In this paper, a 2-dimensional novel beam element is developed and a method to replace the 3-dimensional analysis with 2-dimensional analysis is proposed. The developed novel beam element named rigid-ended beam element can consider the effect of three kinds of span points within one element, which was impossible in modeling with the ordinary beam element. Calculated results for the portal frame using the rigid-ended beam element agree with the results using membrane element. And also, the proposed simplified 3- dimensional analysis method which includes two step analysis using influence coefficients shows good accuracy. Structural analysis using the rigid-ended beam element and the simplified 3-dimensional method is revealed to have good computing efficiency due to unnecessity of the elements corresponding to the brackets and simplification of 3-dimensional analysis.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.34
no.3
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pp.76-84
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1997
At the initial design stage, for rapid evaluation of strength of ship structures, finite element analysis using beam elements is carried out in general. In beam modeling of ship structures, brackets are usually represented by rigid elements to simplify the analysis. Extent of rigid ends, which is called as a span point, can be determined from the three kinds of view points, i.e., bending, shearing and axial deformation. In this paper, a 2-dimensional novel beam element is developed and a method to replace the 3-dimensional analysis with 2-dimensional analysis is proposed. The developed novel beam element named rigid-ended beam element can consider the effect of three kinds of span points within one element, which was impossible in modeling with the ordinary beam element. Calculated results for the portal frame using the rigid-ended beam element agree with the results using membrane elements. And also, the proposed semi 3-dimensional analysis method which includes two step analysis using influence coefficients shows good accuracy. Structural analysis using the rigid-ended beam element and the semi 3-dimensional method is revealed to have good computing efficiency due to unnecessity of elements corresponding to the brackets and simplification of 3-dimensional analysis.
In this paper we compare the solution of the one-dimensional beam model and the numerical solution of the two-dimensional linearized elasticity problem for rectangular domain of the beam-like form. We first derive the beam model starting from the two-dimensional linearized elasticity, the same way it is derived from the three-dimensional linearized elasticity. Then we present the numerical solution of the two-dimensional problem by finite element method. As expected the difference of two approximations becomes smaller as the thickness of the beam tends to zero. We then analyze the applicability of the one-dimensional model and verify the main properties of the beam modeling for thin beams.
Park, Kwang-Phil;Cha, Ju-Hwan;Lee, Kyu-Yeul;Ham, Seung-Ho
Korean Journal of Computational Design and Engineering
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v.15
no.6
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pp.411-417
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2010
In this paper, the boom of a floating crane is modeled as a 3-dimensional elastic beam in order to analyze the dynamic response of the crane and its cargo. The boom is divided into more than two elements based on finite element formulation, and deformation of each element is expressed in terms of shape matrix and nodal coordinates. The equations of motion for the elastic boom consist of a mass matrix, a stiffness matrix, and a quadratic velocity vector that contains the gyroscopic and Coriolis forces. The size and complicity of the matrices increase in proportion with the number of elements. Therefore, it is not possible to derive the equations of motion explicitly for different number of elements. To overcome this difficulty, matrices for one 3-dimensional element are expressed with elementary sub-matrices. In particular, the quadratic velocity vector is derived as a product of a shape matrix and a 3-dimensional rotation matrix. By using the derived matrices, the equations of motion for the multi-element boom are automatically constructed. To verify the implementation of the elastic boom based on finite element formulation, we simulated a simple vibration of the elastic boom and compared the average deformation with the analytic solution. Finally, heave motion of the floating crane and surge motion of the cargo are presented as application examples of the elastic boom.
Reinforced concrete (RC) interior beam-column joints with high-strength materials: concrete compressive strength of 100 MPa and the yield strength of longitudinal bars of 685 MPa, were analyzed using three-dimensional (3-D) nonlinear finite element method (FEM). Specimen OKJ3 of joint shear failure type was a plane interior joint, and Specimen 12 of beam flexural failure type was a 3-D interior joint with transverse beams. Though the analytical initial stiffness was higher than experimental one, the analytical results gave a good agreement with the test results on the maximum story shear forces, the failure mode.
