In this article, we present torsion-bending analysis of a composite FGM beam with an open section, according to the advanced and refined theory of 1D / 3D beams based on the 3D Saint-Venant's solution and taking into account the edge effects. The (initially one-dimensional) model contains a set of three-dimensional (3D) displacement modes of the cross section, reflecting its 3D mechanical behaviour. The modes are taken into account depending on the mechanical characteristics and the geometrical form of the cross-section of the composite FGM beam. The model considered is implemented on the CSB (Cross-Section and Beam Analysis) software package. It is based on the RBT/SV theory (Refined Beam Theory on Saint-Venant principle) of FGM beams. The mechanical and physical characteristics of the FGM beam continuously vary, depending on a power-law distribution, across the thickness of the beam. We compare the numerical results obtained by the three-beam theories, namely: The Classical Beam Theory of Saint-Venant (Classical Beam Theory CBT), the theory of refined beams (Refined Beam Theory RBT), and the theory of refined beams, using the higher (high) modes of distortion of the cross-section (Refined Beam Theory using distorted modes RBTd). The results obtained confirm a clear difference between those obtained by the three models at the level of the supports. Further from the support, the results of RBT and RBTd are of the same order, whereas those of CBT remains far from those of higher-order theories. The 3D stresses, strains and displacements, obtained by the present study, reflect the 3D behaviour of FGM beams well, despite the initially 1D nature of the problem. A validation example also shows a very good agreement of the proposed models with other models (classical or higher-order beam theory) and Carrera Unified Formulation 1D-beam model with Lagrange Expansion functions (CUF-LE).
In this paper, the mechanical behaviour of functionally graded material beams is studied using the 3D Saint-Venant's theory, in which the section is free to warp in and out of its plane (Poisson's effects and out-of-plane warpings). The material properties of the FGM beam are distributed continuously through the thickness by several distributions, such as power-law distribution, exponential distribution, Mori-Tanaka schema and sigmoid distribution. The proposed method has been applied to study a simply supported FGM beam. The numerical results obtained are compared to other models in the literature, which show a high performance of the 3D exact theory used to describe the stress and strain fields in FGM beams.
여러 가지 이유로 단일시험편에서 평면이방성 암석의 5개의 독립적 탄성상수를 결정해야 할 경우, Saint-Venant 근사식은 오랫동안 매우 유용하게 사용되어 왔다. 본 논문은 이 경험적 수식이 겉보기 탄성계수로 표현되는 수식으로 전환될 수 있음을 탄성이론에 근거한 수학적 전개를 통하여 밝히고 있다. 이렇게 전환된 수식은 이방성 각도에 단조증가하는 특성을 갖고 있으며, 이방성 암반의 초기응력측정에 유용하게 사용될 것이다. 문헌의 자료를 분석한 결과, $G^2$의 측정값은 각도와 관계없이 일정한 크기이며, Saint-Venant 근사식에 의하여 유도된 값보다 작은 것으로 분석되었다. 이러한 감분은 층상의 경계면에서 미끄러짐에 의하여 발생하는 것으로 판단되며, 미끄러짐에 의한 감소비율은 층상의 결합상태와 암석의 강도에 따라 유추될 수 있다. 이러한 분석들이 향후에 계속되어 자료가 누적된다면 감소비율을 규정할 수 있고, Saint-Venant 근사식의 수정을 통하여 단일시험편으로부터 탄성상수를 결정할 수 있을 것이다.
In this paper, the cross-section properties of thin-walled beam are calculated through KSec2D in consist of Saint-Venant theory. To investigate tendency increasing the thickness, we analysis cross-section using isotropic material. In the asymmetric cross-section, we investigate effect caused cross-section properties accompanied increasing the thickness. The structural properties such as bending stiffness, tosion stiffness per area of each cross-section in three cases is compared through increasing thickness. The warping displacement calculated by KSed2D is modeled by CATIA. In order to show that warping influence the cross-section, the warping shape modeled CATIA is printed 3D printer.
본 논문에서는 생브낭의 원리가 근본적으로 구조물의 거동 예측에 잠재적으로 적용되어 있다는 점에 착안하여, 응력해석에 국한되어 있던 방법론을 자유진동 및 좌굴 문제 등에 적용하여 고전 보 이론의 정확도를 고차이론 수준으로 개선한다. 먼저 생브낭의 원리를 소개하고, 고전 보 이론에 의한 자유진동 그리고 좌굴해석 정식화를 진행하였다. 고전 보 이론의 변위장에 워핑함수와 섭동항을 추가하고, 합응력 등가(즉, 생브낭의 원리)를 적용하여 섭동항을 찾는다. 여기서 워핑함수들은 응력 평형방정식을 통하여 계산하였으며, 이 워핑함수들은 추가된 섭동항에 의하여 보의 응력 평형을 만족하게 된다. 제안된 방법론을 외팔보와 단순지지 보 문제에 적용하여 주파수 및 좌굴하중을 개선하였으며, 전단수정계수의 도입 없이 예측을 개선할 수 있음을 보였다.
