Mohamed, Nazira;Eltaher, Mohamed A.;Mohamed, Salwa A.;Seddek, Laila F.
Structural Engineering and Mechanics
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v.70
no.6
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pp.737-750
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2019
This paper investigates the static and dynamic behaviors of imperfect single walled carbon nanotube (SWCNT) modeled as a beam structure by using energy-equivalent model (EEM), for the first time. Based on EEM Young's modulus and Poisson's ratio for zigzag (n, 0), and armchair (n, n) carbon nanotubes (CNTs) are presented as functions of orientation and force constants. Nonlinear Euler-Bernoulli assumptions are proposed considering mid-plane stretching to exhibit a large deformation and a small strain. To simulate the interaction of CNTs with the surrounding elastic medium, nonlinear elastic foundation with cubic nonlinearity and shearing layer are employed. The equation governed the motion of curved CNTs is a nonlinear integropartial-differential equation. It is derived in terms of only the lateral displacement. The nonlinear integro-differential equation that governs the buckling of CNT is numerically solved using the differential integral quadrature method (DIQM) and Newton's method. The linear vibration problem around the static configurations is discretized using DIQM and then is solved as a linear eigenvalue problem. Numerical results are depicted to illustrate the influence of chirality angle and imperfection amplitude on static response, buckling load and dynamic behaviors of armchair and zigzag CNTs. Both, clamped-clamped (C-C) and simply supported (SS-SS) boundary conditions are examined. This model is helpful especially in mechanical design of NEMS manufactured from CNTs.
This article presents a unified mathematical model to investigate free and forced vibration responses of perforated thin and thick beams. Analytical models of the equivalent geometrical and material characteristics for regularly squared perforated beam are developed. Because of the shear deformation regime increasing in perforated structures, the investigation of dynamical behaviors of these structures becomes more complicated and effects of rotary inertia and shear deformation should be considered. So, both Euler-Bernoulli and Timoshenko beam theories are proposed for thin and short (thick) beams, respectively. Mathematical closed forms for the eigenvalues and the corresponding eigenvectors as well as the forced vibration time response are derived. The validity of the developed analytical procedure is verified by comparing the obtained results with both analytical and numerical analyses and good agreement is detected. Numerical studies are presented to illustrate effects of beam slenderness ratio, filling ratio, as well as the number of holes on the dynamic behavior of perforated beams. The obtained results and concluding remarks are helpful in mechanical design and industrial applications of large devices and small systems (MEMS) based on perforated structure.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.11
no.1
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pp.344-352
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2019
Marine production strings are continuously affected by unstable internal fluid during operation. In this paper, the structural governing equation for marine production string self-induced vibration is constructed. A finite element analysis model is established based on Euler-Bernoulli theory and solved by the Newmark method. Furthermore, based on reliability theory, a self-design procedure is developed to determine the operability envelope for marine production string self-induced vibration. Case studies show: the response frequency of the production strings is consistent with the excitation frequency under harmonic fluctuation and mainly determined by the first-order natural frequency under stochastic fluctuation. The operability envelope for marine production string self-induced vibration is a near symmetrical trapezium. With the increasing of natural gas output, the permissible fluctuation coefficient dramatically decreases. A reasonable centralizer spacing, increasing top tension, and controlling natural gas output are of great significance to the risk control in marine production string operation.
Abdelrahman, Alaa A.;Abd-El-Mottaleb, Hanaa E.;Eltaher, Mohamed A.
Structural Engineering and Mechanics
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v.76
no.6
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pp.765-779
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2020
This article presents a nonclassical size dependent model based on the modified couple stress theory to study and analyze the bending behavior of perforated microbeams under different loading patterns. Modified equivalent material and geometrical parameters for perforated beam are presented. The modified couple stress theory with one material length scale parameter is adopted to incorporate the microstructure effect into the governing equations of perforated beam structure. The governing equilibrium equations of the perforated Timoshenko as well as the perforated Euler Bernoulli are developed based on the potential energy minimization principle. The Poisson's effect is included in the governing equilibrium equations. Regular square perforation configuration is considered. Based on Fourier series expansion, closed forms for the bending deflection and the rotational displacements are obtained for simply supported perforated microbeams. The proposed methodology is validated and compared with the available results in the literature and an excellent agreement is detected. Numerical results demonstrated the applicability of the proposed methodology to investigate the bending behavior of regularly squared perforated beams incorporating microstructure effect under different excitation patterns. The obtained results are significantly important for the design and production of perforated microbeam structures.
The influence of prestress force on the fundamental frequency and static deflection shape of uncracked Prestressed Concrete (PC) beams with a parabolic bonded tendon was examined in this paper. Due to the conflicts among existing theories, the analytical solutions for properly considering the dynamic and static behavior of these members is not straightforward. A series of experiments were conducted for a total period of approximately 2.5 months on a PC beam made with high strength concrete, subsequently and closely to the 28 days of age of concrete. Specifically, the simply supported PC member was short term subjected to free transverse vibration and three-point bending tests during its early-age. Subsequently, the experimental data were compared with a model that describes the dynamic behavior of PC girders as a combination of two substructures interconnected, i.e., a compressed Euler-Bernoulli beam and a tensioned parabolic cable. It was established that the fundamental frequency of uncracked PC beams with a parabolic bonded tendon is sensitive to the variation of the initial elastic modulus of concrete in the early-age curing. Furthermore, the small variation in experimental frequency with time makes doubtful its use in inverse problem identifications. Conversely, the relationship between prestress force and static deflection shape is well described by the magnification factor formula of the "compression-softening" theory by assuming the variation of the chord elastic modulus of concrete with time.
