Sandwich structures are well known for their use in aircraft, naval and automobile industries due to their high strength resistance with light weight and high energy absorption capability. Sandwich beams with soft core are very common and simple structures that are employed in day to day general use appliances. Modeling and analysis of sandwich structures is not straight forward due to the interactions between core and face sheets. In this paper, formulation of Super Convergent finite elements for analysis of the sandwich beams with soft core based on Euler Bernoulli beam theory are presented. Two elements, Eul4d with 4 degrees of freedom assuming rigid core in transverse direction and Eul10d with 10 degrees of freedom assuming the flexible core were developed are presented. The formulation considers the top, bottom face sheets and core as separate entities and are coupled by beam kinematics. The performance of these elements are validated by results available in the published literature. Number of studies are performed using the formulated elements in static, free vibration and wave propagation analysis involving various boundary and loading conditions. The paper highlights the advantages of the elements developed over the traditional elements for modeling of sandwich beams and, in particular wave propagation analysis.
Functionally graded material (FGM) illustrates a novel class of composites that consists of a graded pattern of material composition. FGM is engineered to have a continuously varying spatial composition profile. Current work focused on buckling analysis of beam made of stepwise linear and quadratic graded material in axial direction subjected to axial span-load with piecewise function and rested on shear layer based on classical beam theory. The various boundary and natural conditions including simply supported (S-S), pinned - clamped (P-C), axial hinge - pinned (AH-P), axial hinge - clamped (AH-C), pinned - shear hinge (P-SHH), pinned - shear force released (P-SHR), axial hinge - shear force released (AH-SHR) and axial hinge - shear hinge (AH-SHH) are considered. To the best of the author's knowledge, buckling behavior of this kind of Euler-Bernoulli beams has not been studied yet. The equilibrium differential equation is derived by minimizing total potential energy via variational calculus and solved analytically. The boundary conditions, natural conditions and deformation continuity at concentrated load insertion point are expressed in matrix form and nontrivial solution is employed to calculate first buckling loads and corresponding mode shapes. By increasing truncation order, the relative error reduction and convergence of solution are observed. Fast convergence and good compatibility with various conditions are advantages of the proposed method. A MATLAB code is provided in appendix to employ the numerical procedure based on proposed method.
In the current paper, the nonlinear resonance response of functionally graded graphene platelet reinforced (FG-GPLRC) beams by considering different boundary conditions is investigated using the Euler-Bernoulli beam theory. Four different graphene platelets (GPLs) distributions including UD and FG-O, FG-X, and FG-A are considered and the effective material parameters are calculated by Halpin-Tsai model. The nonlinear vibration equations are derived by Euler-Lagrange principle. Then the perturbation method is used to discretize the motion equations, and the loadings and displacement are all expanded, so as to obtain the first to third order perturbation equations, and then the asymptotic solution of the equations can be obtained. Then the nonlinear amplitude-frequency response is obtained with the help of the modified Lindstedt-Poincare method (Chen and Cheung 1996). Finally, the influences of the distribution types of GPLs, total GPLs layers, GPLs weight fraction, elastic foundations and boundary conditions on the resonance problems are comprehensively studied. Results show that the distribution types of GPLs, total GPLs layers, GPLs weight fraction, elastic foundations and boundary conditions have a significant effect on the nonlinear resonance response of FG-GPLRC beams.
In this study, the thermal loading effect on free vibration characteristics of carbon nanotubes (CNTs) with multiple cracks is studied. Various boundary conditions for nanotube are taken in to account. In order to take the small scale effect, the nonlocal elasticity of Eringen is employed in the framework of Euler-Bernoulli beam theory. This theory states that the stress at a reference point is a function of strains at all points in the continuum. A cracked nanotube is assumed to be consisted of two segments that are connected by a rotational spring which is located in the position of the cracked section. Hamilton's principle is used to achieve the governing equations. Influences of the nonlocal parameter, crack severity, temperature change and the number of cracks on the system frequencies are investigated. Also, it is found that at room or lower temperature the natural frequency for CNT decreases as the value of temperature change increases, while at temperature higher than room temperature the natural frequency of CNT increases as the value of temperature change increases. Various boundary conditions have been applied to the nanotube.
The purpose of this paper is to study the geometrically nonlinear free vibration of functionally graded nano/micro beams (FGNBs) based on the modified couple stress theory. For practical applications, some analytical expressions of nonlinear frequencies for FGNBs on a nonlinear Pasternak foundation are developed. Hamilton's principle is employed to obtain nonlinear governing differential equations in the context of both Euler-Bernoulli and Timoshenko beam theories for a comprehensive investigation. The modified continuum theory contains one material length scale parameter to capture the size effect. The variation of two-constituent material along the thickness is modeled using Reddy's power-law. Also, the Mori-Tanaka method as an accurate homogenization technique is implemented to estimate the effective material properties of the FGNBs. The results are presented for both hinged-hinged and clamped-clamped boundary conditions. The nonlinear partial differential equations are reduced to ordinary differential equations using Galerkin method and then the powerful method of homotopy analysis is utilized to obtain the semi-analytical solutions. Eventually, the presented analytical expressions are used to examine the influences of the length scale parameter, material gradient index, and elastic foundation on the nonlinear free vibration of FGNBs.