Moghtaderi, Saeed H.;Faghidian, S. Ali;Shodja, Hossein M.
Steel and Composite Structures
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제29권4호
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pp.483-491
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2018
Timoshenko beam model is widely exploited in the literature to examine the mechanical behavior of stubby beam-like components. Timoshenko beam theory is well-known to require the shear correction factor in order to recognize the nonuniform shear distribution at a section. While a variety of shear correction factors are appeared in the literature so far, there is still no consensus on the most appropriate form of the shear correction factor. The Saint-Venant's flexure problem is first revisited in the frame work of the classical theory of elasticity and a highly accurate approximate closed-form solution is presented employing the extended Kantorovich method. The resulted approximate solution for the elasticity field is then employed to introduce two shear correction factors consistent with the Cowper's and energy approaches. The mathematical form of the proposed shear correction factors are then simplified and compared with the results available in the literature over an extended range of Poisson's and aspect ratios. The proposed shear correction factors do not exhibit implausible issue of negative values and do not result in numerical instabilities too. Based on the comprehensive discussion on the shear correction factors, a piecewise definition of shear correction factor is introduced for rectangular cross-sections having excellent agreement with the numerical results in the literature for both shallow and deep cross-sections.
Chen, Chang Hong;Zhu, Yan Fei;Yao, Yao;Huang, Ying
Structural Engineering and Mechanics
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제57권3호
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pp.389-402
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2016
Based on the traditional mechanical model of thin-walled straight beam, the paper makes analysis and research on the pre-twisted thin-walled beam finite element numerical model. Firstly, based on the geometric deformation differential relationship, the Saint-Venant warping strain of pre-twisted thin-walled beam is deduced. According to the traditional thin-walled straight beam finite element mechanical model, the finite element stiffness matrix considering the Saint-Venant warping deformations is established. At the same time, the paper establishes the element stiffness matrix of the pre-twisted thin-walled beam based on the classic Vlasov Theory. Finally, by calculating the pre-twisted beam with elliptical section and I cross section and contrasting three-dimensional solid finite element using ANSYS, the comparison analysis results show that pre-twisted thin-walled beam element stiffness matrix has good accuracy.
본 연구에서는 홍수시 낙동강 유역에서 발생하는 수위거동양상을 분석하기 위해서 수리학적 하도추적모형을 적용하였다. 이를 위해 Saint-Venent 식의 가중 4점 음해법 유한차분해를 구하는 FLDWAV모형을 적용하는 방법을 제시하였다. 또한 합리적인 댐관리를 위해서 상류 댐방류량에 따른 하류부의 홍수도달시간에 대해서도 검토하였다. 모의 결과 수리학적 모형에 의한 방류량의 도달시간을 산정하기 위해서는 여러 가지 가정과 제한조건에 따른 방류시간산정이 수반되어야 할 것으로 판단되었다. 본 연구에서 구축된 모형을 적용함으로서 하류하천의 영향을 고려한 합리적인 댐방류 의사결정의 지침을 제공하며, 홍수시 하천에서의 과학적인 수리학적 분석이 가능할 것으로 판단된다.
본 논문에서는 기존에 개발된 생브낭의 원리를 이용한 응력개선방법에 부가적인 면외 워핑함수를 도입하여 후처리함으로써 기계 및 열응력을 개선할 수 있는 방법을 소개하였다. 열응력 예측이 중요한 문제로 다루어지고 있으며, 이에 따라 수많은 보이론들이 개발되어왔다. 일반적으로 고차이론들이 열응력 예측에 유용하다고 알려져 있지만, 자유도가 많아 계산과정이 복잡하다는 단점이 존재한다. 이러한 단점들을 보완하기 위해, 본 연구에서는 계산이 비교적 간단한 고전 보이론의 변위장에 면외 워핑함수를 부가적으로 도입하고 합응력 등가를 통해 후처리함으로써 보 구조물의 열응력을 정확하게 예측할 수 있는 방법을 제시하였다. 그리고 다양한 경계조건을 가지는 수치예제들을 통해 탄성해와 비교함으로써 그 정확도를 검증하고, 면외 워핑함수가 응력개선에 미치는 영향에 대해 분석하였다.
In this paper, we present a new method to calculate interface warping functions for the analysis of beams with geometric and material discontinuities in the longitudinal direction. The classical Saint Venant torsion theory is extended to a three-dimensional domain by considering the longitudinal direction. The interface warping is calculated by considering both adjacent cross-sections of a given interface. We also propose a finite element procedure to simultaneously calculate the interface warping function and the corresponding twisting center. The calculated interface warping functions are employed in the continuum-mechanics based beam formulation to analyze arbitrary shape cross-section beams with longitudinal discontinuities. Compared to the previous work by Yoon and Lee (2014a), both geometric and material discontinuities are considered with fewer degrees of freedom and higher accuracy in beam finite element analysis. Through various numerical examples, the effectiveness of the proposed interface warping function is demonstrated.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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