, piezoelectric actuation of healthy sandwich beam is assessed through deflection analysis. Then the effect of actuators' debondings with different boundary conditions on bending behavior is computationally evaluated and experimentally clamped-free case is validated. The results generated will be useful to address the damage tolerant design procedures for smart sandwich beam structures with structural control and health monitoring applications.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.27
no.10
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pp.1653-1660
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2003
The use of frequency-dependent spectral element matrix (or exact dynamic stiffness matrix) in structural dynamics is known to provide very accurate solutions, while reducing the number of degrees-of-freedom to resolve the computational and cost problems. Thus, in the present paper, the spectral element model is formulated for the axially moving Timoshenko beam under a uniform axial tension. The high accuracy of the present spectral element is then verified by comparing its solutions with the conventional finite element solutions and exact analytical solutions. The effects of the moving speed and axial tension on the vibration characteristics, the dispersion relation, and the stability of a moving Timoshenko beam are investigated, analytically and numerically.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.22
no.3
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pp.199-209
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2009
This paper deals with the three-dimensional finite element analysis of failure behavior of UHPFRC I-beam under monotonic load. Different from the constitutive law of normal and high strength concrete, an elastic-plastic fracture model that considers the tensile strain hardening is proposed to describe the material properties of UHPFRC. A multi-directional fixed crack criterion with tensile strain hardening is defined in the tensile region, and Drucker-Prager criterion with an associated flow rule is adopted in the compressive region. The influence of span, prestressing force and section on the behavior of UHPFRC I-beam are investigated. The comparison of the numerical results with the test results indicates a good agreement.
This paper deals with the modeling of the plane frame structure-foundation-soil system. The superstructure along with the foundation beam is idealized as beam bending elements. The soil medium near the foundation beam with stress concentrated is idealized by isoparametric finite elements, and infinite elements are used to represent the far field of the soil media. This paper presents the modeling of shear wall structure-foundation and soil system using the optimal membrane triangular, super and conventional finite elements. Particularly, an alternative formulation is presented for the optimal triangular elements aimed at reducing the programming effort and computational cost. The proposed model is applied to a plane frame-combined footing-soil system. It is shown that the total settlement obtained from the non-linear interactive analysis is about 1.3 to 1.4 times that of the non-interactive analysis. Furthermore, the proposed model was found to be efficient in simulating the shear wall-foundation-soil system, being able to yield results that are similar to those obtained by the conventional finite element method.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.27
no.2
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pp.109-116
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2010
It is important to make a mechanical structure precisely and reasonably in predicting the dynamic characteristics, controlling the vibration, and designing the structure dynamics. In finite element analysis model updating is appropriate as the design parameter is used to analyze the dynamic system. The errors can be contained from the physical parameters and the element modeling. From the dynamic test, more precise dynamic characteristics can be obtained. In this paper, model updating algorithm is developed using frequency difference between experiment and calculation. Modal frequencies are obtained by experiment and finite element analysis for beams with various cross section and shapes which have added masses and holes in the middle. For plates with and without groove, experiment and analyses are carried out by applying free boundary conditions as well. Mass and stiffness matrices are updated by comparing test and analytical modal frequencies. The result shows that the updated frequencies become closer to the test frequencies in case that both matrices are updated. An improved analytical model is obtained by changing model parameters such that the discrepancy between test and finite element frequencies is minimized. For beam and plate models updating of mass and stiffness matrices can improve the dynamical behavior of the model by acting on the physical parameters such as masses and stiffness.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.25
no.4
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pp.582-591
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2001
It is known that the reduced integration, modified shape function, anisoparametric and non-conforming element can reduce the error induced by stiffness locking phenomenon in the finite element analysis. In this study, we propose new anisoparametric curved beam element. The new element based on reduced minimization theory is composed of different shape functions in each displacement field. By the substitution of this modified shape function, the unmatched coefficient that cause stiffness locking in the constraint energy is eliminated. To confirm the availability of this new model, we performed numerical tests for a simple model. As a result of numerical test, the undulate stress patterns are disappeared in static analysis, and displacements and stresses are close to exact solution. Not only in the static analysis but also in the eigen analysis of free vibrated curved beam model, this element shows successful convergent results.
