In this paper, RKPM is extended for solving moderately thick and thin beams. General Timoshenko beam theory is used for formulation. Shear locking is the main difficulty in analysis of these kinds of structures. Shear relaxation factor, which is formulated using the difference between bending and shear strain energy, and corrected shear rigidity are introduced to overcome shear locking. Analysis results obtained reveal that RKPM using introduced methods is free of locking and very effectively applicable to deep beams as well as shallow beams.
In this paper, RKPM is extended for solving moderately thick and thin structures. General Timoshenko beam and Mindlin plate theory are used far formulation. Shear locking is the main difficulty in analysis of these kinds of structures. Shear relaxation factor, which is formulated using the difference between bending and shear strain energy, is introduced to overcome shear locking. Analysis results obtained reveal that RKPM using introduced method is free of locking and very effectively applicable to deeply as well as shallowly beams and plates.
In the vibration analysis of Timoshenko beams by the finite element method, it is necessary to use a large number of elements or higher-order elements in modeling thin beams. This is because the overestimated stiffness matrix due to the shear locking phenomenon when lower-order displacement-based elements are used yields poor eigensolutions. As a result, the total number of degrees of freedom becomes critical in view of computational efficiency. In this paper, the curvature-based formulation is applied to the vibration problem. It is shown that the curvaturebased beam elements are free of shear locking and very efficient in the vibration analysis.
In this paper, effective analysis of beam is studied using the RKPM in meshless methods. So, RKPM is extended for solving moderately thick and thin beam. General Timoshenko beam theory is used for formulation. Shear locking is the main difficulty in analysis of beam structures. The shear relaxation factor and corrected shear rigidity are introduced to overcome shear locking. Analysis results obtained reveal that RKPM using introduced methods Is free of locking and very effectively applicable to deeply as well as shallowly beams.
Alaa A. Abdelrahman;Mohamed Ashry;Amal E. Alshorbagy;Mohamed A. Eltaher;Waleed S. Abdalla
Steel and Composite Structures
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제53권2호
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pp.169-194
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2024
Although the excellent characteristics of functionally graded materials (FGMs) cracks could be found due to manufacturing defects or extreme working conditions. The existence of these cracks may threaten the material or structural strength, reliability, and lifetime. Due to high cost and restrictions offered by practical operational features these cracked components couldn't be replaced immediately. Such circumstances lead to the requirement of assessing the dynamic performance of cracked functionally graded structural components especially under moving objects. The present study aims to comprehensively investigate the dynamic behavior of functionally graded cracked Timoshenko beams (FGCTBs) resting on Winkler foundation and subjected to moving load through shear locking free finite elements methodology. The through thickness material distribution is simulated by the exponential gradation law. The geometric discontinuity due to cracks is represented using the massless rotational spring approach. The shear locking phenomena is avoided by using the different interpolation functions orders for both deflections and rotations. Based on Timoshenko beam element, a shear locking free finite elements methodology is developed. The unconditionally stable Newmark procedure is employed to solve the forced vibration problem. Accuracy of the developed procedure is verified by comparing the obtained results with the available results and an excellent agreement is found. Parametric studies are conducted to explore effects of the geometrical, material characteristics, crack geometrical characteristics, the elastic foundation parameter, and the moving load speed on the dynamic behavior for different boundary conditions. Obtained results revealed the significant effect these parameters on the dynamic performance of FGCTBs.
In-plane and out-of-plane free vibration analysis of Timoshenko curved beams is addressed based on the isogeometric method, and an effective scheme to avoid numerical locking in both of the two patterns is proposed in this paper. The isogeometric computational model takes into account the effects of shear deformation, rotary inertia and axis extensibility of curved beams, and is applicable for uniform circular beams, and more complicated variable curvature and cross-section beams as illustrated by numerical examples. Meanwhile, it is shown that, the $C^{p-1}$-continuous NURBS elements remarkably have higher accuracy than the finite elements with the same number of degrees of freedom. Nevertheless, for in-plane or out-of-plane vibration analysis of Timoshenko curved beams, the NURBS-based isogeometric method also exhibits locking effect to some extent. To eliminate numerical locking, the selective reduced one-point integration and $\bar{B}$ projection element based on stiffness ratio is devised to achieve locking free analysis for in-plane and out-of-plane models, respectively. The suggested integral schemes for moderately slender models obtain accurate results in both dominated and non-dominated regions of locking effect. Moreover, this strategy is effective for beam structures with different slenderness. Finally, the influence factors of structural parameters of curved beams on their natural frequency are scrutinized.
