International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제4권3호
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pp.313-321
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2012
Vibration analysis of a thin-walled structure can be performed with a consistent mass matrix determined by the shape functions of all degrees of freedom (d.o.f.) used for construction of conventional stiffness matrix, or with a lumped mass matrix. In similar way stability of a structure can be analysed with consistent geometric stiffness matrix or geometric stiffness matrix with lumped buckling load, related only to the rotational d.o.f. Recently, the simplified mass matrix is constructed employing shape functions of in-plane displacements for plate deflection. In this paper the same approach is used for construction of simplified geometric stiffness matrix. Beam element, and triangular and rectangular plate element are considered. Application of the new geometric stiffness is illustrated in the case of simply supported beam and square plate. The same problems are solved with consistent and lumped geometric stiffness matrix, and the obtained results are compared with the analytical solution. Also, a combination of simplified and lumped geometric stiffness matrix is analysed in order to increase accuracy of stability analysis.
Lou, Tiejiong;Lopes, Sergio M.R.;Lopes, Adelino V.
Computers and Concrete
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제15권3호
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pp.373-389
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2015
The development of a finite element model for the geometric and material nonlinear analysis of bonded prestressed concrete continuous beams is presented. The nonlinear geometric effect is introduced by the coupling of axial and flexural fields. A layered approach is applied so as to consider different material properties across the depth of a cross section. The proposed method of analysis is formulated based on the Euler-Bernoulli beam theory. According to the total Lagrangian description, the constructed stiffness matrix consists of three components, namely, the material stiffness matrix reflecting the nonlinear material effect, the geometric stiffness matrix reflecting the nonlinear geometric effect and the large displacement stiffness matrix reflecting the large displacement effect. The analysis is capable of predicting the nonlinear behaviour of bonded prestressed concrete continuous beams over the entire loading stage up to failure. Some numerical examples are presented to demonstrate the validity and applicability of the proposed model.
Force control of robotic mechanisms continues to be a challenging area. Previous implementation have seldom produced satisfactory results, and researchers in the past have experienced significant instability problems associated with their force controllers. In this study, a new stability factor in force control will be pointed out. When a manipulator is constrained to an environment(force-controlled), geometric instability due to the relationship between the manipulator configuration and the force-controlled direction is shown to be a significant factor in overall system stability. This exploratory study points out a rather intuitive, geometrically based stability factor in terms of an effective system stiffness and analyzes the phenomenon both analytically and graphically. Also, a stiffness control algorithm using the kinematic redundancy of a kinematically redundant manipulator is proposed to improve the overall stability in force control.
This paper examines a high-speed railway CRTS-II ballastless track-bridge system. Using the stationary potential energy theory, the mapping analytical solution between the bridge deformation and the rail vertical geometric irregularity was derived. A theoretical model (TM) considering the nonlinear stiffness of interlayer components was also proposed. By comparing with finite element model results and the measured field data, the accuracy of the TM was verified. Based on the TM, the effect of bridge deformation amplitude, girder end cantilever length, and interlayer nonlinear stiffness (fastener, cement asphalt mortar layer (CA mortar layer), extruded sheet, etc.) on the rail vertical geometric irregularity were analyzed. Results show that the rail vertical deformation extremum increases with increasing bridge deformation amplitude. The girder end cantilever length has a certain influence on the rail vertical geometric irregularity. The fastener and CA mortar layer have basically the same influence on the rail deformation amplitude. The extruded sheet and shear groove influence the rail geometric irregularity significantly, and the influence is basically the same. The influence of the shear rebar and lateral block on the rail vertical geometric irregularity could be negligible.
In the design of tall reinforced concrete (R/C) buildings, the serviceability stiffness criteria in terms of maximum lateral displacement and inter-story drift must be satisfied to prevent large second-order P-delta effects. To accurately assess the lateral deflection and stiffness of tall R/C structures, cracked members in these structures need to be identified and their effective member flexural stiffness determined. In addition, the implementation of the geometric nonlinearity in the analysis can be significant for an accurate prediction of lateral deflection of the structure, particularly in the case of tall R/C building under lateral loading. It can therefore be important to consider the cracking effect together with the geometric nonlinearity in the analysis in order to obtain more accurate results. In the present study, a computer program based on the iterative procedure has been developed for the three dimensional analysis of reinforced concrete frames with cracked beam and column elements. Probability-based effective stiffness model is used for the effective flexural stiffness of a cracked member. In the analysis, the geometric nonlinearity due to the interaction of axial force and bending moment and the displacements of joints are also taken into account. The analytical procedure has been demonstrated through the application of R/C frame examples in which its accuracy and efficiency in comparison with experimental and other analytical results are verified. The effectiveness of the analytical procedure is also illustrated through a practical four story R/C frame example. The iterative procedure provides equally good and consistent prediction of lateral deflection and effective flexural member stiffness. The proposed analytical procedure is efficient from the viewpoints of computational effort and convergence rate.
