A general analytical model for thin-walled composite beams with an arbitrary open/(or/and) closed cross section and arbitrary laminate stacking sequence i.e., symmetric, anti-symmetric as well as un-symmetric with respect to the mid plane of the laminate, is developed in the first paper. All the mechanical properties, mechanical centre of gravity and mechanical shear centre of the cross section are defined in the function of the geometry and the material properties of the section. A program "fungen" and "clprop" are developed in Fortran to compute all the mechanical properties and tested for various isotropic sections first and compared with the available results. The locations of mechanical centre of gravity and mechanical shear centre are given with respect to the fibre angle variation in composite beams. Variations of bending and torsional stiffness are shown to vary with respect to the fibre angle orientations.
Longitudinal fracture behavior of non-linear elastic beam configurations is studied in terms of the strain energy release rate. It is assumed that the beams exhibit continuous material inhomogeneity along the width as well as along the height of the crosssection. The Ramberg-Osgood stress-strain relation is used for describing the non-linear mechanical behavior of the inhomogeneous material. A solution to strain energy release rate is derived that holds for inhomogeneous beams of arbitrary cross-section under combination of axial force and bending moments. Besides, the solution may be applied at any law of continuous distribution of the modulus of elasticity in the beam cross-section. The longitudinal crack may be located arbitrary along the beam height. The solution is used to investigate a longitudinal crack in a beam configuration of rectangular cross-section under four-point bending. The crack is located symmetrically with respect to the beam mid-span. It is assumed that the modulus of elasticity varies continuously according a cosine law in the beam cross-section. The longitudinal fracture behavior of the inhomogeneous beam is studied also by applying the J-integral approach for verification of the non-linear solution to the strain energy release rate derived in the present paper. Effects of material inhomogeneity, crack location along the beam height and non-linear mechanical behavior of the material on the longitudinal fracture behavior are evaluated. Thus, the solution derived in the present paper can be used in engineering design of inhomogeneous non-linear elastic structural members to assess the influence of various material and geometrical parameters on longitudinal fracture.
This paper presents a curvature method for analysis of beam-columns with different materials and arbitrary cross-section shapes and subjected to combined biaxial moments and axial load. Both material and geometric nonlinearities (the p-delta effect in this case) were incorporated. The proposed method considers biaxial curvatures and uniform normal strains of discrete cross-sections of beam-columns as basic unknowns, and seeks for a solution of the column deflection curve that satisfies force equilibrium conditions. A piecewise representation of the beam-column deflection curve is constructed based on the curvatures and angles of rotation of the segmented cross-sections. The resulting bending moments were evaluated based on the deformed column shape and the axial load. The moment curvature relationship and the beam-column deflection calculation are presented in matrix form and the Newton-Raphson method is employed to ensure fast and stable convergence. Comparison with results of analytic solutions and eccentric compression tests of wood beam-columns implies that this method is reliable and effective for beam-columns subjected to eccentric compression load, lateral bracings and complex boundary conditions.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.17
no.12
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pp.3094-3104
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1993
The five punch and die sets are selected as the examples of arbitrary cross sections which have two opposite inclined sides. Two kinds of blank shapes are designed for all cross sections. One(h-b1.) is determined by slip-line theory and the other (G-b1.) is determined conventionally as the similar shapes with the cross sections which were used by Gopinathan. As a result of the experimental procedures, the superiority of the blank shapes designed by slip-line theory is verified in the limiting drawing ratio, the uniformity of cup height and the thickness distributions.
Bulletin of the Society of Naval Architects of Korea
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v.17
no.1
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pp.11-18
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1980
In the conventional ship's structures, the stiffeners with asymmetric sections have been widely used, in spite of the disadvantage on the point of strength, compared to those with symmetric sections. So far, the stiffened plating was usually analyzed not considering the geometric unsymmetry characteristics of the section, including only the cross sectional area and moment of inertia. In this paper, the stiffened plating is devided into the strips having a thin-walled open cross section by using the concept of the effective width. The geometric characteristics of the sections are also included. The governing equations are derived, which can be applied to the arbitrary cross section beams, and the symmetric and the asymmetric section beams which have the same cross sectional areas are analyzed by using the finite element method. From that result, we obtain the allowable load of the two sections, and compared them.
