Approximate Constant Shear Angle Theory is usually used to take a transversal shear deformation of thick plate into consideration, which cannot be effectively considered the influence of transversal warping of cross-section with an increase of thickness. It right be the best way to represent the exact warping of cross-section. In this study, the derivation of warping function is attempted, and the effect of shear deformation and transversal warping is to be considered through the nolinear analysis of plate.
Mindlin 판이론에 바탕을 둔 두꺼운 판의 굽힘문제에 대한 유한요소 개발에 많은 연구가 수행되어 왔다. 두꺼운 판의 전단변형을 고려하기 위하여 주로 근사적인 일정전단회전각이론(CSAT)을 사용하여 왔지만, 두께가 두꺼워질수록 단면의 전단변형의 영향을 효과적으로 고려할 수 없을 것이다. 판 단면의 워핑(warping)을 가능한 정확하게 나타내는 것이 바람직할 것이다. 본 논문은 전단변형과 전단워핑의 영향을 고려한 새로운 판의 이론을 전개하고, Mindlin 판이론에 의한 결과와 비교 검토하기 위하여 다양한 파라미터 연구를 수행하여 두꺼운 판에 대한 전단변형과 전단워핑의 영향을 좀 더 깊이 고찰하고자 한다.
An improved shear deformable thin-walled curved beam theory to overcome the drawback of currently available beam theories is newly proposed for the spatially coupled free vibration and elastic analysis. For this, the displacement field considering the shear deformation effects is presented by introducing displacement parameters defined at the centroid and shear center axes. Next the elastic strain and kinetic energies considering the shear effects due to the shear forces and the restrained warping torsion are rigorously derived. Then the equilibrium equations are consistently derived for curved beams with non-symmetric thin-walled sections. It should be noticed that this formulation can be easily reduced to the warping-free beam theory by simply putting the sectional properties associated with warping to zero for curved beams with L- or T-shaped sections. Finally in order to illustrate the validity and the accuracy of this study, finite element solutions using the isoparametric curved beam elements are presented and compared with those in available references and ABAQUS's shell elements.
본 연구에서는 전단변형을 고려한 비대칭 박벽 곡선보의 자유진동해석을 수행할 수 있는 일반이론을 제시하기 위하여, 3차원 연속체에 대한 가상일의 원리로부터 전단변형 효과를 고려하고 비대칭 박벽단면과 ?(Warping)을 포함하는 변위장을 도심 축에 대해 정의한 후 곡선보의 변형도-변위관계로부터 공간 박벽 곡선보의 일반화된 탄성변형에너지와 운동에너지를 새롭게 유도한다. 또한, 전단변형이 고려된 곡선보의 총포텐셜에너지에 대해 변분을 취함으로써 평형방정식과 힘-변위관계를 제시한다. 한편, 제시된 이론에 대해 등매개 보요소를 도입하여 유한요소 정식화를 수행하였으며 곡선보의 동적 거동특성을 조사하기 위하여 전단변형, 곡률효과 그리고 진동모드에 대한 매개변수 연구를 수행한다. 마지막으로, 본 연구의 타당성을 입증하기 위하여, 다양한 해석예제에 대한 3차원 고유진동수를 산정하고 타 연구자들의 결과 및 ABAQUS의 쉘요소를 이용한 해석결과와 비교ㆍ검증한다.
In this paper a boundary element method is developed for the general flexural-torsional buckling analysis of Timoshenko beams of arbitrarily shaped cross section. The beam is subjected to a compressive centrally applied concentrated axial load together with arbitrarily axial, transverse and torsional distributed loading, while its edges are restrained by the most general linear boundary conditions. The resulting boundary value problem, described by three coupled ordinary differential equations, is solved employing a boundary integral equation approach. All basic equations are formulated with respect to the principal shear axes coordinate system, which does not coincide with the principal bending one in a nonsymmetric cross section. To account for shear deformations, the concept of shear deformation coefficients is used. Six coupled boundary value problems are formulated with respect to the transverse displacements, to the angle of twist, to the primary warping function and to two stress functions and solved using the Analog Equation Method, a BEM based method. Several beams are analysed to illustrate the method and demonstrate its efficiency and wherever possible its accuracy. The range of applicability of the thin-walled theory and the significant influence of the boundary conditions and the shear deformation effect on the buckling load are investigated through examples with great practical interest.