Kanok-Nukulchai, W.;Barry, W.J.;Saran-Yasoontorn, K.
Structural Engineering and Mechanics
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제11권2호
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pp.123-132
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2001
An improved version of the Element-free Galerkin method (EFGM) is presented here for addressing the problem of transverse shear locking in shear-deformable beams with a high length over thickness ratio. Based upon Timoshenko's theory of thick beams, it has been recognized that shear locking will be completely eliminated if the rotation field is constructed to match the field of slope, given by the first derivative of displacement. This criterion is applied directly to the most commonly implemented version of EFGM. However in the numerical process to integrate strain energy, the second derivative of the standard Moving Least Square (MLS) shape functions must be evaluated, thus requiring at least a $C^1$ continuity of MLS shape functions instead of $C^0$ continuity in the conventional EFGM. Yet this hindrance is overcome effortlessly by only using at least a $C^1$ weight function. One-dimensional quartic spline weight function with $C^2$ continuity is therefore adopted for this purpose. Various numerical results in this work indicate that the modified version of the EFGM does not exhibit transverse shear locking, reduces stress oscillations, produces fast convergence, and provides a surprisingly high degree of accuracy even with coarse domain discretizations.
Timoshenko의 전통적인 보 이론에 근거한 유한 요소의 전단 잠김 현상을 해결하기 위하여 가정 변형도법을 적용한 7자유도 공간 박벽 뼈대요소를 개발하였다. 2개의 노드를 갖는 직선 보요소에서 한 요소내의 변형도가 일정하다고 가정하여 형상함수를 유도하고 이를 바탕으로 가상일의 원리에 따라 강성행렬을 구성하였다. Corotational 기하 비선형 해석법을 이용하여 불평형 하중을 산정하였으며 부재 길이의 비선형 효과를 반영하기 위하여 bowing effect를 정밀하게 고려하였다. 일축 비대칭 단면을 갖는 곡선 외팔보와 이축 비대칭 단면을 갖는 직선 외팔보에 대하여 횡-비틀림 좌굴에 의한 안정 해석과 후좌굴 해석을 수행한 결과 ABAQUS 쉘요소와 좋은 일치를 보여 주었다.
Based on the Mindlin plate theory, a refined discrete 15-DOF triangular laminated composite plate finite element RDTMLC with the re-constitution of the shear strain is proposed. For constituting the element displacement function, the exact displacement function of the Timoshenko's laminated composite beam as the displacement on the element boundary is used to derive the element displacements. The proposed element can be used for the analysis of both moderately thick and thin laminated composite plate, and the convergence for the very thin situation can be ensured theoretically. Numerical examples presented show that the present model indeed possesses the properties of higher accuracy for anisotropic laminated composite plates and is free of locking even for extremely thin laminated plates.
본 연구에서는 먼저 곡률요소에서와 같이 Timoshenko보를 기술하는 모든 변수 들을 평형방정식과 함께 고려할 때 각 변수들에 대한 새로운 해석이 가능함을 보이고 자 한다. 이는 횡변위장을 곡률로 수정함으로써 시작되는데 수정횡변위장을 사용할 경우, 보를 기술하는 모든 변수들이 Euler보의 그것들과 형태상으로 동일하게 나타나 며 수학적으로 볼 때 간결하면서도 새로운 접근 방법을 제시해 준다. 또한 이러한 수정횡변위장을 사용할 경우 순수변위에 기초하고 있는 전통적인 구조요소의 정식화과 정과 같은 과정을 거치게 되는 잇점이 있다. 한편, 직선 보요소의 정식화 과정에는 수정횡변위장의 형상함수로서 전통적인 Hermite 보 요소의 형상함수를 도입하였는데 이는 회전각의 장이 수정횡변위장의 미분치로 주어지기 때문이다.마지막 단계로서, 수정횡변위치가 포함된 절점에서의 변위벡터와 원횡변위치가 포함된 변위벡터 사이에 존재하는 변환행렬을 찾아 내었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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