Park, Je-seon;Kim, Kyeong-jin;Won, Chi-moon;Shim, Do-sik
Journal of Industrial Technology
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v.15
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pp.71-75
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1995
A method of calculating the natural frequency corresponding to the first mode of vibration of beams and tower structures, with irregular cross-sections and with arbitrary boundary conditions was developed and reported by D. H. Kim in 1974. This method has been developed for two-dimensional problems including the laminated composite plates and was proved to be very effective for the plates with arbitrary boundary conditions and irregular sections. In this paper, the result of application of this method to the clamped composite plates with non-uniform cross-section and with attached point mass/masses is presented.
Journal of the Korean Institute of Telematics and Electronics
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v.25
no.2
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pp.125-129
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1988
The acattering characteristics by the TE incident wave are analysed for its dielectric cylinder with arbitrary cross section partially covered by thin conductors. The integro differential equations consistent with boundary conditions of conductors and dielectric boundaries are derived by the equivalence principle. They are transformed into matrix equations by moment method. The rectangular dielectric ctlinder partially coverd by conductors at the upper and bottom side of the cylinder is chosen for the numerical example. Current distributions on conductors and sacttring cross sections by the cylinder are computed for the TE incident perpendicular to the conductor plane.
Park, Il-Ju;Jung, Sung-Nam;Kim, Do-Hyung;Yun, Chul-Yong
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.10
no.2
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pp.77-85
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2009
A two-dimensional cross-section analysis program based on the finite element method has been developed for composite blades with arbitrary cross-section profiles and material distributions. The modulus weighted approach is used to take into account the non-homogeneous material characteristics of advanced blades. The CLPT (Classical Lamination Plate Theory) is applied to obtain the effective moduli of the composite laminate. The location of shear center for any given cross-sections are determined according to the Trefftz' definition while the torsion constants are obtained using the St. Venant torsion theory. A series of benchmark examples for beams with various cross-sections are illustrated to show the accuracy of the developed cross-section analysis program. The cross section cases include thin-walled C-channel, I-beam, single-cell box, NACA0012 airfoil, and KARI small-scale blades. Overall, a reasonable correlation is obtained in comparison with experiments or finite element analysis results.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.14
no.4
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pp.310-323
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2013
In this paper, the aeroelastic static response of flexible wings with arbitrary cross-section geometry via a coupled CUF-XFLR5 approach is presented. Refined structural one-dimensional (1D) models, with a variable order of expansion for the displacement field, are developed on the basis of the Carrera Unified Formulation (CUF), taking into account cross-sectional deformability. A three-dimensional (3D) Panel Method is employed for the aerodynamic analysis, providing more accuracy with respect to the Vortex Lattice Method (VLM). A straight wing with an airfoil cross-section is modeled as a clamped beam, by means of the finite element method (FEM). Numerical results present the variation of wing aerodynamic parameters, and the equilibrium aeroelastic response is evaluated in terms of displacements and in-plane cross-section deformation. Aeroelastic coupled analyses are based on an iterative procedure, as well as a linear coupling approach for different free stream velocities. A convergent trend of displacements and aerodynamic coefficients is achieved as the structural model accuracy increases. Comparisons with 3D finite element solutions prove that an accurate description of the in-plane cross-section deformation is provided by the proposed 1D CUF model, through a significant reduction in computational cost.
The method of cross-section analysis for different sections in a structural frame has been widely investigated since the 1960s for determination of sectional capacities of beam-columns. Many hand-calculated equations and design graphs were proposed for the specific shape and type of sections in pre-computer age decades ago. In design of many practical sections, these equations may be uneconomical and inapplicable for sections with irregular shapes, leading to the high construction cost or inadequate safety. This paper not only proposes a versatile numerical procedure for sectional analysis of beam-columns, but also suggests a method to account for residual stress and geometric imperfections separately and the approach is applied to design of high strength steels requiring axial force-moment interaction for advanced analysis or direct analysis. A cross-section analysis technique that provides interaction curves of arbitrary welded sections with consideration of the effects of residual stress by meshing the entire section into small triangular fibers is formulated. In this study, two doubly symmetric sections (box-section and H-section) fabricated by high-strength steel is utilized to validate the accuracy and efficiency of the proposed method against a hand-calculation procedure. The effects of residual stress are mostly not considered explicitly in previous works and they are considered in an explicit manner in this paper which further discusses the basis of the yield surface theory for design of structures made of high strength steels.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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