본 연구에서는 직교좌표계에 근거한 적층복합 I형 박벽보의 유한요소 해석을 위한 새로운 블록 강도행렬을 제안한다. 변위장은1차 전단변형을 고려한 보 이론을 사용하여 정의되었다. 축방향 변위는 Timoshenko 보이론과 수정된 Vlasov 박벽보 이론을 결합하여 투영단면의 면 변형과 면외 변형의 합으로 나타낸다. 유도된 강성행렬은 휨 전단변형과 뒴 비틂에 의한 영향을 고려한다. 본 유한요소 에서는 2절점, 3절점, 4절점의 세 가지 보요소를 제안하였다. 3절점과 4절점 보 요소는 적층복합 보의 휨 해석에 효과적이었다. 다른 연구자의 수치해석 결과와 비교 검토를 통하여 새로운 유한요소의 활용성과 정확성을 입증하였다.
The theory with hierarchical warping functions had been used to analyze composite thin-walled structure, laminated beam and had good results. In the present paper, a series of hierarchical warping functions are developed to analyze the cylindrical bending problems of composite lamina. These warping functions which refine through-the-thickness variation of displacements were composed of basic and corrective functions by taking into account of anisotropic, material discontinues, and transverse shear and normal strain. Then the hierarchical finite element method was used to form a numerical algorithm. The distribution of the displacements, in-plane stresses, transverse shear stresses and transverse normal stress for composite laminate were analyzed with the present model. The results show that the present model has precise mechanical response compared with the first deformation transverse theory and the corrective order affects the accuracy of result.
Thin plates are the most common spatially stressed members in engineering structures that bear out-of-plane loads. Therefore, it is of great significance to study the deformation performance characteristics of thin plates for structural design. By constructing 12 basic displacement and deformation basis vectors of the four-node square thin plate element, a deformation decomposition method based on the complete orthogonal mechanical basis matrix is proposed in this paper. Based on the deformation decomposition method, the deformation properties of the thin plate can be quantitatively analyzed, and the areas dominated by each basic deformation can be visualized. In addition, the method can not only obtain more deformation information of the structure, but also identify macroscopic basic deformations, such as bending, shear and warping deformations. Finally, the deformation properties of the bidirectional thin plates with different sizes of central holes are analyzed, and the changing rules are obtained.
We apply higher-order beam theory to analyze the deflections and stresses of a cantilevered single leaf flexure in bending. Our equations include shear deformation and the warping effect in bending. The results are compared with Euler-Bernoulli and Timoshenko beam theory, and are verified by finite element analysis (FEA). The results show that the higher-order beam theory is in a good agreement with the FEA results, with errors of less than 10%. These results indicate that the analysis of the deflections and stresses of a single leaf flexure should consider the shear and warping effects in bending to ensure high precision mechanism design.
An enhanced first shear deformation theory for composite plate is developed. The detailed process is as follows. Firstly, the theory is formulated by modifying higher order zigzag theory. That is, the higher order theory is separated into the warping function representing the higher order terms and lower order terms. Secondly, the relationships between higher order zig-zag field and averaged first shear deformation field based on the Reissner-Mindlin's plate theory are derived. Lastly, the effective shear modulus is calculated by minimizing error between higher order energy and first order energy. Then the governing equation of FSDT is solved by substituting shear modulus into effective shear modulus. The recovery processing with the nodal unknown obtained from governing equation is performed. The accuracy of the present proposed theory is demonstrated through numerical examples. The proposed method will serve as a powerful tool in the prediction of laminated composite plate.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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