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.
This paper proposes an efficient beam-shell modeling technique for the free vibration analysis of a T-joint thin-walled beam structure. Except a small portion of a T-joint which is modeled by shell elements, the structure is modeled by thin-walled beam elements that can describe warping and distortion. In order to match the shell and thin-walled beam elements at the interface of the dissimilar elements, a technique based on a pseudo inverse matrix is formulated. This paper also examines the role of the thin-walled element taking into account the distortion and warping deformation degrees of freedom in predicting accurately the dynamic characteristics of a T-joint thin-walled structure.
Lateral buckling behavior of laminated composite thin-walled I-section beams subjected to bending moment is investigated by applying the nonlinear anisotropic thin-walled beam theory. The constituent laminated thin-walled elements of I-section are assumed to be symmetrically laminated. The bending, twisting, and warping stiffnesses of the cross section are obtained based on the definitions of these stiffnesses In the thin-walled anisotropic beam theory In numerical examples, singly-symmetric I-beams with specially orthotropic, quasi-isotropic, angle-plys and various boundary conditions are considered. To validate the proposed theoretical approach, present analytical solutions are compared with three dimensional finite element solutions.
In this paper, an optimization method of thin walled beam structures is proposed, Stiffnesses of a thin walled beam are characterized by the thickness of thin plates and the shape of the typical section of the beam. Explicit formula for section properties such as area, area moment of inertia, and torsional constants are derived using the response surface method. The explicit formula can be used for the optimal design of a structural system which consists of complicated thin walled beams. A vehicle structural system is optimized to demonstrate the proposed method.
In this research, reliability based optimum design is presented for the thin walled beam structures. Deterministic and stochastic optimum design are compared for the thin walled beam structures. Monte Carlo simulation is used for stochastic optimum design with consideration of probabilistic distribution of representative section properties of the thin walled beams with the Response Surface Method.
To overcome the drawback of currently available curved beam theories having non-symmetric thin-walled cross sections, a curved beam theory based on centroid-shear center formulation is presented for the spatially coupled free vibration and elastic analysis. For this, the displacement field is expressed by introducing displacement parameters defined at the centroid and shear center axes, respectively. Next the elastic strain and kinetic energies considering the thickness-curvature effect and the rotary inertia of curved beam are rigorously derived by degenerating the energies of the elastic continuum to those of curved beam. And then the equilibrium equations and the boundary conditions are consistently derived for curved beams having non-symmetric thin-walled cross section. It is emphasized that for curved beams with L- or T-shaped sections, this thin-walled curved beam theory can be easily reduced to the solid beam theory by simply putting the sectional properties associated with warping to zero. In order to illustrate the validity and the accuracy of this study, FE solutions using the Hermitian curved beam elements are presented and compared with the results by previous research and ABAQUS's shell elements.
In this paper, an optimization technique for thin walled beams of vehicle body structure is proposed. Stiffness of thin walled beam structure is characterized by the thickness and typical section shape of the beam structure. Approximate functions for the section properties such as area, area moment of inertia, and torsional constant are derived by using the response surface method. The approximate functions can be used for the optimal design of the vehicle body that consists of complicated thin walled beams. A passenger car body structure is optimized to demonstrate the proposed technique.
Derivation procedures of exact elastic element stiffness matrix of thin-walled curved beams are rigorously presented for the static analysis. An exact elastic element stiffness matrix is established from governing equations for a uniform curved beam element with nonsymmetric thin-walled cross section. First this numerical technique is accomplished via a generalized linear eigenvalue problem by introducing 14 displacement parameters and a system of linear algebraic equations with complex matrices. Thus, the displacement functions of displacement parameters are exactly derived and finally exact stiffness matrices are determined using member force-displacement relationships. The displacement and normal stress of the section are evaluated and compared with thin-walled straight and curved beam element or results of the analysis using shell elements for the thin-walled curved beam structure in order to demonstrate the validity of this study.
정확하고 효율적인 해석적 박판보 모델을 개발하여 반복적인 과부하를 받고 있는 SWATH선의 전체적인 거동을 해석하고자 한다. SWATH선을 단순한 채널형 박판보로 이상화하고, 박판보 모델은 기하학적으로 완전한 비선형 보를 응력성분으로 정식화하여 유한요소법에 의해 수치해석적으로 처리한다. 또한 복잡한 하중상태하의 재료의 비선형 거동을 잘 나타낼 수 있는 효율적인 주기적 소성모델도 고려한다. 이 박판보 모델은 단면에서의 응력분포를 국부적으로 매우 정확하게 나타내고, 재료가 항복되어 가는 과정을 쉽게 추적할 수 있게 한다. 그리고 전단변형의 영향을 국부적으로 취급함으로서 변형과 전단응력의 분포를 보다 더 정확하게 나타낼 수 있다. 이와 같은 해석적 박판보 모델에 의한 초기 설계단계에서의 해석은 바람직하다고 생각되며, 이 연구방법을 좀 더 진전시켜 보다 현실적인 박판보 모델을 개발할 필요성이 있다.
A general analytical method for computing the joint stiffness from the sectional properties of the members that form the joint is derived using Vlasov's thin-walled beam theory. The analytical model of box T-joint under out-of-plane loading is investigated and validated using shell finite element results and experimental data. The analytical model of the T-joint is implemented in a beam finite element model using a revolute joint element. The out-of-plane displacement computed using the beam-joint model is compared with the corresponding shell element model. The results show close correlation between the beam revolute joint model and shell element model.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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