Please use this identifier to cite or link to this item: http://studentrepo.iium.edu.my/handle/123456789/10406
Full metadata record
DC FieldValueLanguage
dc.contributor.advisorErwin Sulaeman, Ph.Den_US
dc.contributor.advisorAbdurahim Okhunov, Ph.Den_US
dc.contributor.advisorMeftah Hrairi, Ph.Den_US
dc.contributor.authorHoq, S.M. Afzalen_US
dc.date.accessioned2021-02-26T02:06:59Z-
dc.date.available2021-02-26T02:06:59Z-
dc.date.issued2020-
dc.identifier.urihttp://studentrepo.iium.edu.my/handle/123456789/10406-
dc.description.abstractTapered beams are commonly used in civil, aerospace or mechanical engineering structures as they can reduce its structural weight without sacrificing the strength and flexibility. Tapered beams are also used to satisfy aesthetic or architectural requirement. Most of numerical methods to analyze tapered beam structures are using a Galerkin’s finite element approach where the beam is divided into a number of elements to obtain accurate result. The beam stiffness matrix is usually obtained through integration of each element by assuming a shape function for the beam transversal deformations. Since the number of elements are big, therefore such an approach may affect computational time. In the present research, a different approach is conducted where an analytical formulation of a finite element stiffness matrix for a tapered, asymmetric beam element is developed by using a flexibility approach. The beam stiffness matrix is first divided into bending, axial and torsional matrices. For the bending stiffness matrix, to simplify the formulation and therefore to accelerate the numerical calculation, it is necessary to divide further the bending stiffness matrix into four sub-matrices. Each of the sub-matrices is a 4-by-4 matrix representing the bending stiffness matrix in three dimensional coordinate system. The key to the present approach lays on the formulation of the first sub-matrix, whereas the other three sub-matrices can be obtained from the first sub matrix by using direct, simple matrix operations. The first sub-matrix is constructed based on the flexibility approach where a two-steps analytical integration of second order, partial differential equations is performed. The partial differential equations are derived based on the Euler-Bernoulli governing equations for the three-dimensional bending deformations, where the transversal deformations of the beam are coupled due to the properties of the asymmetric cross section. After rearranging the transversal deformations in matrix forms, the resulting explicit forms of the differential equations contain rational functions with multi-polynomial functions on both numerator and denominator of the rational function. It is found that, in order to ensure the robustness of the integrations, the denominator functions should be expressed as the multiplication factor of their roots. By properly considering the boundary conditions of the beam under various load conditions, the results of the analytical integration are a 4-by-4 flexibility matrix. The final form of the first sub-matrix is the stiffness matrix which can be obtained by matrix inversion of the flexibility matrix. For the axial and torsional stiffness matrices, a similar approach is conducted but it is much simpler since it involves only first order differential equations. It is found that the present stiffness matrix contains logarithmic terms which are not occurred if one use direct Galerkin’s finite element approach. The present finite element method can be considered as an analytical stiffness matrix formulation since no assumed shape functions used for the whole process of the formulation. Therefore, if the tapered functions of the beam geometry is given, only one element is sufficient to accurately simulate the beam deformation. To validate the present finite element method, a number of structural tapered beam having symmetric and asymmetric cross section are used and the results are compared with available analytical result or other software’s such as Nastran. The results show that the present method gives the accuracy of more than 7 significant digits compared with the analytical solution. In all cases, the present method by using one element gives the result similar to Nastran convergent result where, in order to achieve the convergence, a number of elements in Nastran are needed. It is expected that the finding of the present method can contribute further the development of finite element numerical simulation.en_US
dc.language.isoenen_US
dc.publisherKuala Lumpur : Kulliyyah of Engineering, International Islamic University Malaysia, 2020en_US
dc.titleA P-Finite element method of a three dimensional non-uniform asymmetric beam structure of arbitrary polynomial functionsen_US
