مهندسی سازه و ساخت

مهندسی سازه و ساخت

واکاوی تیر بر بستر کشسان به روش اجزاء محدود با کمک جزءهای بهبود یافته

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان
1 کارشناس ارشد، دانشکده مهندسی، موسسه آموزش عالی توس، مشهد، ایران
2 استادیار، دانشکده مهندسی، موسسه آموزش عالی توس، مشهد، ایران
10.22065/jsce.2025.537407.3782
چکیده
روش‌های گوناگونی برای تحلیل انواع سازه‌ها وجود دارد که در میان این روش‌ها، روش اجزاء محدود یکی از پرکاربردترین روش‌های عددی در مهندسی عمران است. این پژوهش به تحلیل تیرهای با شرایط مرزی گوناگون بر بستر کشسان وینکلر می‌پردازد. برای این منظور، سه جزء خمشی جدید برای نخستین بار توسط نویسندگان پیشنهاد می‌شود. این جزءها، برخلاف جزء دو گرهی با چهار درجه آزادی که در تحلیل این نوع سازه‌ها رایج است، همه دارای شش درجه آزادی بوده و به ترتیب دو، سه و چهار گرهی می‌باشند. برای تحلیل مسأله، از تئوری اویلر ـ برنولی برای الگوسازی رفتار تیر استفاده می‌شود. پس از معرفی مسأله مقدار مرزی حاکم، هر سه جزء پیشنهادی رابطه‌سازی شده، توابع درونیاب و ماتریس‌های سختی آنها محاسبه خواهند شد. یکی از ویژگی‌های این سه جزء، عدم نیاز به شبکه‌بندی و در نتیجه استفاده از تکنیک سوار کردن برای یافتن ماتریس سختی کل می‌باشد. با توجه به قدرت جزءهای پیشنهادی، مسأله تنها با بکارگیری یک جزء حل خواهد شد. سه مثال عددی جهت مطالعه کارایی این جزءها بررسی می‌گردد و مقادیر خیز، شیب، لنگر و برش تیرها در نقاط خاص با استفاده از جزء معمولی، سه جزء پیشنهادی و پاسخ دقیق مقایسه می‌شوند. نتایج حاکی از دقت بسیار عالی هر سه جزء پیشنهادی در محاسبه خیز بوده اما جزء پیشنهادی اول در محاسبه نیروهای داخلی دقت بهتری از خود نشان می‌دهد. بنابراین، استفاده از این اجزاء سبب کاهش چشمگیر هزینه محاسباتی در تحلیل سازه خواهد شد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Analysis of beams on elastic foundations by finite element method and new modified element

نویسندگان English

Zohreh Sarchahi 1
Seyed Mojtabs Hozhabrossadati 2
1 Master of Science, Faculty of Engineering, Toos Institute of Higher Education, Mashhad, Iran
2 Assistant Professor, Faculty of Engineering, Toos Institute of Higher Education, Mashhad, Iran
چکیده English

Ther are various methods for analyzing various types of structures, among which the finite element method can be mentioned as one of the most widely used numerical methods in civil engineering. This research deals with the analysis of beams with various boundary conditions on an elastic Winkler foundation. For this purpose, three new bending elements are proposed by the authors for the first time. These elements, unlike the conventional element with two-node and four degrees of freedom that is common in the analysis of these structures, all have six degrees of freedom and have two, three, and four nodes, respectively. After introducing the governing boundary value problem, all three proposed elements are formulated, and their interpolating functions and stiffness matrices will be calculated. A valuable feature of these three elements is the lack of need for meshing and, as a result, the use of the assembly technique to find the total stiffness matrix. Considering the power of the proposed elements, the problem will be solved by using only one element. Three numerical examples are examined to study the efficiency of these elements and the deflection, slope, bending moment and shear force values of beams at specific points are compared using the conventional element, the three proposed elements and the exact solution. The results indicate that all three proposed elements have excellent accuracy in calculating deflection, but the first proposed element shows better accuracy in calculating internal forces. Therefore, the use of these components will significantly reduce the computational cost in structural analysis.

کلیدواژه‌ها English

Beam
Elastic Foundation
Finite Element Method
Modified Elements
Computational Cost
[1] Zakeri, J. A., Motieyan, M. E., Shadfar, M. (2012). Study on lifted-up length of rail on modified Winkler model. Journal of Civil and Environmental Engineering, 42 (1), 21-28.
[2] RoshanBaksh, M. Z., Navayi Neya, B. (2016). Free vibration of beam-like media in three-dimensional mode resting on a Pasternak elastic foundation. Modares Civil Engineering Journal of Civil and Environmental Engineering, 16 (5), 89-100.
[3] Karkon, M, Karkon, H. (2016). New element formulation for free vibration analysis of Timoshenko beam on Pasternak elastic foundation. Asian Journal of Civil Engineering, 17 (4), 427-442.
[4] Zhang, Y., Liu, X., Wei, Y. (2018). Response of an infinite beam on a bilinear elastic foundation: Bridging the gap between the Winkler and tensionless foundation models. European Journal of Mechanics-A/Solids, 71, 394-403.
[5] Babar, A. B., Sahoo, R. (2024). Static, buckling and free vibration analysis of CNT reinforced composite beams with elastic foundation using IHSDT. Journal of Vibration Engineering & Technologies, 12, 8131-8150.
[6] Previati, G., Ballo, F., Stabile, P. (2025) Beams on elastic foundation: A variable reduction approach for nonlinear contact problem. European Journal of Mechanics-A/Solids, 111, 105514.
[7] Chen, Z., Cheng, Q., Jin, X., Borodich, F. (2024) Dynamic stiffness for a Levinson beam embedded within a Pasternak Medium subjected to axial load at both ends. Buildings, 14, 4008.
[8] Lamprea-Pineda, A., Connolly, D., Hussein, M. (2022) Beams on elastic foundations – A review of railway applications and solutions. Transportation Geotechnics, 33, 100696.
[9] Erofeev, V., Lisenkova, E., Tsarev, I. (2021) Dynamic behavior of a beam lying on a generalized elastic foundation and subject to a moving load. Mechanics of Solids, 56, 1295-1306.
[10] Rezaiee-Pajand, M., Rajabzadeh-Safaei, N., Hozhabrossadati, S. M. (2023) On the damping influence on the dynamic analysis of functionally graded beams resting on elastic foundation by Green’s function method. Mechanics Based design of Structures and Machines, 51, 1666-1683.
[11] Chen, H., Cai, Y., Zhang, J., Lv, X., Li, X. (2024) Analytical solutions for out-of-plane response of curved beams resting on an elastic foundation under a random moving load. Engineering Structures, 318, 118753.
[12] Jiang, J., Lian, C., Meng, B., Jing, H., Fang, X., Wang, J. (2025) An approximate solution of the bending of the beams on a nonlinear elastic foundation with the Galerkin method. Journal of Applied and Computational Mechanics, 11, 285-293.
[13] Ma, W., Li, X. (2024) Dynamic stability of rectangular and circular cantilevers on Winkler-Pasternak elastic foundation by a higher-order beam theory. Mechanics Based design of Structures and Machines, 52, 6698-6726.
[14] Barber, J. A. (2011) Intermediate Mechanics of Materials, Solid Mechanics and Its Applications. Springer Science, 2nd edition, chapter 7, Germany.

  • تاریخ دریافت 05 مرداد 1404
  • تاریخ بازنگری 10 آبان 1404
  • تاریخ پذیرش 23 آبان 1404