In this study, static bending of an edge cracked cantilever nanobeam composed of functionally graded material (FGM) subjected to transversal point load at the free end of the beam is investigated based on modified couple stress theory. Material properties of the beam change in the height direction according to exponential distributions. The cracked nanobeam is modelled using a proper modification of the classical cracked-beam theory consisting of two sub-nanobeams connected through a massless elastic rotational spring. The inclusion of an additional material parameter enables the new beam model to capture the size effect. The new non-classical beam model reduces to the classical beam model when the length scale parameter is set to zero. The considered problem is investigated within the Euler-Bernoulli beam theory by using finite element method. In order to establish the accuracy of the present formulation and results, the deflections are obtained, and compared with the published results available in the literature. Good agreement is observed. In the numerical study, the static deflections of the edge cracked FGM nanobeams are calculated and discussed for different crack positions, different lengths of the beam, different length scale parameter, different crack depths, and different material distributions. Also, the difference between the classical beam theory and modified couple stress theory is investigated for static bending of edge cracked FGM nanobeams. It is believed that the tabulated results will be a reference with which other researchers can compare their results.
In this paper, the thermo-mechanical vibration characteristics of functionally graded (FG) nanobeams subjected to three types of thermal loading including uniform, linear and non-linear temperature change are investigated in the framework of third-order shear deformation beam theory which captures both the microstructural and shear deformation effects without the need for any shear correction factors. Material properties of FG nanobeam are assumed to be temperature-dependent and vary gradually along the thickness according to the power-law form. Hence, applying a third-order shear deformation beam theory (TSDBT) with more rigorous kinetics of displacements to anticipate the behaviors of FG nanobeams is more appropriate than using other theories. The small scale effect is taken into consideration 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 obtained results are compared with those predicted by the nonlocal Euler-Bernoulli beam theory and nonlocal Timoshenko beam theory and it is revealed that the proposed modeling can accurately predict the vibration responses of FG nanobeams. The obtained results are presented for the thermo-mechanical vibration analysis of the FG nanobeams such as the effects of material graduation, nonlocal parameter, mode number, slenderness ratio and thermal loading in detail. The present study is associated to aerospace, mechanical and nuclear engineering structures which are under thermal loads.
Zemri, Amine;Houari, Mohammed Sid Ahmed;Bousahla, Abdelmoumen Anis;Tounsi, Abdelouahed
Structural Engineering and Mechanics
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v.54
no.4
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pp.693-710
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2015
This paper presents a nonlocal shear deformation beam theory for bending, buckling, and vibration of functionally graded (FG) nanobeams using the nonlocal differential constitutive relations of Eringen. The developed theory account for higher-order variation of transverse shear strain through the depth of the nanobeam, and satisfy the stress-free boundary conditions on the top and bottom surfaces of the nanobeam. A shear correction factor, therefore, is not required. In addition, this nonlocal nanobeam model incorporates the length scale parameter which can capture the small scale effect and it has strong similarities with Euler-Bernoulli beam model in some aspects such as equations of motion, boundary conditions, and stress resultant expressions. The material properties of the FG nanobeam are assumed to vary in the thickness direction. The equations of motion are derived from Hamilton's principle. Analytical solutions are presented for a simply supported FG nanobeam, and the obtained results compare well with those predicted by the nonlocal Timoshenko beam theory.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2008.11a
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pp.71-81
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2008
This paper proposes a spectral element which can represent dynamic responses in high frequency domain such as Lamb waves on a thin plate. A two layer beam model under 2-D plane strain condition is introduced to simulate high-frequency dynamic responses induced by piezoelectric layer (PZT layer) bonded on a base plate. In the two layer beam model, a PZT layer is assumed to be rigidly bonded on a base beam. Mindlin-Herrmann and Timoshenko beam theories are employed to represent the first symmetric and anti-symmetric Lamb wave modes on a base plate, respectively. The Bernoulli beam theory and 1-D linear piezoelectricity are used to model the electro-mechanical behavior of a PZT layer. The equations of motions of a two layer beam model are derived through Hamilton's principle. The necessary boundary conditions associated with electro mechanical properties of a PZT layer are formulated in the context of dual functions of a PZT layer as an actuator and a sensor. General spectral shape functions of response field and the associated boundary conditions are formulated through equations of motions converted into frequency domain. A detailed spectrum element formulation for composing the dynamic stiffness matrix of a two layer beam model is presented as well. The validity of the proposed spectral element is demonstrated through comparison results with the conventional 2-D FEM and the previously developed spectral elements.
