The spectral element model is known to provide very accurate structural dynamic characteristics, while reducing the number of degree-of-freedom to resolve the computational and cost problems. Thus, the spectral element model for an axially moving Bernoulli-Euler beam subjected to axial tension is developed in the present paper. The high accuracy of the spectral element model is then verified by comparing its solutions with the conventional finite element solutions and exact analytical solutions. The effects of the moving speed and axial tension on the vibration characteristics, wave characteristics, and the static and dynamic stabilities of a moving beam are investigated.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2003.11a
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pp.824-830
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2003
The Power Flow Finite Element Method(PFFEM) offers very promising results in predicting the vibration responses of system structures, and the first PFFEM software, PFADS has been developed in Seoul National University for the vibration predictions and analysis of coupled system structures in medium-to-high frequency ranges. PFFEM is numerical method which solves energy governing equation using finite element technique for complicated structures where the exact solutions are not available. Through the upgrades, the current version PFADS R3 could cover the general beam and plate structures including various kinds of beam-plate rigid joints, spring-damper connection and rigid body connection within beam and plate in addition. This software is composed of three parts; translator, model converter and solver. The translator makes its own FE-model from bulk data of commercial FE software, and the model converter is used to convert FE-model to PFFE-model automatically. The solver calculates vibrational energy density and intensity for PFFE-model by solving global matrix equations of PFFEM. For the applications of PFADS R3, two vehicle models and a container model are examined with respect to major parameters, and reliable results are obtained.
A shear connection between the steel beam and concrete slab determines the stability of composite beams. An extensive numerical study to evaluate the resistance of the shear connection in a solid slab at high temperature was conducted. Three-dimensional thermo-mechanical finite element models were developed using a dynamic explicit method and concrete damaged plasticity model. Temperature-dependent plasticity parameters of the concrete model were proposed, and the accuracy of the developed model was obtained against experimental data. This investigation has revealed that a stud shearing failure occurs regardless of temperatures, and its shearing location changes in accordance with a rise in temperature. A new strength reduction formula has been presented to estimate the resistance of the shear connection at high temperatures.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.23
no.4
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pp.403-407
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2010
Gecko adhesion system consists of beam-shaped seta and spatula which has the role of adhesive pad. In this paper, adhesion mechanism of gecko adhesion system is performed by using adhesive beam contact model. this model has a feature of non-uniform stress profile on the contact surface and adhesion/detachment mechanism is determined by the tensile stress of the contact region. a spatula tip pad has the role of reduction of maximum tensile stress and adhesive force is increased due to this effect. As for a reverse loading case, maximum compressive stress drops by the spatula effect and this cause unsymmetric loading conditions between adhesion and detachment forces. In this study, finite element method is used for the analysis of adhesive beam contact model and the results for spatula effect are presented.
An efficient and free of shear locking finite element model is developed and employed to study free vibration of tapered bidirectional functionally graded material (BFGM) beams. The beam material is assumed to be formed from four distinct constituent materials whose volume fraction continuously varies along the longitudinal and thickness directions by power-law functions. The finite element formulation based on the first-order shear deformation theory is derived by using hierarchical functions to interpolate the displacement field. In order to improve efficiency and accuracy of the formulation, the shear strain is constrained to constant and the exact variation of the cross-sectional profile is employed to compute the element stiffness and mass matrices. A comprehensive parametric study is carried out to highlight the influence of the material distribution, the taper and aspect ratios as well as the boundary conditions on the vibration characteristics. Numerical investigation reveals that the proposed model is efficient, and it is capable to evaluate the natural frequencies of BFGM beams by using a small number of the elements. It is also shown that the effect of the taper ratio on the fundamental frequency of the BFGM beams is significantly influenced by the boundary conditions. The present results are of benefit to optimum design of tapered FGM beam structures.
Recently, promising structural technologies like multi-function, ultra-load bearing capacity and tailored structures have been put up for discussions. Finite Element (FE) modelling is probably the best-known option capable of treating these superior properties and multi-domain behavior structures. However, advanced materials such as Functionally Graded Material (FGM) and nanocomposites suffer from problems resulting from variable material properties, reinforcement aggregation and mesh generation. Motivated by these factors, this research proposes a unified shape function for FGM, nanocomposites, graded nanocomposites, in addition to traditional isotropic and orthotropic structural materials. It depends not only on element length but also on the beam's material properties and geometric characteristics. The systematic mathematical theory and FE formulations are based on the Timoshenko beam theory for beam structure. Furthermore, the introduced element achieves C1 degree of continuity. The model is proved to be convergent and free-off shear locking. Moreover, numerical results for static and free vibration analysis support the model accuracy and capabilities by validation with different references. The proposed technique overcomes the issue of continuous properties modelling of these promising materials without discarding older ones. Therefore, introduced benchmark improvements on the FE old concept could be extended to help the development of new software features to confront the rapid progress of structural materials.
Periodic lattice structures such as the large space lattice structures and carbon nanotubes may take the extension-transverse shear-bending coupled vibrations, which can be well represented by the extended Timoshenko beam theory. In this paper, the spectrally formulated finite element model (simply, spectral element model) has been developed for extended Timoshenko beams and applied to some typical periodic lattice structures such as the armchair carbon nanotube, the periodic plane truss, and the periodic space lattice beam.
In this paper, the dynamic modeling and tip position of rotating Timoshenko beam analyzed by means of FEM (finite element method) and Hyperstability MRAC(model referenced adaptive control) technique of each other. The governing equations of the rotating beams are drived from Hamilton's principle. The dynamic model of this multi-link is drived by Lagrange approach. The shear deformation and rotary inertia are incorporated into a finite element model for determining the bending frequencies of the rotating beam. Simulation results for uniform cantilever beams by using the MRAC are compared with the available results. It will be shown that the proposed method offers an accurate and effective one to solve the free vibration problems of rotating beams' stability.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2010.04a
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pp.550-553
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2010
본 논문에서는 seta와 spatula로 구성된 게코(gecko) 접착 시스템의 해석을 위한 새로운 adhesive beam contact model을 제시한다. adhesive contact 해석에 있어서 기존의 JKR model은 nano pillar와 같은 형태의 접촉방식의 해석에는 매우 유용하지만, seta와 같이 보(beam)의 형상을 가지는 구조물의 접촉방식의 해석에는 부적합하다. 따라서 본 연구에서는 seta와 같은 보의 형상을 가지는 접촉 시스템의 해석을 위해 adhesive beam contact model을 제시하고, 유한요소 해석을 통하여 접촉면에서의 불균일한 응력분포 상태가 분리 메커니즘에 미치는 영향에 대한 해석 결과를 제시한다. 또한 spatula의 기하학적 형상과 보의 접촉각(contact angle)등이 seta adhesion system의 분리 메커니즘(detachment mechanism)에 미치는 영향에 대한 결과를 제시한다.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2004.04a
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pp.17-24
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2004
This paper established the dynamic model of a flexible Timoshenko beam with geometrical nonlinearities subject to large overall motions by using the finite element method. The equations of motion are derived by using Hamilton principle based on expressing the kinetic and potential energies of the flexible beam in terms of generalized coordinates. The nonlinear constraint equations are adjoined to the system equations of motion by using Lagrange multipliers.
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