An unbraced cantilever beam subjected to loads which cause bending about the major axis may buckle in a flexuraltorsional mode by deflecting laterally and twisting. For the efficient design of these structures, design engineers require a simple accurate equation for the elastic flexural-torsional buckling load. Existing solutions for the flexural-torsional buckling of cantilever beams have mainly been derived by numerical methods which are tedious to implement. In this research, an attempt is made to derive a theoretical equation by the energy method using different buckled shapes. However, the results of a finite element flexural-torsional buckling analysis reveal that the buckled shapes for the lateral deflection and twist rotation are different for cantilever beams. In particular, the buckled shape for the twist rotation also varies with the section size. In light of these findings, the finite element flexural-torsional buckling analysis was then used to derive simple accurate equations for the elastic buckling load and moment for cantilever beams subjected to end point load, uniformly distributed load and end moment. The results are compared with previous research and it was found that the equations derived in this study are accurate and simple to use.
In this study, contact analysis in a functionally graded (FG) layer loaded with two circular punches is solved using the finite element method (FEM). The problem is consisted of a functionally graded layer that resting on an elastic semi-infinite plane and is loaded with two rigid punches of circular geometry. External loads P and Q are transferred to the layer via two rigid punches. The finite element model of the functionally graded layer is created using the ANSYS package program and a 2-dimensional analysis of the problem is analyzed. The contact lengths, obtained as a result of the analysis are compared with the analytical solution in the literature. In the study, the effects of parameters such as distances between punches, loads, inhomogenity parameter on contact zones, initial separation loads and distances, normal stresses, stresses across depth and contact stresses are investigated. As a result, in this study, it can be said that the magnitude of the stresses occurring in the FG layer is less than the homogeneous layer, therefore the life of FG materials will be longer than the homogeneous layer. When the distance between the punches is 2.25, the initial separation distance is 6.98, and when the distance between the punches is 4, the initial separation distance decreases to 6.10. In addition, when the load increased in the second punch, the initial separation load decreased from 55 to 18. The obtained results are presented in the form of graphs and tables.
In recent years, the subject of remaining life assessment has drawn considerable attention in power plants, where various structural components typically operate at high temperature and pressure. Thus a life prediction methodology accounting for high temperature creep fracture is increasingly needed for the components. Critical defects in such structures are generally found in the form of semi-elliptical surface crack, and the analysis of which is consequently an important problem in engineering fracture mechanics. On this background, we first develop an auto mesh generation program for detailed 3-D finite element analyses of axial and circumferential semi-elliptical surface cracks in a piping system. A high temperature creep fracture parameter $C^{\ast}$-integral is obtained from the finite element analyses of generated 3-D models. Post crack growth module is further appended here to calculate the amount of crack growth. Finally the remaining lives of surface cracked pipes for various analytical parameters are assessed using the developed life assessment program.
Composite beams of steel and concrete strengthened with fiber-reinforced polymers (FRP) may exhibit considerably enhanced flexural behaviour, but the combination of three materials with different characteristics and the various possible failure mechanisms that may govern performance make their analysis quite demanding. Previous studies provided significant insights into this problem and several methods were proposed for calculating flexural stiffness and strength, but these studies are restricted to the single member level of a simply supported composite beam section. However, the problem considerably changes when the beam is part of a frame system due to the degree of continuity provided by the surrounding structure, which represents the most common situation in practice. This paper explores the behaviour of semi-continuous FRP-strengthened composite beams, by considering the response characteristics of their end connections and their effects on overall performance. A novel analytical model is derived, which enables a step-by-step representation of the nonlinear relationship between an incremental mid-span design bending moment and corresponding connection rotations. After verification against finite element analyses, a parametric study is conducted which shows that the substantially increased bending moment resistance of FRP-strengthened composite beams can hardly be fully utilized due to a deficiency of corresponding large deformation capacity available in the connections. The extent to which the presence FRP strengthening can be exploited to enhance the beam flexural response depends on the interplay between various structural parameters, including the connection rotation capacity, the beam span, and the FRP modulus of elasticity and ultimate strength.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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2004.10a
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pp.212-216
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2004
