Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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제14권2호
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pp.310-323
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1990
A three-noded, with three degree-of-freedom at each node, in-plane curved beam element is formulated and employed in eigen-analysis of constant curvature beam. The conventional quadratic shape functions used in a three noded C .deg. type curved beam element produce such an undesirable large stiffness that a significant error is introduced in displacements and stresses. These phenomena are called 'Stiffness Locking Phenomena', which result from spurious strain energy due to inappropriate assumptions on independent isoparametric quadratic interpolation functions. Stiffness locking phenomena can be alleviated by using modified interpolation functions which get rid of spurious constraints of conventional interpolation functions. Eigenvalues and their modes as well as displacements and stresses may be locked because they are related to stiffness. Using modified curved beam element in eigenvalue problem of cantilever and arch, the property and performance of modified curved beam element are examined by numerical experimentations. In these eigen-analyses, mass matrices are calculated by using both modified and unmodified curved beam element, are compared with theoretical solutions. These comparisons show that the performance of the modified curved beam element is better than that of the unmodified curved beam element.
Topology optimization of structures seeking the best distribution of mass in a design space to improve the structural performance and reduce the weight of a structure is one of the most comprehensive issues in the field of structural optimization. In addition to structures stiffness as the most common objective function, frequency optimization is of great importance in variety of applications too. In this paper, an efficient multi-objective Bi-directional Evolutionary Structural Optimization (BESO) method is developed for topology optimization of frequency and stiffness in continuum structures simultaneously. A software package including a Matlab code and Abaqus FE solver has been created for the numerical implementation of multi-objective BESO utilizing the weighted function method. At the same time, by considering the weaknesses of the optimized structure in single-objective optimizations for stiffness or frequency problems, slight modifications have been done on the numerical algorithm of developed multi-objective BESO in order to overcome challenges due to artificial localized modes, checker boarding and geometrical symmetry constraint during the progressive iterations of optimization. Numerical results show that the proposed Multiobjective BESO method is efficient and optimal solutions can be obtained for continuum structures based on an existent finite element model of the structures.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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제18권4호
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pp.846-855
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1994
An effective stiffness, analogous to that of a wound spring, can be created by antagonistic redundant actuation of general closed-chain mechanisms. The qualitative and quantitative characteristics of the effective stiffness are investigated through a Four-bar mechanism, and a load distribution method is introduced which simultaneously guarantees the required system motion and the effective stiffness of the Four-bar mechanism. Furthermore, a simulation is performed to understand the inter-relationship among the effective stiffness, the Four-bar geometry, and the actuation effort. Based on this analysis, the Four-bar synthesis problem for effective stiffness generation is discussed.
In this paper, dynamic stiffness and flexibility for circular membranes are analytically derived using an efficient mixed-part dual boundary element method (BEM). We employ three approaches, the complex-valued BEM, the real-part and imaginary-part BEM, to determine the dynamic stiffness and flexibility. In the analytical formulation, the continuous system for a circular membrane is transformed into a discrete system with a circulant matrix. Based on the properties of the circulant, the analytical solutions for the dynamic stiffness and flexibility are derived. In deriving the stiffness and flexibility, the spurious resonance is cancelled out. Numerical aspects are discussed and emphasized. The problem of numerical instability due to division by zero is avoided by choosing additional constraints from the information of real and imaginary parts in the dual formulation. For the overdetermined system, the least squares method is considered to determine the dynamic stiffness and flexibility. A general purpose program has been developed to test several examples including circular and square cases.
A finite element model of a beam element with flexible connections is used to investigate the effect of the randomness in the stiffness values on the modal properties of the structural system. The linear behavior of the connections is described by a set of random fixity factors. The element mass and stiffness matrices are function of these random parameters. The associated eigenvalue problem leads to eigenvalues and eigenvectors which are also random variables. A second order perturbation technique is used for the solution of this random eigenproblem. Closed form expressions for the 1st and 2nd order derivatives of the element matrices with respect to the fixity factors are presented. The mean and the variance of the eigenvalues and vibration modes are obtained in terms of these derivatives. Two numerical examples are presented and the results are validated with those obtained by a Monte-Carlo simulation. It is found that an almost linear statistical relation exists between the eigenproperties and the stiffness of the connections.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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제18권10호
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pp.2640-2652
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1994
The stiffness of 6-node isotropic element is stiffer than that of 8-node isotropic element of same configuration. This phenomenon was called 'Relative Stiffness Stiffening Phenomenon'. In this paper, an equation of sampling point modification which correct this phenomenon was derived for the composite plate, as well as an equation for an isotropic plate. The relative stiffness stiffening phenomena of an isotropic plate element could be corrected by modifying Gauss sampling points in the numerical integration of stiffness matrix. This technique could also be successfully applied to the static analyses of composite plate modeled by the 3-dimensional 16-node elements. We predicted theoretical errors of stiffness versus the number of layers that result from the reduction of numerical integration order. These errors coincide very well with the actual errors of stiffness. Therefore, we can choose full integration of reduced integration based upon the permissible error criterion and the number of layers by using the thoretically predicted error.
Lakshmanan, N.;Gopalakrishnan, N.;Rama Rao, G.V.;Sathish kumar, K.
Geomechanics and Engineering
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제1권2호
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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.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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한국콘크리트학회 1993년도 가을 학술발표회 논문집
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pp.278-283
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1993
Though stiffnesses of joints in precast concrete (P.C) large structures are known to be generally less than those in monolithic reinforced concrete wall structures, designers have very little information on the quantitative values with regards to these stiffnesses. The aim of this paper is to provide this quantitative information, in particular, on the compressive stiffness of horizontal joints, based on the analytical results derived from several experiments. Also, it is shown that the approach from the contact problem to determine this stiffness gives a value very similar to those obtained above.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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제17권4호
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pp.351-363
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2004
Equation of motion of non conservative system considering mass matrix, elastic stiffness matrix, load correction stiffness matrix by circulatory force's direction change and Winkler and Pasternak foundation stiffness matrix is derived. Also stability analysis due to the divergence and flutter loads is performed. And the influence of internal and external damping coefficient on flutter load is investigated applying the quadratic eigen problem solution. Additionally the influence of non-conservative force's direction parameter, internal and external damping and Winkler and Pasternak foundation on the critical load of Beck's and Leipholz's and Hauger's columns are investigated.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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제30권4호
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pp.387-392
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2006
This paper predicts the modified mass and stiffness of structure using the sensitivity coefficients with the iterative method. The sensitivity coefficients are obtained by the change of the eigenvectors according to structural modification. The method is applied to an examples of a 3 degree of freedom system by modifying mass and stiffness. The predicted mass and stiffness are in good agreement with these from the structural reanalysis using the modified mass and stiffness.
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