In this paper, we propose a continuum mechanics based 3-D beam finite element with cross-sectional discretization allowing for warping displacements. The beam element is directly derived from the assemblage of 3-D solid elements, and this approach results in inherently advanced modeling capabilities of the beam element. In the beam formulation, warping is fully coupled with bending, shearing, and stretching. Consequently, the proposed beam elements can consider free and constrained warping conditions, eccentricities, curved geometries, varying sections, as well as arbitrary cross-sections (including thin/thick-walled, open/closed, and single/multi-cell cross-sections). We then study the modeling and predictive capabilities of the beam elements in twisting beam problems according to geometries, boundary conditions, and cross-sectional meshes. The results are compared with reference solutions obtained by analytical methods and solid and shell finite element models. Excellent modeling capabilities and solution accuracy of the proposed beam element are observed.
In this paper, a finite element (FE) simulation has been developed in order to examine the nonlinear stability of reinforced sandwich beams with graphene oxide powders (GOPs). In this regard, the nonlinear stability curves have been obtained asuming that the beam is under compressive loads leading to its buckling. The beam is considered to be a three-layered sandwich beam with metal core and GOP reinforced face sheets and it is rested on elastic substrate. Moreover, a higher-order refined beam theory has been considered to formulate the sandwich beam by employing the geometrically perfect and imperfect beam configurations. In the solving procedure, the utalized finite element simulation contains a novel beam element in which shear deformation has been included. The calculated stability curves of GOP-reinforced sandwich beams are shown to be dependent on different parameters such as GOP amount, face sheet thickness, geometrical imperfection and also center deflection.
The pointwise equilibrium polynomial (PEP) element considering local second-order effect has been widely used in direct analysis of many practical engineering structures. However, it was derived according to Euler-Bernoulli beam theory and therefore it cannot consider shear deformation, which may lead to inaccurate prediction for deep beams. In this paper, a novel beam-column element based on Timoshenko beam theory is proposed to overcome the drawback of PEP element. A fifth-order polynomial is adopted for the lateral deflection of the proposed element, while a quadric shear strain field based on equilibrium equation is assumed for transverse shear deformation. Further, an additional quadric function is adopted in this new element to account for member initial geometrical imperfection. In conjunction with a reliable and effective three-dimensional (3D) co-rotational technique, the proposed element can consider both member initial imperfection and transverse shear deformation for second-order direct analysis of frame structures. Some benchmark problems are provided to demonstrate the accuracy and high performance of the proposed element. The significant adverse influence on structural behaviors due to shear deformation and initial imperfection is also discussed.
A nonlinear semi-three-dimensional layered finite element procedure is developed for cracking and failure analysis of reinforced concrete beams and the spandrel beam-column-slab connections of flat plates. The layered element approach takes the elasto-plastic failure behaviour and geometric nonlinearity into consideration. A strain-hardening plasticity concrete model and a smeared steel model are incorporated into the layered element formulation. Further, shear failure, transverse reinforcement, spandrel beams and columns are successfully modelled. The proposed method incorporating the nonlinear constitutive models for concrete and steel is implemented in a finite element program. Test specimens including a series of reinforced concrete beams and beam-column-slab connections of flat plates are analysed. Results confirm the effectiveness and accuracy of the layered procedure in predicting both flexural and shear cracking up to failure.
This paper describes the optimization of the hexagonal array transducer using finite element method. The transducer consists of the disc type sensors. Three dimensional beam patterns of each element and the array transducer are analysed using the finite element code ATILA. Beam patterns were analyzed for the disc type transducer. To optimize beam patterns of the array transducer, Chebyshev polynomial weight is applied to each element. In case of applying optimized weight, a 30 degree width beam pattern is presented at 10kHz. This paper also includes the effect of rubber filling material instead of using the water inside the transducer array.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.34
no.3
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pp.76-84
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1997
At the initial design stage, for rapid evaluation of strength of ship structures, finite element analysis using beam elements is carried out in general. In beam modeling of ship structures, brackets are usually represented by rigid elements to simplify the analysis. Extent of rigid ends, which is called as a span point, can be determined from the three kinds of view points, i.e., bending, shearing and axial deformation. In this paper, a 2-dimensional novel beam element is developed and a method to replace the 3-dimensional analysis with 2-dimensional analysis is proposed. The developed novel beam element named rigid-ended beam element can consider the effect of three kinds of span points within one element, which was impossible in modeling with the ordinary beam element. Calculated results for the portal frame using the rigid-ended beam element agree with the results using membrane elements. And also, the proposed semi 3-dimensional analysis method which includes two step analysis using influence coefficients shows good accuracy. Structural analysis using the rigid-ended beam element and the semi 3-dimensional method is revealed to have good computing efficiency due to unnecessity of elements corresponding to the brackets and simplification of 3-dimensional analysis.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.16
no.2
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pp.183-195
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2003
In this study, the method of the finite element modeling for free vibration control of beam-type smart structures with bonded plate-type piezoelectric sensors and actuators is proposed. Constitutive equations for the direct piezoelectric effect and converse piezoelectric effect of piezoelectric materials are considered. By using the variational principle, the equations of motion for the smart beam finite element are derived. The proposed 2-node beam finite element is an isoparametric element based on Timoshenko beam theory. Therefore, by analyzing beam-type smart structures with smart beam finite elements, it is possible to simulate the control of the structural behavior by applying voltages to piezoelectric actuators and monitoring of the structural behavior by sensing voltages of piezoelectric sensors. By using the smart beam finite element and constant-gain feed back control scheme, the formulation of the free nitration control for the beam structures with bonded plate-tyPe Piezoelectric sensors and actuators is proposed.
The objective of this study is the finite element-transfer stiffness coefficient method, which is the combination of the modeling technique of finite element method and the transfer technique of transfer stiffness coefficient method, is applied in the static analyses of two dimensional curved beam structures. To confirm the effectiveness of the applied method, two computational models are selected and analyzed by using finite element method, finite element-transfer stiffness coefficient method and exact solution. The computational results of the static analyses for two computational models using finite element-transfer stiffness coefficient method are equal to those using finite element method. When the element partition number of curved beam structure is increased, the computational results of the static analyses using both methods approach the exact solution. We confirmed that the finite element-transfer stiffness coefficient method is superior to finite element method when the number of the curved beam elements is increased from the viewpoints of the computational speed and the utility of computer memory.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2003.11a
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pp.285-290
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2003
A method for the dynamic analysis of curved beam conveying fluid presents. The dynamics of curved beam is based on inextensible theory and the fluid in curved beam has uniform velocity. The equations of motion of curved beam are decoupled by in-plane motion and out-of$.$Plane motion. The solutions of equations are presented by a finite element method and validate by comparing the natural frequency with analytical solution, straight beam theories and Nastran. The influence of fluid velocity on the frequency response function is illustrated and discussed.
A nonlinear finite element analysis using ANSYS is used to evaluate the seismic behavior of reinforced concrete exterior beam-column joints. The behavior of the finite element models under cyclic loading is compared with the experimental results. Two beam-column joint specimens (SH and SHD) with square hoop confinement in joint and throughout the column with detailing as per IS 13920 are studied. The specimen SHD was provided with additional diagonal bars from column to beam to relocate the plastic hinge formation from beam-column interface. The load-displacement relationship, joint shear stress and strain in beam obtained from numerical study showed good agreement with the experimental results. This investigation proves that seismic behaviour of reinforced concrete beam-column joints under reversed cyclic loading can be evaluated successfully using finite element modeling and analysis.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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