Bearingless motors are the rotational electric machine which utilize a common magnetic structure for rotation and magnetic suspension. Since the bearing function is combined with the motor, the shaft length can be shortened resulting in higher critical speeds. Relationship between suspension force and current of bearingless motor is clearly derived by prior research. However, relationship between displacement of rotor and suspension force is not precisely defined. In this paper, we present model of bearingless motor describing the radial force variation due to the movement of the rotor. Using a distributed magnetic circuit and maxwell stress tensor, we derived a mathematical expression for the radial force. For a slotless bearingless motor, we are able to find an analytical model presented in the form of stiffness. For a slotted motor, we can compute the stiffness by semi-analytical analysis. This model is validated by a finite-element-analysis.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.4
no.1
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pp.9-18
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2003
In this work, a closed-form analysis is performed for the structural response of coupled composite blades with multi-cell sections. The analytical model includes the effects of shell wall thickness, transverse shear, torsion warping and constrained warping. The mixed beam approach based on Reissner's semi-complementary energy functional is used to derive the beam force-displacement relations. The theory is validated against experimental test data and other analytical results for coupled composite beams and blades with single-cell box-sections and two-cell airfoils. Correlation of the present method with experimental results and detailed finite element results is found to be very good.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1999.10a
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pp.87-94
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1999
The structural behavior of welded steel box columns subjected to axial compression and combined load of axial and horizontal load is described. The nonlinear stress-strain relation of the material and residual stress resulted from welds were included in the analysis. Inelastic buckling analysis of hollow rectangular sections of various width-thickness and slenderness ratios was carried out using the semi-analytical and spline finite strip method to investigate the local and global bucking stress and mode interaction. The buckling stress was compared with test results and design curves. Post-buckling behavior was traced by the finite element program(ADINA) and compared with experimental results. The comparison showed that the ultimate stress can be used for the design purpose.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2001.09a
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pp.75-82
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2001
A dynamic interaction analysis of an adjacent surface fecundation on a layered half-space is performed in the frequency domain. A semi-analytical approach is employed to reduce the integration range of the wavenumber in the surface fundamental solution for a layered half-space in boundary element (BE) formulations. The present study then adopts a combined boundary and finite element method to analyze the dynamic behavior of a system of flexible surface foundations on an elastic homogeneous and layered half-space. Numerical examples are presented to demonstrate the accuracy of the developed method. The examples show the feasibility of an extended application fur the complicated dynamic interaction of foundations on layered media.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1999.10a
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pp.317-324
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1999
Dynamic interaction analysis of surface structure on layered half-space is performed in frequency domain under incident wave excitation. This present study adopts a coupling method that combines the finite element(FE) for the flexible structures and boundary element(BE) for the layered half-space. A semi-analytical approach is employed to reduce the integration range of wavenumbers in the BE formula. For the incident wave input, the response is decomposed and formulated after the impedance matrix for the structure system. Numerical examples are presented to demonstrate the accuracy of the method. The examples show the feasibility of an extended application to the complicated dynamic analysis of structures on layered media under incident wave excitation.
Lee, Tae Hee;Lee, Jin Min;Yoo, Jung Hoon;Lee, Min Uk
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.29
no.11
s.242
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pp.1527-1533
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2005
Three methods for design sensitivity analysis such as finite difference method(FDM), direct differentiation method(DDM) and adjoint variable method(AVM) are well known. FDM and DDM for design sensitivity analysis cost too much when the number of design variables is too large. An AVM is required to compute adjoint variables from the simultaneous linear system equation, the so-called adjoint equation. Because the adjoint equation is independent of the number of design variables, an AVM is efficient for when number of design variables is too large. In this study, AVM has been extended to the eigenproblem of damped systems whose eigenvlaues and eigenvectors are complex numbers. Moreover, this method is implemented into a commercial finite element analysis program by means of the semi-analytical method to show applicability of the developed method into practical structural problems. The proposed_method is compared with FDM and verified its accuracy for analytical and practical cases.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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