This paper focuses on large deflection static behavior of edge cracked simple supported beams subjected to a non-follower transversal point load at the midpoint of the beam by using the total Lagrangian Timoshenko beam element approximation. The cross section of the beam is circular. The cracked beam is modeled as an assembly of two sub-beams connected through a massless elastic rotational spring. It is known that large deflection problems are geometrically nonlinear problems. The considered highly nonlinear problem is solved considering full geometric non-linearity by using incremental displacement-based finite element method in conjunction with Newton-Raphson iteration method. There is no restriction on the magnitudes of deflections and rotations in contradistinction to von-Karman strain displacement relations of the beam. The beams considered in numerical examples are made of Aluminum. In the study, the effects of the location of crack and the depth of the crack on the non-linear static response of the beam are investigated in detail. The relationships between deflections, end rotational angles, end constraint forces, deflection configuration, Cauchy stresses of the edge-cracked beams and load rising are illustrated in detail in nonlinear case. Also, the difference between the geometrically linear and nonlinear analysis of edge-cracked beam is investigated in detail.
Being a significant mode of deformation, shear effect in addition to the other modes of stretching and bending have been considered to develop two finite element models for the analysis of beams on elastic foundation. The first beam model is developed utilizing the differential-equation approach; in which the complex variables obtained from the solution of the differential equations are used as interpolation functions for the displacement field in this beam element. A single element is sufficient to exactly represent a continuous part of a beam on Winkler foundation for cases involving end-loadings, thus providing a benchmark solution to validate the other model developed. The second beam model is developed utilizing the hybrid-mixed formulation, i.e., Hellinger-Reissner variational principle; in which both displacement and stress fields for the beam as well as the foundation are approxmated separately in order to eliminate the well-known phenomenon of shear locking, as well as the newly-identified problem of "foundation-locking" that can arise in cases involving foundations with extreme rigidities. This latter model is versatile and indented for utilization in general applications; i.e., for thin-thick beams, general loadings, and a wide variation of the underlying foundation rigidity with respect to beam stiffness. A set of numerical examples are given to demonstrate and assess the performance of the developed beam models in practical applications involving shear deformation effect.
To improve the modeling accuracy for the finite element method, this paper proposes a method to make a combined use of finite elements and exact dynamic elements. Exact interpolation functions for a Timoshenko beam element are derived and compared with interpolation functions of the finite element method (FEM). The exact interpolation functions are tested with the Laplace variable varied. The exact interpolation functions are used to gain more accurate mode shape functions for the finite element method. This paper also presents a combined use of finite elements and exact dynamic elements in design problems. A Timoshenko frame with tapered sections is tested to demonstrate the design procedure with the proposed method.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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2003.06a
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pp.814-819
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2003
Machine tool design concepts have evolved towards high efficiency, accurate precision. high structural integrity, and multi-functional systems. Like many other structures, machine tools are also composed of many parts. When these parts are assembled, many kinds of joints are used. In the finite element analysis of these assembled structures, most joints are commonly considered as rigid joints. But, to get the more accurate solution, we need to model these joints in a appropriate manner. In this study, rational dynamic modeling and analysis method for complex structures are studied with special attention to slide way joints. For modeling of slide way joints, a general modeling technique is used by influence coefficients method which is applied to the conversion of detailed finite element model to the equivalent reduced joint model. The theoretical part of this method is illustrated and the method is applied to the structure with slide way joint. In this method. the non-linearity of the contact surfaces is considered within a proper range and the boundary effect of the joint model can be eliminated. The proposed method was applied to finite element modal analysis of a clamp jointed cantilever beam and slide way joints of the vertical type lathe. The method can also be used to other kinds of joint modeling. The results of these analysis were compared with those of Yoshimura models and rigid joint models. which demonstrated the practical applicability of the proposed method.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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