This paper presents a flexural-torsional analysis of thin-walled open-section composite beams. A general geometrically nonlinear model for thin-walled composite beams and general laminate stacking sequences is given by using systematic variational formulation based on the classical lamination theory. The nonlinear algebraic equations of present theory are linearized and solved by means of an incremental Newton-Raphson method. Based on the analytical model, a displacement-based one-dimensional finite element model is developed to formulate the problem. Numerical results are obtained for thin-walled composite beams under general loadings, addressing the effects of fiber angle, laminate stacking sequence and loading parameters.
The thick open section composite beams are used extensively as load carrying members and stiffeners of structural elements. However, most of studies on thick composite beams are limited only to closed section beams. In this study, an open cross-section thick-walled composite beam model which includes coupled stiffness, transverse shear, and warping effects is suggested and the deflections associated with the thick-walled composite beams and thin-walled composite beams are obtained and compared with the finite element analysis results. The correlation between thin and thick walled composite beam was achieved for two different layup configurations which are the circumferentially asymmetric stiffness (CAS) and circumferentially uniform stiffness (CUS) beams.
In this paper a computer program is developed for the determination of geometrical and material properties of composite thin-walled beams with arbitrary open cross-section and any arbitrary laminate stacking sequence. Theory of thin-walled composite beams is based on assumptions consistent with the Vlasov's beam theory and classical lamination theory. The program is written in Fortran 77. Some numerical examples are given, with complete information about input and output.
End effects due to sectional deformations of thin-walled beams with closed cross section are analysed by a one-dimensional theory. In particular, end effects associated with warping (out of plane m otion) and distortion (in plane motion) are investigated. The exact solutions as a vector form are newly derived to reveal slowly-decaying nature of the end effects in a thin-walled beam loaded by a couple. Several examples of thin-walled beams under various loading conditions indicate that the local end effect zone due to warping and distortion is approximately ten times the typical beam width.
In this work, the structural response of thin-walled composite beams with pretwist angle is investigated by using a mixed beam approach that combines the stiffness and flexibility methods in a unified manner. The Reissner's semi-complimentary energy functional is used to derive the stiffness matrix that approximates the beam in an Euler-Bernoulli level for extension and bending and Vlasov level for torsion. The bending and torsion-related warpings induced by the pretwist effects are derived in a closed form. The developed theory is validated with available literature and detailed finite element structural analysis results using the MSC/NASTRAN. Pretwisted composite beams with rectangular solid and thin-walled box sections are illustrated to validate the current approach. Acceptable correlation has been achieved for cases considered in this study. The effects of pretwist and fiber orientation angles on the static behavior of pretwisted composite beams are also studied.
This paper deals with the free vibrations of circular curved beams with thin-walled cross-section. The differential equation for the coupled flexural-torsional vibrations of such beams with warping is solved numerically to obtain natural frequencies and mode shapes. The Runge-Kutta and determinant search methods, respectively, are used to solve the governing differential equation and to compute the eigenvalues. The lowest three natural frequencies and corresponding mode shapes are calculated for the thin-walled horizontally curved beams with hinged-hinged, hinged-clamped, and clamped-clamped end constraints. A wide range of opening angle of beam, warping parameter, and two different values of slenderness ratios are considered. Numerical results are compared with existing exact and numerical solutions by other methods.
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.
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.
This study investigates the difference between single-cell and multi-cell cross-sections of thin-walled beams. The variationally and asymptotically consistent theory is used in order to model the two-cell thin- walled beam. The theory is based on an asymptotical analysis of two-dimensional shell energy. In addition, the method allows for the development of closed-form expressions for the displacement, stress field and beam stiffness coefficients. The numerical results show the difference between the cross-sectional stiffness of single-cell and that of multi-cell.
한국소음진동공학회 1997년도 춘계학술대회논문집; 경주코오롱호텔; 22-23 May 1997
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pp.199-204
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1997
This paper proposes a new 'finite element for the vibration analysis of thin-walled beams of rectangular closed sections. To predict the dynamic behavior of the thin-walled beam accurately, warping and distortion deformations should be considered for the analysis. The motivation of the present development is that conventional beam elements cannot describe correctly deformations such as warping and lozenging which are not negligible in some situations. Several numerical examples are studied to confirm the validity of the present element.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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