This paper presents rational modeling and analysis method for complex structures with various structural joints. For modeling of structural joint, a general modeling technique is newly proposed by flexibility influence coefficient and inverse of flexibility matrix and static reduction concept which is applied to the retained DOFs(degrees of freedom) of detailed finite element model of struction joints. By this method,joint model with contact surface. which can not be reduced by the general reduction theory such as Guyan reduction theory ,can be reduced effectively. And in this method, the nonlinearity of the contact surface can be linearized within a proper range and the boundary effects of joint region can be excluded. Using the proposed method, screwed joint,glued joint and bolted joint are analyzed. And the effectiveness of the proposed method is verified by experiments.
Esfandiar, Habib;Korayem, Moharam H.;Haghpanahi, Mohammad
Structural Engineering and Mechanics
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제62권5호
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pp.619-629
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2017
This paper focuses on the study of complete dynamic modeling and maximum dynamic load carrying capacity computation of N-flexible links and N-flexible joints mobile manipulator undergoing large deformation. Nonlinear dynamic analysis relies on the Timoshenko theory of beams. In order to model the system completely and precisely, structural and joint flexibility, nonlinear strain-displacement relationship, payload, and non-holonomic constraints will be considered to. A finite element solution method based on mixed method is applied to model the shear deformation. This procedure is considerably more involved than displacement based element and shear deformation can be readily included without inducing the shear locking in the element. Another goal of this paper is to present a computational procedure for determination of the maximum dynamic load of geometrically nonlinear manipulators with structural and joint flexibility. An effective measure named as Moment-Height Stability (MHS) measure is applied to consider the dynamic stability of a wheeled mobile manipulator. Simulations are performed for mobile base manipulator with two flexible links and joints. The results represent that dynamic stability constraint is sensitive when calculating the maximum carrying load. Furthermore, by changing the trajectory of end effector, allowable load also changes. The effect of torsional spring parameter on the joint deformation is investigated in a parametric sensitivity study. The findings show that, by the increase of torsional stiffness, the behavior of system approaches to a system with rigid joints and allowable load of robot is also enhanced. A comparison is also made between the results obtained from small and large deformation models. Fluctuation range in obtained figures for angular displacement of links and end effector path is bigger for large deformation model. Experimental results are also provided to validate the theoretical model and these have good agreement with the simulated results.
An analyical method is proposed to construct a clamp jointed structure as an equivalent stiffness matrix element in the finite element modal analysis of a complex beam structure. Static structural analysis was first made for the detail finite element model of the clamp joint. Utilizing the results of this analysis, the equivalent stiffness matrix element was buildup by using the flexibility influence coefficient method and Guyan condensation. The proposed method was applied to finite element modal analysis of a clamp jointed cantilever beam. And the finite element analysis results were compared to those experimental modal analysis. Comparison shows doog agreement each other Furthermore the effects of normal contact(or clamping) load on the equivalent stiffness matrix was also examined. The equivalent stiffness matrix showed little change in spite of the remakable increase in the contact load on the clamp joint.
A general analytical method for computing the joint stiffness from the sectional properties of the members that form the joint is derived using Vlasov's thin-walled beam theory. The analytical model of box T-joint under out-of-plane loading is investigated and validated using shell finite element results and experimental data. The analytical model of the T-joint is implemented in a beam finite element model using a revolute joint element. The out-of-plane displacement computed using the beam-joint model is compared with the corresponding shell element model. The results show close correlation between the beam revolute joint model and shell element model.
In the present work, structural joints have been modeled as a pair of translational and rotational springs and frequency equation of the overall system has been developed using sub-structure synthesis. It is shown that using first few natural frequencies of the system, one can obtain a set of over-determined system of equations involving the unknown stiffness parameters. Method of multi-linear regression is then applied to obtain the best estimate of the unknown stiffness parameters. The estimation procedure has been developed first for a two parameter joint model and then for a three parameter model, in which cross coupling terms are also included. Two cases of structural connections have been considered, first with a cantilever beam with support flexibility and then a pair of beams connected through lap joint. The validity of the proposed method is demonstrated through numerical simulation and by experimentation.