The existing researches on the dynamics of the fluid-conveying pipes only focus on stability and vibration problems, and there is no literature report on the wave propagation of the fluid-conveying pipes. Therefore, the purpose of this paper is to explore the propagation characteristics of longitudinal and flexural waves in the fluid-conveying pipes. First, it is assumed that the material properties of the fluid-conveying pipes vary based on a power function of the thickness. In addition, it is assumed that the material properties of both the fluid and the pipes are closely depended on temperature. Using the Euler-Bernoulli beam equation and based on the linear theory, the motion equations considering the thermal-mechanical-fluid coupling is derived. Then, the exact expressions of phase velocity and group velocity of longitudinal waves and bending waves in the fluid-conveying pipes are obtained by using the eigenvalue method. In addition, we also studied the free vibration frequency characteristics of the fluid-conveying pipes. In the numerical analysis, we successively studied the influence of temperature, functional gradient index and liquid velocity on the wave propagation and vibration problems. It is found that the temperature and functional gradient exponent decrease the phase and group velocities, on the contrary, the liquid flow velocity increases the phase and group velocities. However, for vibration problems, temperature, functional gradient exponent parameter, and fluid velocity all reduce the natural frequency.
This paper proposes a method to predict the deflection of prestressed concrete (PC) beams with corrugated steel web (CSW) under constant load concerning time-dependent variation in concrete material. Over time, the top and bottom concrete slabs subjected to asymmetric compression experience shrinkage and creep deformations. Here, the classical Euler-Bernoulli beam theory assumption that the plane sections remain plane is not valid due to shear deformation of CSW. Therefore, this study presents a method based on the first-order shear deformation to find the long-term deflection of the composite beams under bending by considering time effects. Two experimental prestressed beams of this type were monitored under their self-weight over time, and the theoretical results were compared with those data. Additionally, 3D analytical models of the experimental beams were used according to material properties, and the results were compared with two previous cases. There was good consistency between the analytical and numerical results with low error, which increased by wave radius. It is concluded that the proposed method could reliably be used for design purposes.
In structural engineering, the material properties of the structures such as elastic modulus, shear modulus, density, and size may not be deterministic and may vary at different locations. The dynamic response analysis of such structures may need to consider these properties as stochastic. This paper introduces a stochastic finite element method (SFEM) approach to analyze moving loads problems. Firstly, Karhunen-Loéve expansion (KLE) is applied for expressing the stochastic field of material properties. Then the mathematical expression of the random field is substituted into the finite element model to formulate the corresponding random matrix. Finally, the statistical moment of the dynamic response is calculated by the point estimation method (PEM). The accuracy and efficiency of the dynamic response obtained from the KLE-PEM are demonstrated by the example of a moving load passing through a simply supported Euler-Bernoulli beam, in which the material properties (including elastic modulus and density) are considered as random fields. The results from the KLE-PEM are compared with those from the Monte Carlo simulation. The results demonstrate that the proposed method of KLE-PEM has high accuracy and efficiency. By using the proposed SFEM, the random vertical deflection of a high-speed railway (HSR) bridge is analyzed by considering the random fields of material properties under the moving load of a train.
In this paper, the free and forced vibration analysis of rotating cantilever nanoscale cylindrical beams and tubes is investigated under the external dynamic load to examine the nonlocal effect. A couple of nonlocal strain gradient theories with different beams and tubes theories, involving the Euler-Bernoulli, Timoshenko, Reddy beam theory along with the higher-order tube theory, are assumed to the mathematic model of governing equations employing the Hamilton principle in order to derive the nonlocal governing equations related to the local and accurate nonlocal boundary conditions. The two-dimensional functional graded material (2D-FGM), made by the axially functionally graded (AFG) in conjunction with the porosity distribution in the radial direction, is considered material modeling. Finally, the derived Partial Differential Equations (PDE) are solved via a couple of the generalized differential quadrature element methods (GDQEM) with the Newmark-beta techniques for the time-dependent results. It is indicated that the boundary conditions equations play a crucial task in responding to nonlocal effects for the cantilever structures.
In the present study, the limit point buckling and postbuckling behaviors of sinusoidal, shallow arches with pinned supports subjected to localized sinusoidal loading, based on the Euler-Bernoulli beam theory, are numerically analyzed. There are some studies on the buckling of sinusoidal shallow arches under the effect of sinusoidal loading. However, in these studies, the sinusoidal loading acts along the horizontal projection of the entire shallow arch. No study has been found in the relevant literature pertaining to the stability of the shallow arches subjected to various lengths of sinusoidal loading. Therefore, the purpose of this paper is to contribute to the literature by examining the effect of the length of the localized sinusoidal loading and the initial rise of the shallow arch on the limit point buckling and postbuckling behaviors. Equilibrium paths corresponding to certain values of the length of the localized sinusoidal loading and various values of the initial rise parameter are presented. It has been observed that the length of the sinusoidal loading and the initial rise parameter affects the transition from no buckling to limit point instability remarkably. The deformed configurations of the sinusoidal shallow arch under localized loading regarding buckling and postbuckling states are illustrated, as well. The effects of the length of the localized sinusoidal loading on the internal forces of the shallow arch are investigated during various stages of the loading.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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