In this work, we propose combining an advanced optimal control algorithm with a geometrically exact beam model. For simplicity, the 2D Reissner beam model is chosen to represent large displacements and rotations. The difficulty pertains to the nonlinear nature of beam kinematics affecting the tangent stiffness matrix, making it non-constant, which compromises direct use of optimal control methods for linear problems. Thus, we seek to accommodate a time varying control using linear-quadratic regulator (LQR) algorithm with the proposed geometrically nonlinear beam model. We provide a detailed theoretical formulation and its numerical implementation in a variational format form. Several illustrative numerical examples are provided to confirm an excellent performance of the proposed methodology.
This paper studied HART II in descending flight using rotorcraft analysis code based on geometrically exact beam (GEB) model. The present GEB model expressed by a mixed variational formulation could capture the geometrically nonlinear behavior of the blade without arbitrary assumptions. In previous results, correlation of airloads with structural moments for HART II was not as good as blade deflections. However, in present results, predictions of airloads and structural loads are fairly correlated with measured data.
In this paper we present geometrically exact Kirchhoff's initially curved planar beam model. The theoretical formulation of the proposed model is based upon Reissner's geometrically exact beam formulation presented in classical works as a starting point, but with imposed Kirchhoff's constraint in the rotated strain measure. Such constraint imposes that shear deformation becomes negligible, and as a result, curvature depends on the second derivative of displacements. The constitutive law is plasticity with linear hardening, defined separately for axial and bending response. We construct discrete approximation by using Hermite's polynomials, for both position vector and displacements, and present the finite element arrays and details of numerical implementation. Several numerical examples are presented in order to illustrate an excellent performance of the proposed beam model.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.31
no.4
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pp.183-190
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2018
This paper presents optimization of the main spar of Human-Powered Aircraft (HPA) wing. Mass minimization was attempted, while considering large torsional deformation of the beam. Sequential Quadratic Programming (SQP) method was adopted as a relevant tool to conduct structural optimization algorithm. An inner diameter and ply thicknesses of the main spar were selected as the design variables. The objective function includes factors such as mass minimization, constant tip bending displacement, and constant tip twist of the beam. For estimation of bending and torsional deformation, the geometrically exact beam model, which is appropriate for large deflection, was adopted. Properties of the cross sectional area which the geometrically exact beam model requires were obtained by Variational Asymptotic Beam Sectional Analysis (VABS), which is a cross sectional analysis program. As a result, maintaining tip bending displacement and tip twist within 1.45%, optimal design that accomplished 7.88% of the mass reduction was acquired. By the stress and strain recovery, structural integrity of the optimal design and validity of the present optimization procedure were authenticated.
Starting with the geometrically non-linear formulation and the subsequent linearization, this paper presents a consistent formulation of the exact mechanical analysis of geometrically and materially linear three-layer continuous planar beams. Each layer of the beam is described by the geometrically linear beam theory. Constitutive laws of layer materials and relationships between interlayer slips and shear stresses at the interface are assumed to be linear elastic. The formulation is first applied in the analysis of a three-layer simply supported beam. The results are compared to those of Goodman and Popov (1968) and to those obtained from the formulation of the European code for timber structures, Eurocode 5 (1993). Comparisons show that the present and the Goodman and Popov (1968) results agree completely, while the Eurocode 5 (1993) results differ to a certain degree. Next, the analytical solution is used in formulating a general procedure for the analysis of layered continuous beams. The applications show the qualitative and quantitative effects of the layer and the interlayer slip stiffnesses on internal forces, stresses and deflections of composite continuous beams.