This article presented a nanoscale modified continuum model to investigate the free vibration of functionally graded (FG) porous nanobeam by using finite element method. The main novelty of this manuscript is presenting effects of four different porosity models on vibration behaviors of nonlocal nanobeam structure including size effect, that not be discussed before The proposed porosity models are, uniform porosity distribution, symmetric with mid-plane, bottom surface distribution and top surface distribution. The nano-scale effect is included in modified model by using the differential nonlocal continuum theory of Eringen that adding the length scale into the constitutive equations as a material parameter constant. The graded material is distributed through the beam thickness by a generalized power law function. The beam is simply supported, and it is assumed to be thin. Therefore, the kinematic assumptions of Euler-Bernoulli beam theory are held. The mathematical model is solved numerically using the finite element method. Results demonstrate effects of porosity type, material gradation, and nanoscale parameters on the free vibration of nanobeam. The proposed model is effective in vibration analysis of NEMS structure manufactured by porous functionally graded materials.
The prestress force effect on the fundamental frequency and deflection shape of Prestressed Concrete I (PCI) beams was studied in this paper. Currently, due to the conflicts among existing theories, the analytical solution for properly considering the structural behavior of these prestressed members is not clear. A series of experiments were conducted on a large-scale PCI beam of high strength concrete with an eccentric straight unbonded tendon. Specifically, the simply supported PCI beam was subjected to free vibration and three-point bending tests with different prestress forces. Subsequently, the experimental data were compared with analytical results based on the Euler-Bernoulli beam theory. It was proved that the fundamental frequency of PCI beams is unaffected by the increasing applied prestress force, if the variation of the initial elastic modulus of concrete with time is considered. Vice versa, the relationship between the deflection shape and prestress force is well described by the magnification factor formula of the compression-softening theory assuming the secant elastic modulus.
Eltaher, Mohamed A.;Mohamed, Nazira;Mohamed, Salwa A.
Smart Structures and Systems
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v.26
no.2
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pp.213-226
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2020
In this manuscript, static and dynamic behaviors of geometrically imperfect carbon nanotubes (CNTs) subject to different types of end conditions are investigated. The Doublet Mechanics (DM) theory, which is length scale dependent theory, is used in the analysis. The Euler-Bernoulli kinematic and nonlinear mid-plane stretching effect are considered through analysis. The governing equation of imperfect CNTs is a sixth order nonlinear integro-partial-differential equation. The buckling problem is discretized via the differential-integral-quadrature method (DIQM) and then it is solved using Newton's method. The equation of linear vibration problem is discretized using DIQM and then solved as a linear eigenvalue problem to get natural frequencies and corresponding mode shapes. The DIQM results are compared with analytical ones available in the literature and excellent agreement is obtained. The numerical results are depicted to illustrate the influence of length scale parameter, imperfection amplitude and shear foundation constant on critical buckling load, post-buckling configuration and linear vibration behavior. The current model is effective in designing of NEMS, nano-sensor and nano-actuator manufactured by CNTs.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2006.05a
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pp.1360-1365
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2006
In this paper the vibration analysis of cantilever beams having a concentrated tip mass and an open crack are performed. The influences of a concentrated tip mass, the crack depth, and the crack position on the natural frequencies of the cracked cantilever beam are investigated by a numerical method. The cracked cantilever beam is modeled based on the Euler-Bernoulli beam theory. The flexibility due to crack is calculated using a fracture mechanics theory. The crack is assumed to be opened during the vibrations. The results obtained by the present method were compared with experimental results to verify the theory. As inspected, as the crack depth and the concentrated tip mass increase, the natural frequencies of the beam decrease. In general, the natural frequencies of the cantilever beam are more sensitive to the depth of the crack than the position of the crack.
Beam-like structures such as bridge, high building and tower, pipes, flexible connecting rods and some robotic manipulators are often excited by support motions. These structures are important in machines and structures. So, this study proposes an analytic method to accurately predict the dynamic behaviors of the structures during support motions or an earthquake. Using Timoshenko beam theory which is valid even for non-slender beams and for high-frequency responses, the analytic responses of fixed-fixed beams subjected to a real seismic motions at supports are illustrated to show the principled approach to the proposed method. The responses of a slender beam obtained by using Timoshenko beam theory are compared with the solutions based on Euler-Bernoulli beam theory to validate the correctness of the proposed method. The dynamic analysis for the fixed-fixed beam subjected to support motions gives useful information to develop an understanding of the structural behavior of the beam. The bending moment and the shear force of a slender beam are governed by dynamic components while those of a stocky beam are governed by static components. Especially, the maximal magnitudes of the bending moment and the shear force of the thick beam are proportional to the difference of support displacements and they are influenced by the seismic wave velocity.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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