This paper investigates free vibration characteristics of a rotating functionally graded (FG) beam in hygro environments. In the present study, material properties of the FG beam vary continuously through thickness direction according to the power-law which approximates material properties of FG beam. The governing differential equations of motion are derived based on Euler-Bernoulli beam theory and using the Hamilton's principle which solved utilizing a semi-analytical technique called the Differential Transform Method (DTM). In order to verify the competency and accuracy of the current analysis, a comparative study with previous researches are performed and good agreement is observed. Influences of Several important parameters such as power-law exponent, hygro environment, rotational speed and slenderness ratio on natural frequencies are investigated and discussed in detail. It is concluded that these effects play significant role on dynamic behavior of rotating FG beam in the hygro environments. Numerical results are tabulated in several tables and figures that can be serving as benchmarks for future analyses of rotating FG beams in the hygro environments.
Arani, Ali Ghorbanpour;Pourjamshidian, Mahmoud;Arefi, Mohammad
Smart Structures and Systems
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v.22
no.1
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pp.105-120
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2018
In this paper, the nonlinear free and forced vibration responses of sandwich nano-beams with three various functionally graded (FG) patterns of reinforced carbon nanotubes (CNTs) face-sheets are investigated. The sandwich nano-beam is resting on nonlinear Visco-elastic foundation and is subjected to thermal and electrical loads. The nonlinear governing equations of motion are derived for an Euler-Bernoulli beam based on Hamilton principle and von Karman nonlinear relation. To analyze nonlinear vibration, Galerkin's decomposition technique is employed to convert the governing partial differential equation (PDE) to a nonlinear ordinary differential equation (ODE). Furthermore, the Multiple Times Scale (MTS) method is employed to find approximate solution for the nonlinear time, frequency and forced responses of the sandwich nano-beam. Comparison between results of this paper and previous published paper shows that our numerical results are in good agreement with literature. In addition, the nonlinear frequency, force response and nonlinear damping time response is carefully studied. The influences of important parameters such as nonlocal parameter, volume fraction of the CNTs, different patterns of CNTs, length scale parameter, Visco-Pasternak foundation parameter, applied voltage, longitudinal magnetic field and temperature change are investigated on the various responses. One can conclude that frequency of FG-AV pattern is greater than other used patterns.
This paper attempts to investigate the free vibration of functionally graded material beams with nonuniform width based on the nonlocal elasticity theory. The theoretical formulations are established following the Euler-Bernoulli beam theory, and the governing equations of motion of the system are derived from the minimum total potential energy principle using the nonlocal elasticity theory. In addition, the Differential Quadrature Method (DQM) is applied, along with the Chebyshev-Gauss-Lobatto polynomials, in order to determine the weighting coefficient matrices. Furthermore, the effects of the nonlocal parameter, cross-section area of the functionally graded material (FGM) beam and various boundary conditions on the natural frequencies are examined. It is observed that the nonlocal parameter and boundary conditions significantly influence the natural frequencies of the functionally graded material beam cross-section. The results obtained, using the Differential Quadrature Method (DQM) under various boundary conditions, are found in good agreement with analytical and numerical results available in the literature.
Savino, Pierclaudio;Gherlone, Marco;Tondolo, Francesco
Structural Engineering and Mechanics
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v.72
no.2
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pp.217-227
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2019
The methodology known as "shape sensing" allows the reconstruction of the displacement field of a structure starting from strain measurements, with considerable implications for structural monitoring, as well as for the control and implementation of smart structures. An approach to shape sensing is based on the inverse Finite Element Method (iFEM) that uses a variational principle enforcing a least-squares compatibility between measured and analytical strain measures. The structural response is reconstructed without the knowledge of the mechanical properties and load conditions but based only on the relationship between displacements and strains. In order to efficiently apply iFEM to the most common structural typologies of civil engineering, its formulation according to the kinematical assumptions of the Bernoulli-Euler theory is presented. Two beam inverse finite elements are formulated for different loading conditions. Depending on the type of element, the relationship between the minimum number of required measurement stations and the interpolation order is defined. Several examples representing common applications of civil engineering and involving beams and frames are presented. To simulate the experimental strain data at the station points and to verify the accuracy of the displacements obtained with the iFEM shape sensing procedure, a direct FEM analysis of the considered structures is performed using the LUSAS software.
Torabi, Ali Reza;Shams, Shahrokh;Fatehi-Narab, Mahdi
Steel and Composite Structures
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v.39
no.5
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pp.543-564
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2021
In this study free vibration analysis of a cracked Goland composite wing is investigated. The wing is modelled as a cantilevered beam based on Euler- Bernoulli equations. Also, composite material is modelled based on lamina fiber-reinforced. Edge crack is modelled by additional boundary conditions and local flexibility matrix in crack location, Castigliano's theorem and energy release rate formulation. Governing differential equations are extracted by Hamilton's principle. Using the separation of variables method, general solution in the normalized form for bending and torsion deflection is achieved then expressions for the cross-sectional rotation, the bending moment, the shear force and the torsional moment for the cantilevered beam are obtained. The cracked beam is modelled by separation of beam into two interconnected intact beams. Free vibration analysis of the beam is performed by applying boundary conditions at the fixed end, the free end, continuity conditions in the crack location of the beam and dynamic stiffness matrix determinant. Also, the effects of various parameters such as length and location of crack and fiber angle on natural frequencies and mode shapes are studied. Modal analysis results illustrate that natural frequencies and mode shapes are affected by depth and location of edge crack and coupling parameter.