The aim of this study is to calculate natural frequencies and harmonic responses of cracked frames with general boundary conditions by using transfer matrix method (TMM). The TMM is a straightforward technique to obtain harmonic responses and natural frequencies of frame structures as the method is based on constructing a relationship between state vectors of two ends of structure by a chain multiplication procedure. A single variable shear deformation theory (SVSDT) is applied, as well as, Timoshenko beam theory (TBT) and Euler-Bernoulli beam theory (EBT) for comparison purposes. Firstly, free vibration analysis of intact and cracked frames are performed for different crack ratios using TMM. The crack is modelled by means of a linear rotational spring that divides frame members into segments. The results are verified by experimental data and finite element method (FEM) solutions. The harmonic response curves that represent resonant and anti-resonant frequencies directly are plotted for various crack lengths. It is seen that the TMM can be used effectively for harmonic response analysis of cracked frames as well as natural frequencies calculation. The results imply that the SVSDT is an efficient alternative for investigation of cracked frame vibrations especially with thick frame members. Moreover, EBT results can easily be obtained by ignoring shear deformation related terms from governing equation of motion of SVSDT.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.15
no.6
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pp.2015-2025
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1991
A long and light-weight forearm of the vertical 2 DOF robot manipulator with a heavy payload driven by parallel drive mechanism is modelled as a Euler-Bernoulli beam with a tip mass subjected to a high speed rotation. Governing equation is obtained by Hamilton's principle and represented as state variable form using the perturbed variables which describe the perturbed errors at the manipulator's final configuration. Digitial optimal control and observer theory are used to suppress the forearm vibration and control the positions of the joint angles with measured/estimated state feedback. Computer simulations and experimental results are obtained and compared each other.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.30
no.3
s.246
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pp.318-327
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2006
Due to the diversified use of recent Piezoelectric Zirconate Titanate Composite Actuate. (PZTCA), various PZTCAs with the different ply orientation of the fiber layer have been applied. For this reason, the applicable bending moment equation is necessary even though the fiber layer ply orientation and the laminate configuration are changed. The aim of this research is to evaluate the relationship between the total effective moment $(M^E)$ and Bernoulli-Euler bending moment (M) when the ply orientations of UD CFRP are changed. In conclusions, firstly, as the performance test results by the CFRP ply orientation, the performance of [0] and [90] were stable. However, while the performance of [+45] was suddenly decreased after 5 hours. Secondly, the change of $(M^E)$ by the CFRP ply orientation was evaluated. As the CFRP ply orientation was increased from [0] to [+60], the $(M^E)$ were gradually decreased. However, they became a little bit increased from [+60] to [90]. Finally, after the change of M by the CFRP ply orientation was evaluated, it was found that $M^E=2.2M$ was valid for just [0] and that there was a relationship between $M^E$ and M according to the ply orientation.
In the present article, wave dispersion behavior of a temperature-dependent functionally graded (FG) nanobeam undergoing rotation subjected to thermal loading is investigated according to nonlocal strain gradient theory, in which the stress numerates for both nonlocal stress field and the strain gradient stress field. The small size effects are taken into account by using the nonlocal strain gradient theory which contains two scale parameters. Mori-Tanaka distribution model is considered to express the gradually variation of material properties across the thickness. The governing equations are derived as a function of axial force due to centrifugal stiffening and displacements by applying Hamilton's principle according to Euler-Bernoulli beam theory. By applying an analytical solution, the dispersion relations of rotating FG nanobeam are obtained by solving an eigenvalue problem. Obviously, numerical results indicate that various parameters such as angular velocity, gradient index, temperature change, wave number and nonlocality parameter have significant influences on the wave characteristics of rotating FG nanobeams. Hence, the results of this research can provide useful information for the next generation studies and accurate deigns of nanomachines including nanoscale molecular bearings and nanogears, etc.
In engineering structures, to having the projected structure to serve all the engineering purposes, the theory to be used during the modeling stage is also of great importance. In the present work, an analytical solution of the free vibration of the beam composed of functionally graded materials (FGMs) is presented utilizing different beam theories. The comparison of supposed beam theory for free vibration of functionally graded (FG) beam is examined. For this aim, Euler-Bernoulli, Rayleigh, Shear, and Timoshenko beam theories are employed. The functionally graded material properties are assumed to vary continuously through the thickness direction of the beam with respect to the volume fraction of constituents. The governing equations of free vibration of FG beams are derived in the frameworks of four beam theories. Resulting equations are solved versus simply supported boundary conditions, analytically. To verify the results, comparisons are carried out with the available results. Parametrical studies are performed for discussing the effects of supposed beam theory, the variation of beam characteristics, and FGM properties on the free vibration of beams. In conclusion, it is found that the interaction between FGM properties and the supposed beam theory is of significance in terms of free vibration of the beams and that different beam theories need to be used depending on the characteristics of the beam in question.
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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