This paper is concerned with static and dynamic shape control of a laminated Bernoulli-Euler beam hosting a uniformly distributed array of resistively interconnected piezoelectric patches. We present an analytical one-dimensional model for a laminated piezoelectric beam with material discontinuities within the framework of Bernoulli-Euler and extent the model by a network of resistors which are connected to several piezoelectric patch actuators. The voltage of only one piezoelectric patch is prescribed: we answer the question how to design the interconnected resistive electric network in order to annihilate lateral vibrations of a cantilever. As a practical example, a cantilever with eight patch actuators under the influence of a tip-force is studied. It is found that the deflection at eight arbitrary points along the beam axis may be controlled independently, if the local action of the piezoelectric patches is equal in magnitude, but opposite in sign, to the external load. This is achieved by the proper design of the resistive network and a suitable choice of the input voltage signal. The validity of our method is exact in the static case for a Bernoulli-Euler beam, but it also gives satisfactory results at higher frequencies and for transient excitations. As long as a certain non-dimensional parameter, involving the number of the piezoelectric patches, the sum of the resistances in the electric network and the excitation frequency, is small, the proposed shape control method is approximately fulfilled for dynamic load excitations. We evaluate the feasibility of the proposed shape control method with a more refined model, by comparing the results of our one-dimensional calculations based on the extended Bernoulli-Euler equations to three-dimensional electromechanically coupled finite element results in ANSYS 12.0. The results with the simple Bernoulli-Euler model agree well with the three-dimensional finite element results.
In this paper, the spectral element model is derived for the vibration and stability analyses of an axially moving viscoelastic beam subjected to axial tension. The viscoelastic material is represented by using a one-dimensional constitutive equation of hereditary integral type. The accuracy of the present spectral element model is first verified by comparing the eigenvalues obtained by the present spectral element model-based SEM with those obtained by the exact theory and the conventional FEM. The effects of viscoelasticity on the vibration and stability of an example moving viscoelastic beam are numerically investigated.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.16
no.11
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pp.183-190
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1999
In this paper, a dynamic modeling approach is introduced to identify the dynamic characteristics of the structural/mechanical joints within an one-dimensional structure. A structural joint is represented by the four-pole parameters and the four-pole parameters are determined from the measured frequency response functions by using the spectral element method. As the illustrative examples, a cantilevered beam a clamped-clamped beam, both consist of two beams connected by a bolted joint, are investigated to evaluate the present modeling approach. It is found that the dynamic responses predicted by using the identified for-pole parameters for the bolted joint are well agreed with the measured dynamic responses measured
Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers
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v.16
no.6
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pp.139-145
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2017
It is necessary to analyze the exact contact position and contact stress of the wheel-rail in order to predict damage to the wheel and rail. This study presents a wheel-rail contact analysis model that considers the deformation of the axle. When a wheel-rail contact analysis is performed using a full three-dimensional model of the wheelset and rail, the analytical model becomes very inefficient due to the increase in analysis time and cost. Therefore, modeling the element-coupling model of the wheel and rail as a three-dimensional element and the axle as a one-dimensional element is proposed. The wheel-rail contact characteristics in the proposed analysis model for straight and curved lines were analyzed and compared with the conventional three-dimensional analysis model. Considering the accuracy of the analysis results and time, the result shows that the proposed analytical model has almost the same accuracy as a full three-dimensional model, but the computational effort is significantly reduced.
In this paper, a spectral element model is derived for the axially moving viscoelastic beams subject to axial tension. The viscoelastic material is represented in a general form by using the one-dimensional constitutive equation of hereditary integral type. The high accuracy of the present spectral element model is verified first by comparing the eigenvalues obtained by the present spectral element model with those obtained by using the conventional finite element model as well as with the exact analytical solutions. The effects of viscoelasticity and moving speed on the dynamics of moving beams are then numerically investigated.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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