Finite Element Method(FEM) is one of the most popularly used method in analyzing the dynamic behaviors of structures. But unless the number of finite elements is large enough, the results from FEM are somewhat different form exact analytical solutions, especially at high frequency range. On the other hand, as the Spectral Element Method(SEM) deals directly with the governing equations of structures, the results from this method cannot but be exact regardless of any frequency range. However, despite two dimensional structures are more general, the SEM has been applied only to the analysis of one dimensional structures so far. In this paper, therefore, new methodologies are introduced to analyze the two dimensional plate structure using SEM. The results from this new method are compared with the exact analytical solutions by letting the two dimensional plate structure be one dimensional and showed the dynamic responses of two dimensional plate by including various waves propagated into x-direction.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.20
no.6
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pp.1773-1783
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1996
Finite element method(FEM) is one of the most popularly used method analyzing the dynamic behaviors of structures. But unless number of finite elements is large enough, the results from FEM some what different from exact analytical solutions, especially at high frequency range. On the other hand, as the spectral analysis method(SAM) deals directly with the governing equations of a structure, the results from this melthod cannot but be exact regardless of any frequency range. However, the SAM can be applied only to the case where a structure is subjected to the concentrated loads, despite a structure could be unddergone distributed loads more generally. In this paper, therefore, new spectral analysis algorithm is introduced through the spectral element method(SEM), so that it can be applied to anlystructures whether they are subjected to the concentrated loads or to the distributed loads. The results from this new SEM are compared with both the results from FEM and the exact analytical solutions. As expected, the results from new SEM algorithm are found to be almost identical to the exact analytical solutions while those from FEM are not agreed well with the exact analytical solutions as the mode number increases.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2008.04a
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pp.45-48
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2008
Periodic lattice structures such as the large space lattice structures and carbon nanotubes may take the extension-transverse shear-bending coupled vibrations, which can be well represented by the extended Timoshenko beam theory. In this paper, the spectrally formulated finite element model (simply, spectral element model) has been developed for extended Timoshenko beams and applied to some typical periodic lattice structures such as the armchair carbon nanotube, the periodic plane truss, and the periodic space lattice beam.
Lakshmanan, N.;Gopalakrishnan, N.;Rama Rao, G.V.;Sathish kumar, K.
Geomechanics and Engineering
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v.1
no.2
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pp.121-142
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2009
The paper deals with the applications of spectral finite element method to the dynamic analysis of framed foundations supporting high speed machines. Comparative performance of approximate dynamic stiffness methods formulated using static stiffness and lumped or consistent or average mass matrices with the exact spectral finite element for a three dimensional Euler-Bernoulli beam element is presented. The convergence of response computed using mode superposition method with the appropriate dynamic stiffness method as the number of modes increase is illustrated. Frequency proportional discretisation level required for mode superposition and approximate dynamic stiffness methods is outlined. It is reiterated that the results of exact dynamic stiffness method are invariant with reference to the discretisation level. The Eigen-frequencies of the system are evaluated using William-Wittrick algorithm and Sturm number generation in the $LDL^T$ decomposition of the real part of the dynamic stiffness matrix, as they cannot be explicitly evaluated. Major's method for dynamic analysis of machine supporting structures is modified and the plane frames are replaced with springs of exact dynamic stiffness and dynamically flexible longitudinal frames. Results of the analysis are compared with exact values. The possible simplifications that could be introduced for a typical machine induced excitation on a framed structure are illustrated and the developed program is modified to account for dynamic constraint equations with a master slave degree of freedom (DOF) option.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.22
no.3
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pp.635-643
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1998
A spectral element method(SEM) is introduced for the vibration analysis of a rectangular plate subject to dynamic concentrated loads. First, the spectral plate element is derived from the relations between the forces and displacements along the two opposite edges of plate element. The global spectral matrix equation is then formulated by assembling two spectral plate elements so that the dynamic concentrated load is located at the connection nodal line between two plate elements. the concentrated load is then spatially Fourier transformed in the direction of the connection nodal line to transform the two-dimensional plate problem into a simplified equivalent one-dimensional beam-like problem. We may benefit from these procedures in that the spectral results from the present SEM is compared with the exact analytical solutions to prove the remarkable accuracy of the present SEM, while this is not true for conventional finite element solutions, especially at high frequency.
Wave reflection and transmission characteristics in waveguides are an important issue in many engineering applications. A combined spectral element and finite element (SE/FE) method is used to investigate the effects of local non-uniformities but limited at relatively low frequencies because the SE is formulated by using a beam theory. For higher frequency applications, a method named a combined spectral super element and finite element (SSE/FE) method was presented recently, replacing spectral elements with spectral super elements. This SSE/FE approach requires a long computing time due to the coupling of SSE and FE matrices. If a local non-uniformity has a uniform cross-section along its short length, the FE part could be further replaced by SSE, which improves performance of the combined SSE/FE method in terms of the modeling effort and computing time. In this paper SSEs are combined to investigate the characteristics of waves propagating along waveguides possessing geometric non-uniformities. Two models are regarded: a rail with a local defect and a periodically ribbed plate. In the case of the rail example, firstly, the results predicted by a combined SSE/FE method are compared with those from the combined SSEs in order to justify that the combined SSEs work properly. Then the SSEs are applied to a ribbed plate which has periodically repeated non-uniformities along its length. For the ribbed plate, the propagation characteristics are investigated in terms of the propagation constant.
As FGM (functionally graded material) bars which vibrate in axial or longitudinal direction have great potential for applications in diverse engineering fields, developing a reliable mathematical model that provides very reliable vibration and wave characteristics of a FGM axial bar, especially at high frequencies, has been an important research issue during last decades. Thus, as an extension of the previous works (Hong et al. 2014, Hong and Lee 2015) on three-layered FGM axial bars (hereafter called FGM bars), an enhanced spectral element model is proposed for a FGM bar model in which axial and radial displacements in the radial direction are treated more realistic by representing the inner FGM layer by multiple sub-layers. The accuracy and performance of the proposed enhanced spectral element model is evaluated by comparison with the solutions obtained by using the commercial finite element package ANSYS. The proposed enhanced spectral element model is also evaluated by comparison with the author's previous spectral element model. In addition, the effects of Poisson's ratio on the dynamics and wave characteristics in example FGM bars are numerically investigated.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2002.11b
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pp.1066-1071
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2002
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.
The spectral element model is known to provide very accurate structural dynamic characteristics, while reducing the number of degree-of-freedom to resolve the computational and cost problems. Thus, the spectral element model with variational method for an axially moving Bernoulli-Euler beam subjected to axial tension is developed in the present paper. The high accuracy of the spectral element model is the verified by comparing its solutions with the conventional finite element solutions and exact analytical solutions. The effects of the moving speed and axial tension the vibration characteristics, wave characteristics, and the static and dynamic stabilities of a moving beam are investigated.
The spectral element modeling is known to provide very accurate structural dynamic characteristics, while reducing the number of degree-of-freedom to resolve the computational and cost problems. Thus, the spectral element model with variational method for an axially moving string subjected to axial tension is developed in the present paper. The high accuracy of the spectral element model is the verified by comparing its solutions with the conventional finite element solutions and exact analytical solutions. The effects of the moving speed and axial tension the vibration characteristics, wave characteristics, and the static and dynamic stabilities of a moving string are investigated.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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