곡선보의 자유진동해석을 위한 고차 혼합요소
A New Higher-Order Hybrid-Mixed Element for Curved Beam Vibrations
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초록
본 연구에서는 균일단면 뿐만 아니라 불균일 단면을 갖는 곡선보의 동적해석을 효과적으로 수행할 수 있는 새로운 2절점 곡선보 요소를 제안하였다. 전단변형률을 고려한 본 요소는 Hellinger-Reissner 변분이론에 바탕하여 유한요소정식화를 수행하였다. 또한, 변위장에 대해 무절점 자유도를 추가적으로 도입하여 요소의 수치적 성능을 크게 향상시켰다. 계산의 효율성을 위해, 요소정식화의 최종단계에서 정치조건으로부터 응력매개변수들을 제거하고, 동적축약을 통하여 무절점 자유도 성분들 또한 최종적인 유한요소방정식에서 제거되어 일반적인 변위기저 요소와 같은 자유도를 가지는 유한요소방정식을 얻을 수 있다. 몇 가지 수치예제들에 대한 해석을 통하여, 무절점 자유도와 변위장에 일치하는 적절한 응력매개변수가 혼합요소의 수치적 거동에 미치는 영향을 분석하였으며, 본 연구에서 제안된 2절점 혼합요소가 곡선보의 동적해석에서 매우 정확하고 효율적임을 확인할 수 있었다.
Abstract
In this study, we propose a new efficient 2-noded hybrid-mixed element for curved beam vibrationshaving a uniform and non-uniform cross section. The present element considering transverse shear strain is based on Hellinger-Reissner variational principle and introduces additional nodeless degrees for displacement field interpolation in order to enhance the numerical performance. The stress parameters are eliminated by the stationary condition and then the nodeless degrees are condensed out by the Guyan reduction. In the performance evaluation process of the present field-consistent higher-order element, we carefully examine the effects of field consistency and the role of higher-order interpolation functions on the hybrid-mixed formulation. Several benchmark tests confirm the superior behavior of the present hybrid-mixed element for curved beam vibrations.
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