In the development of sheet-handling .machinery, it is important to predict the static and dynamic behavior of the sheets with a high degree of reliability because the sheets are fed and stacked at suck a high speed flexible media behaves geometric nonlinearity of large displacement and small strain. In this paper, static analysis of flexible media are performed by FEM considering geometric nonlinearity. Linear stiffness matrix and geometric nonlinear stiffness matrix based m the updated Lagrangian approach are derived using $C^1$ beam element and numerical simulations are performed by Updated Newton-Raphson(UNR) method.
Elasto-dynamic deformation of flexible linkage mechanism was analyzed using the finite element method. A computer program was constructed and applied to analyze a specific crank-level 4-bar mechanism, in which the elasto-dynamic deformation of the mechanism system was obtained using mode superposition method in the case of constant input speed and the effect of geometric stiffness on the mechanism is included. Experimental verification of numerical results was conducted by measuring the elasto-dynamic deformation of mid-points of coupler and lever for the 4-bar lingkage mechanism using high speed camera and image data processing systeem. For the elasto-dynamic deformation at the lever mid-point, the numerical results including geometric stiffness almost agree with the experimental ones. However, the numerical results excluding geometric stiffness good agree with the experimental ones at the couper mid-point.
Membrane structures, a kind of lightweight soft structural system, are used for spatial structures. The material property of the membrane has strong axial stiffness, but little bending stiffness. The design procedure of membrane structures are needed to do shape finding, stress-deformation analysis and cutting pattern generation. In shape finding, membrane structures are unstable structures initially. These soft structures need to be introduced initial stresses because of its initial unstable state, and it happens large deformation phenomenon. And also there are highly varied in their size, curvature and material stiffness. So, the approximation inherent in cutting pattern generation methods is quite different. Therefore, in this study, to find the structural shape after large deformation caused by Initial stress, we need the shape analysis considering geometric nonlinear ten And the geodesic line on surface of initial equilibrium shape and the cutting pattern generation using the geodesic line is introduced.
This paper describes the dynamic characteristics of the joint structures in case of using the simplified beam model in the F. E. analysis. The modeling errors, when replace the shell with the beam, are investigated through F. E. normal modes analysis. Normal mode analysis were performed to obtain the natural frequencies of the L and T shaped joints with various type of channels. The results were analyzed to access the effects of the models on the accuracy of F.E. analysis by identifying the geometric factors which cause the error. The geometric factors considered are joint angle, channel length, thickness and area ratio of the hollow section to the filled one. The joint stiffness evaluation technique is developed in this study using normal modes analysis with Lumped Mass. With this method, the progressively improved results of F. E. analysis are obtained using the simplified beam model. The static and normal modes analysis are performed with the joint stiffness values obtained by the Kazunori Shimonkakis' virtual stiffness method and the proposed method and these simplified modeling errors are compared.
나이에 의한 외부의 환경조건의 변화는 이에 적응하려는 척추의 구조적인 변화를 가져온다. 이러한 구조적인 변화는 척추의 biomechanical 거동에 영향을 미칠 것이다. 이러한 구조적인 변화의 효과를 연구하기 위하여, 나이에 의한 척추의 재료 및 기계적인 물성의 변화는 제외되었다. 유한요소법 (finite element method)에 의한 lumbar spine model (L3-L4)에 있어서, Annulus 의 유한요소 모델은 laminate composite elements로서 16개의 layer와 6개의 물성으로 구성되어있다. Spinal stiffness 와 facet reaction은 나이가 들수록 증가했다. 나이가 들수록 inner annulus의 fiber/layer tensile strains, cancellous bone stress 및 end-Plate stress는 감소했다. Fiber/layer compressive strains, facet reaction, ligament reaction and end-plate rigidity는 나이에 의한 척추의 구조적인 변화에 의하여 증가했다. 따라서 나이에 의한 척추의 정상적인 쇠퇴과정에 있어서 척추의 구조적인 변화는 spinal stiffness를 증가 시켜서 척추 및 disc의 지나친 변형을 감소시킬 것이다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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