Extensional Buckling Analysis of Asymmetric Curved Beams Using DQM

Abstract

Curved beam structures are generally used as components in structures such as railroad bridges and vehicles. The stability analysis of curved beams has been studied by a large number of researchers. Due to the complexities of structural components, it is difficult to obtain an analytical solution for any boundary conditions. In order to overcome these difficulties, the differential quadrature method (DQM) has been applied for a large number of cases. In this study, DQM was used to solve the complicated partial differential equations for buckling analysis of curved beams. The governing differential equation was deduced and solved for beams subjected to uniformly distributed radial loads. Critical loads were calculated with various opening angles, boundary conditions, and parameters. The results of the DQM were compared with exact solutions for available cases, and the DQM gave outstanding accuracy even when only a small number of grid points was used. Critical loads were also calculated for the in-plane inextensional buckling of the asymmetric curved beams, and two theories were compared. The study of a beam with extensibility of the arch axis shows that the effects on the critical loads are significant. 요 약 곡선 보는 철교 그리고 자동차와 갈은 구조물의 구성으로 널리 사용되어왔다. 많은 연구자들의 관심분야인 이러 한 구조물의 안정성 거동 해석분야는 괄목할 만한 성과가 있어 왔다. 곡선 보 구조물의 기하학적 구조 및 물성치가 탄성 및 강성에 미치는 영향을 분석하기 위하여 정역학적 동역학적 해석이 필요하다. 그러나 구조물의 복잡성 때문에 어떠한 경계조건에서도 엄밀해를 얻기가 매우 어렵다. 전통적으로 미분방정식의 해법은 유한차분법 혹은 유한요소법으로 해결 해왔으나 이러한 방법들은 때론 복잡한 비선형 구조물에는 과도한 컴퓨터 용량사용과 복잡한 알고리즘 프로그램을 요구 한다. 이러한 어려움을 해결하기 위해 미분구적법(DQM)이 여러 분야에 사용되어왔다. 본 연구에서는 복잡한 편미분 방 정식의 해를 구하기 위하여 미분구적법이 사용되었다. 중면 신장을 고려한 등분포 하중 하에서 선형으로 변하는 비대칭 곡선 보의 내평면 신장 좌굴의 지배방정식을 유도하였고, DQM을 이용하여 지배방정식의 해를 구하였다. 다양한 열림 각, 경계 조건, 그리고 파라미터에 의한 임계하중을 계산하였다. DQM 결과는 비교 가능한 엄밀해와 비교하였고 DQM 은 적은 격자점을 사용하고도 정확성을 보여주었다. 예를 들어 열림 각이 인 비 신장 고정단 곡선 보의 경우, 엄밀 해의 임계하중 값은 8.0이고 DQM의 임계하중 값은 7.98로, 오차가 0.3% 미만 이었다. 곡선 보의 내평면 비 신장 임계 하중도 계산하였고, 두 이론을 상호 비교 분석하였다. 아크축의 중면 신장을 고려한 연구는 곡선 보의 임계하중에 중대한 영향을 미치는 것을 보여준다.