dc.typeDoctoral Thesisen_US
dc.description.identityt11100424721S.M.AfzalHoqen_US
dc.description.identifierThesis : A P-Finite element method of a three dimensional non-uniform asymmetric beam structure of arbitrary polynomial functions /by S.M. Afzal Hoqen_US
dc.description.kulliyahKulliyyah of Engineeringen_US
dc.description.programmeDoctor of Philosophy (Engineering)en_US
dc.description.abstractarabicتستخدم الدعامات المستدقة بشكل شائع في هياكل الهندسة المدنية والفضائية والميكانيكية لأنه يمكن تقليل وزنها الهيكلي دون التضحية بقوتها ومرونتها. كما تستخدم الدعامات المستدقة أيضاً لتلبية المتطلبات الجمالية أو المعمارية. إنّ معظم الأساليب العددية المستخدمة لتحليل هياكل الدعامة المستدقة تستخدم طريقة العناصر المحدودة لجاليركن، حيث يتم تقسيم الدعامة إلى عدد من العناصر للحصول على نتيجة دقيقة. وعادة ما يتم الحصول على مصفوفة صلابة الانحناء للدعامة من خلال تكامل كل عنصر من خلال افتراض دالة شكل للتشوهات المستعرضة للدعامة، ونظراً لأن عدد العناصر كبير، فقد تؤثر هذه الطريقة على الوقت الحسابي. يعرض هذا البحث طريقة مختلفة تستخدم الصياغة التحليلية لمصفوفة صلابة العنصر المحدود للدعامة المستدقة غير المتناظرة باستخدام نهج المرونة، حيث يتم أولاً تقسيم مصفوفة صلابة الانحناء إلى ثلاث مصفوفات: الانحناء، والمحورية، والالتواء. أمّا بالنسبة لمصفوفة صلابة الانحناء، فلتبسيط الصيغة، وبالتالي تسريع الحساب العددي، فإنه من الضروري تقسيم مصفوفة صلابة الانحناء إلى أربع مصفوفات فرعية، كل من هذه المصفوفات الفرعية عبارة عن مصفوفة 4×4 تمثل مصفوفة صلابة الانحناء في نظام إحداثيات ثلاثي الأبعاد. ويكمن مفتاح الطريقة المقترحة في صياغة المصفوفة الفرعية الأولى، في حين يمكن الحصول على المصفوفات الفرعية الثلاثة الأخرى من المصفوفة الفرعية الأولى باستخدام عمليات مصفوفية مباشرة وبسيطة. حيث يتم إنشاء المصفوفة الفرعية الأولى بناءً على مفهوم المرونة، حيث يتم إجراء تكامل تحليلي ذي خطوتين من الدرجة الثانية، ويتم تنفيذ المعادلات التفاضلية الجزئية. يتم اشتقاق المعادلات التفاضلية الجزئية استنادا إلى معادلات أويلر-بيرنولي التي تحكم تشوهات الانحناء ثلاثية الأبعاد، حيث تقترن التشوهات العرضية للدعامة بسبب خصائص المقطع العرضي غير المتماثل. وبعد إعادة ترتيب التشوهات العرضية في أشكال المصفوفة، تحتوي الأشكال الصريحة الناتجة من المعادلات التفاضلية دالّات نسبية مع دالّات متعددة الحدود في كل من البسط والمقام للدالة النسبية، وقد وجدت الدراسة أنه من أجل ضمان متانة عمليات التكامل، يجب التعبير عن دالّات المقام كعامل الضرب لجذورها. ومن خلال الأخذ بالاعتبار الشروط الحدية للدعامة تحت ظروف الحمل المختلفة، فإن نتائج التكامل التحليلي هي مصفوفة مرونة 4×4. والشكل النهائي للمصفوفة الفرعية الأولى هو مصفوفة الصلابة التي يمكن الحصول عليها عن طريق معكوس مصفوفة المرونة. أما بالنسبة لمصفوفات الصلابة المحورية والالتوائية، فيتم إجراء نهج مماثل ولكنه أبسط بكثير لأنه يتضمن فقط معادلات تفاضلية من الدرجة الأولى. كما وجدت الدراسة أن مصفوفة الصلابة الحالية تحتوي على حدود لوغاريتمية لا تنتج إذا استخدم المرء طريقة العناصر المحدودة لجاليركن. ويمكن اعتبار طريقة العناصر المحدودة الحالية بمثابة صيغة مصفوفة صلابة تحليلية حيث لا توجد دالّات شكل مفترضة تستخدم في العملية الكاملة للصياغة. لذلك، إذا كانت الوظائف المستدقة لهندسة الدعامة معلومة، فيكفي عنصر واحد فقط لمحاكاة تشوه الدعامة بدقة. وللتحقق من طريقة العناصر المحدودة الحالية، يتم استخدام عدد من الدعامات الهيكلية المستدقة ذات المقطع العرضي المتماثل وغير المتماثل، وتتم مقارنة النتائج بالنتائج التحليلية المتاحة أو البرامج الأخرى مثل (Nastran). وقد أظهرت النتائج أن الطريقة الحالية تعطي دقة أكثر من 7 خانات معنوية مقارنة مع الحل التحليلي. وفي جميع الحالات، فإن الطريقة الحالية باستخدام عنصر واحد تعطي نتيجة مشابهة لنتيجة (Nastran) المتقاربة، حيث أن هناك حاجة إلى عدد من العناصر في (Nastran) من أجل تحقيق هذا التقارب. ومن المتوقع أن يساهم اكتشاف الطريقة الحالية في تطوير المحاكاة العددية للعناصر المحدودة.en_US
dc.description.notesThesis (Ph.D)--International Islamic University Malaysia, 2020.en_US
dc.description.physicaldescriptionxix, 178 leaves : illustrations ; 30cm.en_US
item.openairetypeDoctoral Thesis-
item.grantfulltextopen-
item.fulltextWith Fulltext-
item.languageiso639-1en-
item.openairecristypehttp://purl.org/coar/resource_type/c_18cf-
item.cerifentitytypePublications-
Appears in Collections:KOE Thesis
Files in This Item:
File Description SizeFormat 
t11100424721S.M.AfzalHoq_24.pdf24 pages file706.25 kBAdobe PDFView/Open
t11100424721S.M.AfzalHoq_SEC.pdf
  Restricted Access
Full text secured file4.22 MBAdobe PDFView/Open    Request a copy
Show simple item record

Page view(s)

16
checked on May 17, 2021

Download(s)

10
checked on May 17, 2021

Google ScholarTM

Check


Items in this repository are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated. Please give due acknowledgement and credits to the original authors and IIUM where applicable. No items shall be used for commercialization purposes except with written consent from the author.