Large post-buckling behavior of Timoshenko beams subjected to non-follower axial compression loads are studied in this paper by using the total Lagrangian Timoshenko beam element approximation. Two types of support conditions for the beams are considered. In the case of beams subjected to compression loads, load rise causes compressible forces end therefore buckling and post-buckling phenomena occurs. It is known that post-buckling problems are geometrically nonlinear problems. The considered highly 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. The beams considered in numerical examples are made of lower-Carbon Steel. In the study, the relationships between deflections, rotational angles, critical buckling loads, post-buckling configuration, Cauchy stress of the beams and load rising are illustrated in detail in post-buckling case.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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2006.05a
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pp.187-188
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2006
A 3-D finite element model of human thoracolumbar spine (T12-L2) was reconstructed from CT images. Various anterior and posterior instrumentation techniques were performed with long cage after corpectomy. Six loading cases were applied up to 10 Nm, espectively. The rotations of T12 with respect to L2 were measured and the stiffnesses were calculated as the applied forces divided by the segmental rotations. The posterior fixation technique increased the stiffness of the spine the most. The addition of anterior rod from 1 to 2 increased the stiffness significantly without posterior fixation, but no effect was found with posterior fixation. We found that different fixation techniques changed the stiffness of the spine.
Park, Hyo Gi;Kim, Sung Bo;Kim, Moon Young;Chang, Sung Pil
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.11
no.2
s.39
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pp.153-165
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1999
In order to trace the lateral-torsional post-bucking behaviors of thin-walled space frames with non-symmetric cross sections, a geometrically non-linear finite element formulation is presented by applying incremental equilibrium equations based on the updated Lagrangian formulation and introducing Vlasov's assumption. The improved displacement field for non-symmetric thin-walled cross sections is introduced based on inclusion of second order terms of finite rotations, and the potential energy corresponding to the semitangential rotations and moments is consistently derived. For finite element analysis, tangent stiffness matrices of thin-walled space frame element are derived by using the Hermition polynomials as shape functions. A co-rotational formulation in order to evaluate the unbalanced loads is presented by separating the rigid body rotations and pure deformations from incremental displacements and evaluating the updated direction cosines and incremental member forces.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.7
no.2
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pp.324-345
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2015
A new procedure for determining properties of thick plate finite elements, based on the modified Mindlin theory for moderately thick plate, is presented. Bending deflection is used as a potential function for the definition of total (bending and shear) deflection and angles of cross-section rotations. As a result of the introduced interdependence among displacements, the shear locking problem, present and solved in known finite element formulations, is avoided. Natural vibration analysis of rectangular plate, utilizing the proposed four-node quadrilateral finite element, shows higher accuracy than the sophisticated finite elements incorporated in some commercial software. In addition, the relation between thick and thin finite element properties is established, and compared with those in relevant literature.
This study presents free vibration analyses of perforates steel plates with various cutouts. Four different parameters (shape, size, curvature radius ratio, and rotation of cutouts) were considered to investigate the effects of those parameters on the free vibration characteristics, such as natural frequencies of the perforated steel plates. Three different shapes of cutouts are circle, square, and triangle, and the considered sizes are 5, 10, 15, 20, and 25 mm. For the triangular and square cutouts, the characteristic radii of the inscribed circles of those cutouts were defined. In addition, the curvature radius ratio was defined as the ratio of curvature radius of bluntness and the characteristic radius. Then, total seven different curvature radius ratios (0, 0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9, and 1) were considered. To investigate the rotation effect of the cutouts, it was considered four rotations ($0^{\circ}$, $15^{\circ}$, $30^{\circ}$, and $45^{\circ}$) for the square cutouts and three rotations (0, 15, and 30) for the triangular cutouts. All the free vibration analyses were conducted using a general purpose finite element program. From the analyses we found that the most influential parameter for the free vibration response of the perforated plates is the size of cutout. The other factors such as the shape, curvature radius ratio, and rotation are minors; they mainly change the natural frequency as long as the size effect is accompanied.
Kim Y.H.;Park W.M.;Kim K.;Park H.K.;Joo J.W.;Park K.W.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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2006.05a
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pp.517-518
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2006
In this study, a commercial fixation device, BioFlex, which was designed with shape memory alloy(SMA) for dynamic stabilization of spine was biomechanically evaluated. The finite element model of intact lumbar spine from L1 to S was developed using CT images. Also, low FE models of 2-level(L4-L5-S) and 3-level(L3-L4-L5-S) posteriori fixation using titanium(Ti) rod and BioFlex(SMA) rod. The rotations of bone segments in the intact model and four models were predicted. Although the rotations of the BioFlex fixation model were smaller than those of the intact model, they were relatively larger than those of Ti fixation. The present can be applied for not only evaluation of the stability of interbody fixator, but also development of new implant.
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.
The general formulation for free vibration and stability analysis of unsymmetric thin-wared space frames is presented in case where the shear deformation effects are neglected. The kinetic and total potential energies are derived by applying the extended virtual work principle, introducing displacement parameters defined at the arbitrarily chosen axis and including warping deformation and second order terms of finite semitangential rotations. In formulating the finite element procedure, cubic Hermitian polynomials are utilized as shape functions of the two node space frame element. Mass, elastic stiffness, and geometric stiffness matrices for the unsymmetric thin-walled section are evaluated, and load-correction stiffness matrices for off-axis distributed loadings are considered. In order to illustrate the accuracy and practical usefulness of this formulation, finite element solutions for the free vibration and stability problems of thin-walled beam-columns and space frames are presented and compared with available solutions.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.22
no.4
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pp.307-314
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2009
The present paper briefly describes the space frame element and the fundamental strategies in computational elastic bifurcation theory of geometrically nonlinear, single load parameter conservative elastic spatial structures. A method for large deformation(rotation) analysis of space frame is based on an eulerian formulation, which takes into consideration the effects of large joint translations and rotations with finite deformation(rotation). The local member force-deformation relationships are based on the beam-column approach, and the change in member chord lengths caused by axial strain and flexural bowing are taken into account. and the derived geometric stiffness matrix is unsymmetric because of the fact that finite rotations are not commutative under addition. To detect the singular point such as bifurcation point, an iterative pin-pointing algorithm is proposed. And the path switching mode for bifurcation path is based on the non-negative eigen-value and it's corresponding eigen-vector. Some numerical examples for bifurcation analysis are carried out for a plane frame, plane circular arch and space dome structures are described.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2003.04a
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pp.45-52
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2003
A finite element procedure to estimate ultimate strength of space frames considering spread of plasticity is presented. The improved displacement field is introduced based on inclusion of second order terms of finite rotations. All the nonlinear terms due to bending and torsional moment as well as axial force are precisely considered. The concept of plastic hinge is introduced and the incremental load/displacement method is applied for the elasto-plastic analysis. The initial yield surface is defined based on the residual stress and the full plastification surface is considered under the combined action of axial force, bending and torsional moments. The elasto-plastic stiffness matrices are derived using the flow rule and the normality condition of the limit function. Finite element solutions for ultimate strength of space frames are compared with available solutions and experimental results.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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