Rabab A. Shanab;Norhan A. Mohamed;Mohamed A. Eltaher;Alaa A. Abdelrahman
Advances in nano research
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v.14
no.1
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pp.45-65
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2023
This paper aimed to investigate the nonclassical size dependent free vibration behavior of regularly squared cutout viscoelastic nanobeams. The nonlocal strain gradient elasticity theory is modified and adopted to incorporate the viscoelasticity effect. The Kelvin Voigt viscoelastic model is adopted to model the linear viscoelastic constitutive response. To explore the influence of shear deformation effect due to cutout, both Euler Bernoulli and Timoshenko beams theories are considered. The Hamilton principle is utilized to derive the dynamic equations of motion incorporating viscoelasticity and size dependent effects. Closed form solutions for the resonant frequencies for both perforated Euler Bernoulli nanobeams (PEBNB) and perforated Timoshenko nanobeams (PTNB) are derived considering different boundary conditions. The developed procedure is verified by comparing the obtained results with the available results in the literature. Parametric studies are conducted to show the influence of the material damping, the perforation, the material and the geometrical parameters as well as the boundary and loading conditions on the dynamic behavior of viscoelastic perforated nanobeams. The proposed procedure and the obtained results are supportive in the analysis and design of perforated viscoelastic NEMS structures.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.26
no.3
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pp.514-520
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2002
A new non-linear modelling of a straight pipe conveying fluid is presented for vibration analysis when the pipe is fixed at both ends. Using the Euler-Bernoulli beam theory and the non-linear Lagrange strain theory, from the extended Hamilton's principle are derived the coupled non-linear equations of motion for the longitudinal and transverse displacements. These equations of motion are discretized by using the Galerkin method. After the discretized equations are linearized in the neighbourhood of the equilibrium position, the natural frequencies are computed from the linearized equations. On the other hand, the time histories for the displacements are also obtained by applying the generalized-$\alpha$ time integration method to the non-linear discretized equations. The validity of the new modelling is provided by comparing results from the proposed non-linear equations with those from the equations proposed by Paidoussis.
This paper presents a new nonlocal stress variational principle approach for the transverse free vibration of an Euler-Bernoulli cantilever nanobeam with an initial axial tension at its free end. The effects of a nanoscale at molecular level unavailable in classical mechanics are investigated and discussed. A sixth-order partial differential governing equation for transverse free vibration is derived via variational principle with nonlocal elastic stress field theory. Analytical solutions for natural frequencies and transverse vibration modes are determined by applying a numerical analysis. Examples conclude that nonlocal stress effect tends to significantly increase stiffness and natural frequencies of a nanobeam. The relationship between natural frequency and nanoscale is also presented and its significance on stiffness enhancement with respect to the classical elasticity theory is discussed in detail. The effect of an initial axial tension, which also tends to enhance the nanobeam stiffness, is also concluded. The model and approach show potential extension to studies in carbon nanotube and the new result is useful for future comparison.
In this article, analytical solution for free vibration of micro composite laminated beam on elastic medium based on modified couple stress are presented. The surrounding elastic medium is modeled as the Winkler elastic foundation. The governing equations and boundary conditions are obtained by using the principle of minimum potential energy for EulerBernoulli beam. For investigating the effect of different parameters including material length scale, beam thickness, some numerical results on different cross ply laminated beams such as (90,0,90), (0,90,0), (90,90,90) and (0,0,0) are presented on elastic medium. Free vibration analysis of a simply supported beam is considered utilizing the Fourier series. Also, the fundamental frequency is obtained using the principle of Hamilton for four types of cross ply laminations with hinged-hinged boundary conditions and different beam theories. The fundamental frequency for different thin beam theories are investigated by increasing the slenderness ratio and various foundation coefficients. The results prove that the modified couple stress theory increases the natural frequency under the various foundation for free vibration of composite laminated micro beams.
A new non-linear of a straight pipe conveying fluid is presented for vibration analysis when the pipe is fixed at both ends. Using the Euler-Bernoulli beam theory and the non-linear Lagrange strain theory, from the extended Hamilton's principle are derived the coupled non-linear equations of motion for the longitudinal and transverse displacements. These equations of motion for are discretized by using the Galerkin method. After the discretized equations are linearized in the neighbourhood of the equilibrium position, the natural frequencies are computed from the linearized equations. On the other hand, the time histories for the displacements are also obtained by applying the $generalized-{\alpha}$ time integration method to the non-linear discretized equations. The validity of the new modeling is provided by comparing results from the proposed non-linear equations with those from the equations proposed by $Pa{\ddot{i}}dousis$.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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