This article proposes a new methodology for identifying beam damage based on changes in modal parameters using the Double Stage Extended Improved Particle Swarm Optimization (DSEIPSO) technique. A finite element code is first developed in MATLAB to model an ideal beam structure based on classical beam theory. An experimental study is then performed on a laboratory-scale beam, and the modal parameters are extracted. An improved version of the PSO algorithm is employed to update the finite element model based on the experimental measurements, representing the real structure and forming the baseline model for all further damage detection. Subsequently, structural damages are introduced in the experimental beam. The DSEIPSO algorithm is then utilized to optimize the objective function, formulated using the obtained mode shapes and the natural frequencies from the damaged and undamaged beams to identify the exact location and extent of the damage. Experimentally obtained resultsfrom a simple cantilever beam are used to validate the effectiveness of the proposed method. The illustrated results show the effectiveness of the proposed method for structural damage detection in the SHM field.
The quadratic B-spline finite element method yields mass and stiffness matrices which are half the size of matrices obtained by the conventional finite element method. We solve the free vibration problem of a rotating Rayleigh beam using the quadratic B-spline finite element method. Rayleigh beam theory includes the rotary inertia effects in addition to the Euler-Bernoulli theory assumptions and presents a good mathematical model for rotating beams. Galerkin's approach is used to obtain the weak form which yields a system of symmetric matrices. Results obtained for the natural frequencies at different rotating speeds show an accurate match with the published results. A comparison with Euler-Bernoulli beam is done to decipher the variations in higher modes of the Rayleigh beam due to the slenderness ratio. The results are obtained for different values of non-uniform parameter ($\bar{n}$).
Huang, Ying;Zou, Haoran;Chen, Changhong;Bai, Songlin;Yao, Yao;Keer, Leon M.
Structural Engineering and Mechanics
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v.72
no.5
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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.
Kang Hwan-Jun;Lee Shi-Bok;Hong Keum-Shik;Jeon Seung-Min
Proceedings of the Korea Committee for Ocean Resources and Engineering Conference
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2004.11a
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pp.271-276
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2004
In this paper. dynamic behavior of the cracked beam under a moving mass is presented using the finite element method (FEM). Model accuracy is improved with the following consideration: (1) FE model with Timoshenko beam element (2) Additional flexibility matrix due to crack presence (3) Interaction forces between the moving mass and supported beam. The Timoshenko bean model with a two-node finite element is constructed based on Guyan condensation that leads to the results of classical formulations. but in a simple and systematic manner. The cracked section is represented by local flexibility matrix connecting two unchanged beam segments and the crack as modeled a massless rotational spring. The inertia force due to the moving mass is also involved with gravity force equivalent to a moving load. The numerical tests for various mass levels. crack sizes. locations and boundary conditions were performed.
The prediction of the low cycle fatigue (LCF) life of beam-column connections requires an LCF model that is developed using specific geometric information. The beam-column connection has several geometric variables, and changes in these variables must be taken into account to ensure sufficient robustness of the design. Previous research has verified that the finite element model (FEM) can be used to simulate LCF behavior at the end plate moment connection (EPMC). Three critical parameters, i.e., end plate thickness, beam flange thickness, and bolt distance, have been selected for this study to determine the geometric effects on LCF behavior. Seven FEMs for different geometries have been developed using these three critical parameters. The finite element analysis results have led to the development of a modified LCF model for the critical parameter groups.
This paper presents a beam finite element model of a vibrate wind blade in large elastic deformation subjected to the aerodynamic, centrifugal, gyroscopic and gravity loads. The gyroscopic loads applied to the blade are induced by her simultaneous vibration and rotation. The proposed beam finite element model is based on a simplex interpolation method and it is mainly intended to the numerical analysis of wind blades vibration in large elastic deformation. For this purpose, the theory of the sheared beams and the finite element method are combined to develop the algebraic equations system governing the three-dimensional motion of blade vibration. The applicability of the theoretical approach is elucidated through an original case study. Also, the static deformation of the used wind blade is assessed by appropriate software using a solid finite element model in order to show the effectiveness of the obtained results. To simulate the nonlinear dynamic response of wind blade, the predictor-corrector Newmark scheme is applied and the stability of numerical process is approved during a large time of blade functioning. Finally, the influence of the modified geometrical stiffness on the amplitudes and frequencies of the wind blade vibration induced by the sinusoidal excitation of gravity is analyzed.
The resistance spot-welded region in most current finite element crash models is characterized as a rigid beam at the location of the welded spot. The region is modeled to fail with a failure criterion which is a function of the axial and shear load at the rigid beam. The calculation of the load acting on the rigid beam is important to evaluate the failure of the spot-weld. In this paper, numerical simulation is carried out to evaluate the calculation of the load at the rigid beam. At first, the load on the spot-welded region is calculated with the precise finite element model considering the residual stress due to the thermal history during the spot welding procedure. And then, the load is compared with the one obtained from the model used in the crash analysis with respect to the element size, the element shape and the number of imposed constraints. Analysis results demonstrate that the load acting on the spot-welded element is correctly calculated by the change of the element shape around the welded region and the location of welded constrains. The results provide a guideline for an accurate finite element modeling of the spot-welded region in the crash analysis of vehicles.
The objective of this work is to analyze geometrically nonlinear static analysis a simply supported laminated composite beam subjected to a non-follower transversal point load at the midpoint of the beam. In the nonlinear model of the laminated beam, total Lagrangian finite element model of is used in conjunction with the Timoshenko beam theory. The considered non-linear 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. In the numerical results, the effects of the fiber orientation angles and the stacking sequence of laminates on the nonlinear deflections and stresses of the composite laminated beam are examined and discussed. Convergence study is performed. Also, the difference between the geometrically linear and nonlinear analysis of laminated beam is investigated in detail.
Ultra-high performance fiber reinforced concrete (UHPFRC) is a composite building material with high ductility, fatigue resistance, fracture toughness, durability, and energy absorption capacity. The aim of this study is to develop a nonlinear finite element model that can simulate the response of the UHPFRC beam exposed to impact loads. A nonlinear finite element model was developed in ABAQUS to simulate the real response of UHPFRC beams. The numerical results showed that the model was highly successful to capture the experimental results of selected beams from the literature. A parametric study was carried out to investigate the effects of reinforcement ratio and impact velocity on the response of the UHPFRC beam in terms of midpoint displacement, impact load value, and residual load-carrying capacity. In the parametric study, the nonlinear analysis was performed in two steps for 12 different finite element models. In the first step, dynamic analysis was performed to monitor the response of the UHPFRC beam under impact loads. In the second step, static analysis was conducted to determine the residual load-carrying capacity of the beams. The parametric study has shown that the reinforcement ratio and the impact velocity affect maximum and residual displacement value substantially.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.24
no.6
s.177
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pp.1593-1600
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2000
A method based on frequency domain approaches is presented for the nonlinear parameters identification of structure having nonlinear joints. The finite element model of linear substructure is us ed to calculating its frequency response functions needed in parameter identification process. This method is easily applicable to a complex real structure having nonlinear elements since it uses the frequency response function of finite element model. Since this method is performed in frequency domain, the number of equations required to identify the unknown parameters can be easily increased as many as it needed, just by not only varying excitation amplitude but also selecting excitation frequencies. The validity of this method is tested numerically and experimentally with a cantilever beam having the nonlinear element. It was verified through examples that the method is useful to identify the nonlinear parameters of a structure having arbitary nonlinear boundaries.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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