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.
For the general case of loading conditions and boundary conditions, it is very difficult to obtain closed form solutions for buckling loads and natural frequencies of thin-walled structures because its behaviour is very complex due to the coupling effect of bending and torsional behaviour. In consequence, most of previous finite element formulations are introduce approximate displacement fields to use shape functions as Hermitian polynomials, and so on. The Purpose of this study is to presents a consistent derivation of exact dynamic stiffness matrices of thin-walled straight beams, to be used ill tile free vibration analysis, in which almost types of boundary conditions are exist An exact dynamic element stiffness matrix is established from governing equations for a uniform beam element of nonsymmetric thin-walled cross section. 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. The natural frequency is evaluated for the thin-walled straight beam structure, and the results are compared with analytic solutions in order to verify the accuracy of this study.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2011.10a
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pp.130-135
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2011
A study of the bending-extension-transverse shear coupled random response of the composite beams with thin-walled open sections subjected to various types of concentrated and distributed random excitations is dealt with in this paper. First of all, equations of motion of thin-walled composite H-type cross-section beams incorporating a number of nonclassical effects of transverse shear and primary and secondary warping, and anisotropy of constituent materials are derived. On the basis of derived equations of motion, analytical expressions for the displacement response of the composite beams are derived by using normal mode method combined with frequency response function method.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2004.11a
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pp.709-712
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2004
A study of the coupled flexural-torsional vibrations of thin-walled beams with monosymmetric cross-section is presented. The governing differential equations for free vibration of such beams are solved numerically to obtain natural frequencies and their corresponding mode shapes. The beam model is based on the Bernoulli-Euler beam theory and the effect of warping is taken into consideration. Numerical results are given for two specific examples of beams with free-free, clamped-free, hinged-hinged, clamped-hinged and clamped-clamped end constraints both including and excluding the effect of warping stiffness. The effect of warping stiffness on the natural frequencies and mode shapes is discussed and it is concluded that substantial error can be incurred if the effect is ignored.
The effect of central axial load on natural frequencies of various thin-walled beams, are investigated by some researchers using different methods such as finite element, transfer matrix and dynamic stiffness matrix methods. However, there are situations that the load will be off centre. This type of loading is called eccentric load. The effect of the eccentricity of axial load on the natural frequencies of asymmetric thin-walled beams is a subject that has not been investigated so far. In this paper, the mentioned effect is studied using exact dynamic stiffness matrix method. Flexure and torsion of the aforesaid thin-walled beam is based on the Bernoulli-Euler and Vlasov theories, respectively. Therefore, the intended thin-walled beam has flexural rigidity, saint-venant torsional rigidity and warping rigidity. In this paper, the Hamilton‟s principle is used for deriving governing partial differential equations of motion and force boundary conditions. Throughout the process, the uniform distribution of mass in the member is accounted for exactly and thus necessitates the solution of a transcendental eigenvalue problem. This is accomplished using the Wittrick-Williams algorithm. Finally, in order to verify the accuracy of the presented theory, the numerical solutions are given and compared with the results that are available in the literature and finite element solutions using ABAQUS software.
The paper begins by presenting a unified variational approach to the lateral-torsional buckling (LTB) analysis of doubly symmetric prismatic and tapered thin-walled beams with open cross-sections, which accounts for the influence of the pre-buckling deflections. This approach (i) extends the kinematical assumptions usually adopted for prismatic beams, (ii) consistently uses shell membrane theory in general coordinates and (iii) adopts Trefftz's criterion to perform the bifurcation analysis. The proposed formulation is then applied to investigate the influence of the pre-buckling deflections on the LTB behaviour of prismatic and web-tapered I-section simply supported beams and cantilevers. After establishing an interesting analytical result, valid for prismatic members with shear centre loading, several elastic critical moments/loads are presented, discussed and, when possible, also compared with values reported in the literature. These numerical results, which are obtained by means of the Rayleigh-Ritz method, (i) highlight the qualitative differences existing between the LTB behaviours of simply supported beams and cantilevers and (ii) illustrate how the influence of the pre-buckling deflections on LTB is affected by a number of factors, namely ($ii_1$) the minor-to-major inertia ratio, ($ii_2$) the beam length, ($ii_3$) the location of the load point of application and ($ii_4$) the bending moment diagram shape.
This paper presents a analysis of the problem of optimal design of the beams with two I-type cross section shapes. These types of beams are simply supported and subject to pure bending. The strength and stability conditions were formulated and analytically solved in the form of mathematical equations. Both global and selected types of local stability forms were taken into account. The optimization problem was defined as bicriteria. The cross section area of the beam is the first objective function, while the deflection of the beam is the second. The geometric parameters of cross section were selected as the design variables. The set of constraints includes global and local stability conditions, the strength condition, and technological and constructional requirements in the form of geometric relations. The optimization problem was formulated and solved with the help of the Pareto concept of optimality. During the numerical calculations a set of optimal compromise solutions was generated. The numerical procedures include discrete and continuous sets of the design variables. Results of numerical analysis are presented in the form of tables, cross section outlines and diagrams. Results are discussed at the end of the work. These results may be useful for designers in optimal designing of thin-walled beams, increasing information required in the decision-making procedure.
Kim, Moon Young;Choi, Myeong Su;Chang, Young;Kim, Nam Il
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.14
no.1
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pp.41-49
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2002
An efficient algorithm automatically determining cross sectional properties of thin-walled beams is developed using the minimum information about geometry of the cross section. This scheme is applied to automatic calculation of normal and shear stress distribution corresponding to stress resultants as well as sectional constants for complex open and closed thin-walled sections. Numerical examples evaluating section constants and stress distributions is presented and compared with the available reference's results.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2001.10a
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pp.345-352
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2001
Derivation procedures of exact static element stiffness matrix of shear deformable thin-walled straight beams are rigorously presented for the spatial buckling analysis. An exact static element stiffness matrix is established from governing equations for a uniform 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 dispalcement parameters are exactly derived and finally exact stiffness matrices are determined using member force-displacement relationships. The buckling loads are evaluated and compared with analytic solutions or results of the analysis using ABAQUS' shell elements for the thin-walled straight beam structure in order to demonstrate the validity of this study.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2001.10a
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pp.435-442
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2001
Derivation procedures of exact dynamic element stiffness matrix of shear deformable nonsymmetric thin-walled straight beams are rigorously presented for the spatial free vibration analysis. An exact dynamic element stiffness matrix is established from governing equations for a uniform 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 dispalcement parameters are exactly derived and finally exact stiffness matrices are determined using member force-displacement relationships. The natural frequencies are evaluated and compared with analytic solutions or results of the analysis using ABAQUS' shell elements for the thin-walled straight beam structure in order to demonstrate the validity of this study.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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