The majority of connections in moment resisting frames are considered as being fully-rigid. Consequently, the real behavior of the connection, which has some level of flexibility, is ignored. This may result in inaccurate predictions of structural response. This study investigates the influence of flexibility of the extended end-plate connections in the steel moment frames. This is done at two levels. First, the actual micro-behavior of extended end-plate moment connections is explored with respect to joint flexibility. Then, the macro-behavior of frames with end-plate moment connections is investigated using modal, nonlinear static pushover and incremental dynamic analyses. In all models, the P-Delta effects along with material and geometrical nonlinearities were included in the analyses. Results revealed considerable differences between the behavior of the structural frame with connections modeled as fully-rigid versus those when flexibility was incorporated, specifically difference occurred in the natural periods, strength, and maximum inter-story drift angle.
There are two types of nonlinear analysis methods for building frameworks depending on the method of modeling the plastification of members including lumped plasticity and distributed plasticity. The lumped plasticity method assumes that plasticity is concentrated at a zero-length plastic hinge section at the ends of the elements. The distributed plasticity method discretizes the structural members into many line segments, and further subdivides the cross-section of each segment into a number of finite elements. When a reinforced concrete member experiences inelastic deformations, cracks tend to spread form the joint interface resulting in a curvature distribution. The program IDARC includes a spread plasticity formulation to capture the variation of the section flexibility, and combine them to determine the element stiffness matrix. In this formulation, the flexibility distribution in the structural elements is assumed to be the linear. The main objective of this study is to evaluate the accuracy of linear flexibility distribution assumed in the spread inelasticity model. For this purpose, nonlinear analysis of two reinforced concrete frames is carried out and the linear flexibility models used in the elements are compared with the real ones. It is shown that the linear flexibility distribution is incorrect assumption in cases of significant gravity load effects and can be lead to incorrect nonlinear responses in some situations.
In this study, the effects of flexible bodies in vehicle suspension components were investigated to enhance the accuracy of multibody dynamic simulation results. Front and rear suspension components were investigated. Subframes, a stabilizer bar, a tie rod, a front lower control arm, a front knuckle, and front struts were selected. Reverse engineering techniques were used to construct a virtual vehicle model. Hard points and inertia data of the components were measured with surface scanning equipment. The mechanical characteristics of bushings and dampers were obtained from experiments. Reaction forces calculated from the multibody dynamics simulations were compared with test results at the ball joint of the lower control arm in both time-history and range-pair counting plots. Simulation results showed that the flexibility of the strut component had considerable influence on the lateral reaction force. Among the suspension components, the flexibility of the sub-frame, steering knuckle and upper strut resulted in better correlations with test results while the other flexible bodies could be neglected.
Machine tool design concepts have evolved towards high efficiency, accurate precision. high structural integrity, and multi-functional systems. Like many other structures, machine tools are also composed of many parts. When these parts are assembled, many kinds of joints are used. In the finite element analysis of these assembled structures, most joints are commonly considered as rigid joints. But, to get the more accurate solution, we need to model these joints in a appropriate manner. In this study, rational dynamic modeling and analysis method for complex structures are studied with special attention to slide way joints. For modeling of slide way joints, a general modeling technique is used by influence coefficients method which is applied to the conversion of detailed finite element model to the equivalent reduced joint model. The theoretical part of this method is illustrated and the method is applied to the structure with slide way joint. In this method. the non-linearity of the contact surfaces is considered within a proper range and the boundary effect of the joint model can be eliminated. The proposed method was applied to finite element modal analysis of a clamp jointed cantilever beam and slide way joints of the vertical type lathe. The method can also be used to other kinds of joint modeling. The results of these analysis were compared with those of Yoshimura models and rigid joint models. which demonstrated the practical applicability of the proposed method.
This paper investigates the impact of local joint flexibility (LJF) on the fatigue life of jacket-type offshore platforms. Four sample platforms with varying geometric properties are modeled and analyzed using the Opensees software. The analysis considers the LJF of tubular joints through the equivalent element and flexible link approaches, and the results are compared to rigid modeling. Initially, modal analysis is conducted to examine the influence of LJF on the frequency content of the structure. Subsequently, fatigue analysis is performed to evaluate the fatigue life of the joints. The comparison of fatigue life reveals that incorporating LJF leads to reduced fatigue damage and a significant increase in the longevity of the joints in the studied platforms. Moreover, as the platform height increases, the effect of LJF on fatigue damage becomes more pronounced. In conclusion, considering LJF in fatigue analysis provides more accurate results compared to conventional methods. Therefore, it is essential to incorporate the effects of LJF in the analysis and design of offshore jacket platforms to ensure their structural integrity and longevity.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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