Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.30
no.4
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pp.335-341
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2017
In this paper, beam finite elements with higher-order derivatives' continuity are formulated and evaluated for various boundary conditions. All the beam elements are based on Euler-Bernoulli beam theory. These higher-order beam elements are often required to analyze structures by using newly developed higher-order beam theories and/or non-classical beam theories based on nonlocal elasticity. It is however rare to assess the performance of such elements in terms of boundary and loading conditions. To this end, two higher-order beam elements are formulated, in which $C^2$ and $C^3$ continuities of the deflection are enforced, respectively. Three different boundary conditions are then applied to solve beam structures, such as cantilever, simply-support and clamped-hinge conditions. In addition to conventional Euler-Bernoulli beam boundary conditions, the effect of higher-order boundary conditions is investigated. Depending on the boundary conditions, the oscillatory behavior of deflections is observed. Especially the geometric boundary conditions are problematic, which trigger unstable solutions when higher-order deflections are prescribed. It is expected that the results obtained herein serve as a guideline for higher-order derivatives' continuous finite elements.
In this work, a new trigonometry theory of shear deformation is developed for the static analysis of thick isotropic beams. The number of variables used in this theory is identical to that required in the theory of Euler-Bernoulli, sine function is used in the displacement field in terms of the coordinates of the thickness to represent the effects of shear deformation. The advantage of this theory is that shear stresses can be obtained directly from the relationships constitute, while respecting the boundary conditions at the free surface level of the beam. Therefore, this theory avoids the use of shear correction coefficients. The differential equilibrium equations are obtained using the principle of virtual works. A thick isotropic beam is considered, whose numerical study to show the effectiveness of this theory.
This research deals with the wave dispersion analysis of functionally graded double-layered nanobeam systems (FG-DNBSs) considering the piezoelectric effect based on nonlocal strain gradient theory. The nanobeam is modeled via Euler-Bernoulli beam theory. Material properties are considered to change gradually along the nanobeams' thickness on the basis of the rule of mixture. By implementing a Hamiltonian approach, the Euler-Lagrange equations of piezoelectric FG-DNBSs are obtained. Furthermore, applying an analytical solution, the dispersion relations of smart FG-DNBSs are derived by solving an eigenvalue problem. The effects of various parameters such as nonlocality, length scale parameter, interlayer stiffness, applied electric voltage, relative motions and gradient index on the wave dispersion characteristics of nanoscale beam have been investigated. Also, validity of reported results is proven in the framework of a diagram showing the convergence of this model's curve with that of a previous published attempt.
In this paper, thermal vibration behavior of nanoscale beams made of functionally graded (FG) materials subjected to various types of thermal loading are investigated. A Reddy shear deformation beam theory which captures both the microstructural and shear deformation effects without the need for any shear correction factors is employed. Material properties of FG nanobeam are assumed to be temperature-dependent and vary gradually along the thickness according to the power-law form. The influence of small scale is captured based on nonlocal elasticity theory of Eringen. The nonlocal equations of motion are derived through Hamilton's principle and they are solved applying analytical solution. The comparison of the obtained results is conducted with those of nonlocal Euler-Bernoulli beam theory and it is demonstrated that the proposed modeling predict correctly the vibration responses of FG nanobeams. The effects of nonlocal parameter, material graduation, mode number, slenderness ratio and thermal loading on vibration behavior of the nanobeams are studied in detail.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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2005.06a
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pp.927-931
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2005
Carbon nanotube actuator, working under physical conditions (in aqueous solution) and converting electrical energy into mechanical energy directly, can be a good substitute for artificial muscle. The carbon nanotube actuator simulated in this paper is an isotropic cantilever type with an adhesive tape which is sandwiched between two single-walled carbon nanotubes. For predicting the static and dynamic characteristic parameters, the analytical model for a 3 layer bimorph carbon nanotube actuator is developed by using Euler-Bernoulli beam theory. The governing equation and boundary conditions are derived from energy principles. The induced displacements of the theoretical model are presented in order to investigate the performance of the carbon nanotube actuator with different control voltages. The developed model presents invaluable means for designing and predicting the performance of carbon nanotube actuator that can be used in artificial muscle applications.