Ibrahimbegovic, Adnan;Mejia-Nava, Rosa Adela;Hajdo, Emina;Limnios, Nikolaos
Coupled systems mechanics
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v.11
no.2
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pp.167-198
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2022
In this paper we deal with classical instability problems of heterogeneous Euler beam under conservative loading. It is chosen as the model problem to systematically present several possible solution methods from simplest deterministic to more complex stochastic approach, both of which that can handle more complex engineering problems. We first present classical analytic solution along with rigorous definition of the classical Euler buckling problem starting from homogeneous beam with either simplified linearized theory or the most general geometrically exact beam theory. We then present the numerical solution to this problem by using reduced model constructed by discrete approximation based upon the weak form of the instability problem featuring von Karman (virtual) strain combined with the finite element method. We explain how such numerical approach can easily be adapted to solving instability problems much more complex than classical Euler's beam and in particular for heterogeneous beam, where analytic solution is not readily available. We finally present the stochastic approach making use of the Duffing oscillator, as the corresponding reduced model for heterogeneous Euler's beam within the dynamics framework. We show that such an approach allows computing probability density function quantifying all possible solutions to this instability problem. We conclude that increased computational cost of the stochastic framework is more than compensated by its ability to take into account beam material heterogeneities described in terms of fast oscillating stochastic process, which is typical of time evolution of internal variables describing plasticity and damage.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.34
no.5
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pp.287-292
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2021
We utilized the isogeometric analysis (IGA) method that uses NURBS basis functions in CAD systems, to account for the geometric exactness of a geometrically exact beam deformation, on a new type of metamaterial, twist-translation coupled structure showing a large twist angle. A two-dimensional unit cell structure was embedded in a cylindrical wall, using free-form deformation and an appropriate interpolation scheme. A parametric study on the effects of the dimensions of the cylinder and the number of cells, on the twisting angle was performed. Furthermore, the mechanism of the twist-translation coupled metamaterial was explored through numerical examples.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.32
no.4
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pp.241-247
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2019
A band gap refers to a certain frequency range where the propagation of mechanical waves is prohibited. This work focuses on engineering three-dimensional Kelvin lattices having external band gaps at low audible frequency ranges using a gradient-based design optimization method. Elastic wave propagation in an infinite periodic lattice is investigated by employing the Bloch theorem. We model the ligaments using a shear-deformable beam model obtained by consistent linearization in a geometrically exact beam theory. For a given lattice topology, we enlarge band gap sizes by controlling the configuration of the beam neutral axis and cross-section thickness that are smoothly parameterized by B-spline basis functions within the isogeometric analysis framework.
Hozjan, Tomaz;Planinc, Igor;Saje, Miran;Srpcic, Stanislav
Steel and Composite Structures
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v.8
no.2
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pp.159-178
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2008
An analytical procedure is presented for the determination of the buckling load and the buckling temperature of a straight, slender, geometrically perfect, axially loaded, translationally and rotationally restrained steel column exposed to fire. The exact kinematical equations of the column are considered, but the shear strain is neglected. The linearized stability theory is employed in the buckling analysis. Behaviour of steel at the elevated temperature is assumed in accordance with the European standard EC 3. Theoretical findings are applied in the parametric analysis of restrained columns. It is found that the buckling length factor decreases with temperature and depends both on the material model and stiffnesses of rotational and translational restraints. This is in disagreement with the buckling length for intermediate storeys of braced frames proposed by EC 3, where it is assumed to be temperature independent. The present analysis indicates that this is a reasonable approximation only for rather stiff rotational springs.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2006.05a
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pp.380-383
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2006
The media transport system is used in a printer, a ATM(Automated Tellor Machine), and so on. The media transport system has many problems through miniaturization and rapid transportation of these machines. In the paper feeding mechanism, it is important to feed the sheet without jamming under any conditions. To avoid sheet jamming, first we need to predict the behavior of the sheet exactly. In this paper, the analysis of media behavior is based on J. Stolte's studies. In all of OA machines, a flexible beam or plate is pushed from the channel. The motion may be constrained by guides. This leads to a transient and geometrically nonlinear problem. The behavior of paper is simulated by dynamic elastica theory. The shape of guide is represented by parametric cubic curve. But J. Stolte's studies did not considered contact condition between sheet and guide. So Klarbring's Model. will be applied. And the analysis of flexible media has to include aerodynamic effect for more exact behavior analysis, because the flexible media can be deformed drastically by a little force. Therefore aerodynamic force must be applied to the governing equation. Lastly, the simulation of this model is performed, and the experiment is performed for verification of this model. The experimental results of low exit velocity are consistent with the simulation results, however experimental results of high exit velocity do not agree well with analytical results. The reason is that there may be other effects like nip Phenomena
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