Journal of Institute of Control, Robotics and Systems
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v.10
no.11
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pp.1006-1011
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2004
Carbon nanotubes have outstanding properties which make them useful for a number of high-technology applications. Especially, single-walled carbon nanotube (SWNT), working under physical conditions (in aqueous solution) and converting electrical energy into mechanical energy directly, can be a good substitute for artificial muscle. The carbon nanotube structure simulated in this paper is an isotropic cantilever type with an adhesive tape which is sandwiched between two SWNTs. For predicting the geometrical and physical parameters such as deflection, slope, bending moment and induced force with various applied voltages, the analytical model for a 3 layer bimorph nanotube actuator is developed by applying Euler-Bernoulli beam theory. The governing equation and boundary conditions are derived from energy Principles. Also, the brief history of carbon nonotube is overviewed and its properties are compared with other functional materials. Moreover, an electro-mechanical coupling coefficient of the carbon nanotube actuator is discussed to identify the electro-mechanical energy efficiency.
Magazine of the Korean Society of Agricultural Engineers
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v.41
no.5
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pp.112-122
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1999
이 논문은 일정체적을 갖는 양단고정 변단면 기둥의 좌굴하중 및 후좌굴 거동에 관한 연구이다. 기둥의 변단면으로는 직선형, 포물선형, 정현의 선형을 갖는세 가지 변단면을 채택하였다. Bernoulli-Euler 보 이론을 이용하여 압축하중이 작용하여 좌굴된 기둥이 정확탄성곡선을 지배하는 미분방정식을 유도하였다. 유도된 미분방정식을 Runge-Kutta 법과 REgula-Falsi법을 이용하여 수치해석하였다. 수치해석의 결과로 좌굴하중, 좌굴기둥의 평형경로 및 정확탄성곡선을 산출하였다. 또한 좌굴하중-단면비 곡선으로부터 최강기둥의 좌굴하중과 단면비를 산출하였다.
In this article, the critical buckling of a single-walled carbon nanotube (SWCNT) embedded in Kerr's medium is studied. Based on the nonlocal continuum theory and the Euler-Bernoulli beam model. The governing equilibrium equations are acquired and solved for CNTs subjected to mechanical loads and embedded in Kerr's medium. Kerr-type model is employed to simulate the interaction of the (SWNT) with a surrounding elastic medium. A first time, a comparison with the available results is made, and another comparison between various models Winkler-type, Pasternak-type and Kerr-type is studied. Effects of nonlocal parameter and aspect ratio of length to diameter of nanobeam, as well as the foundation parameters on buckling of CNT are investigated. These results are important in the mechanical design considerations of nanocomposites based on carbon nanotubes.
This paper presents responses of the free end of a cantilever micro beam under the effect of an impact force based on the modified couple stress theory. The beam is excited by a transverse triangular force impulse modulated by a harmonic motion. The Kelvin-Voigt model for the material of the beam is used. The considered problem is investigated within the Bernoulli-Euler beam theory by using energy based finite element method. The system of equations of motion is derived by using Lagrange's equations. The obtained system of linear differential equations is reduced to a linear algebraic equation system and solved in the time domain by using Newmark average acceleration method. In the study, the difference of the modified couple stress theory and the classical beam theory is investigated for the wave propagation. A few of the obtained results are compared with the previously published results. The influences of the material length scale parameter on the wave propagation are investigated in detail. It is clearly seen from the results that the classical beam theory based on the modified couple stress theory must be used instead of the classical theory for small values of beam height.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.18
no.8
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pp.2123-2138
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1994
A study on the dynamic mechanical properties of the high strength carbon fiber epoxy composite beam was carried out. The macromechanical model was used for the theoretical analysis of the symmetric laminated composite beam. The anisotropic plate theory and Bernoulli-Euler beam theory were used to predict the effective flexural elastic modulus and the specific damping capacity of laminated composite beam. The free flexural vibration and torsional vibration tests were carried out to determine the specific damping capacities of the unidirectional laminated composite beam. The vibration tests were performed in a vacuum chamber with laser vibrometer system and electromagnetic hammer to obtain accurate experimental data. From the computational and experimental results, it was found that the theoretical values with the macromechanical analysis and the experimental data of symmetric laminated composite beam were in good agreement.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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