The bouncing of a cantilever with the free end pressed against a stop can create high-frequency vibration that the Bernoulli-Euler beam theory is inadequate to solve. An analytic procedure is presented using Timoshenko beam theory to obtain the non-linear response of a cantilever supported by an elastic stop with clearance at the free end. Through a numerical example, the bouncing behavior of the Timoshenko and Bernoulli-Euler beam models are compared and discussed.
Nejad, Mohammad Zamani;Hadi, Amin;Omidvari, Arash;Rastgoo, Abbas
Structural Engineering and Mechanics
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v.67
no.4
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pp.417-425
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2018
The main aim of this paper is to investigate the bending of Euler-Bernouilli nano-beams made of bi-directional functionally graded materials (BDFGMs) using Eringen's non-local elasticity theory in the integral form with compare the differential form. To the best of the researchers' knowledge, in the literature, there is no study carried out into integral form of Eringen's non-local elasticity theory for bending analysis of BDFGM Euler-Bernoulli nano-beams with arbitrary functions. Material properties of nano-beam are assumed to change along the thickness and length directions according to arbitrary function. The approximate analytical solutions to the bending analysis of the BDFG nano-beam are derived by using the Rayleigh-Ritz method. The differential form of Eringen's non-local elasticity theory reveals with increasing size effect parameter, the flexibility of the nano-beam decreases, that this is unreasonable. This problem has been resolved in the integral form of the Eringen's model. For all boundary conditions, it is clearly seen that the integral form of Eringen's model predicts the softening effect of the non-local parameter as expected. Finally, the effects of changes of some important parameters such as material length scale, BDFG index on the values of deflection of nano-beam are studied.
In this paper, using consistent couple stress theory and Hamilton's principle, the free vibration analysis of Euler-Bernoulli nano-beams made of bi-directional functionally graded materials (BDFGMs) with small scale effects are investigated. To the best of the researchers' knowledge, in the literature, there is no study carried out into consistent couple-stress theory for free vibration analysis of BDFGM nanostructures with arbitrary functions. In addition, in order to obtain small scale effects, the consistent couple-stress theory is also applied. These models can degenerate into the classical models if the material length scale parameter is taken to be zero. In this theory, the couple-tensor is skew-symmetric by adopting the skew-symmetric part of the rotation gradients as the curvature tensor. The material properties except Poisson's ratio are assumed to be graded in both axial and thickness directions, which it can vary according to an arbitrary function. The governing equations are obtained using the concept of Hamilton principle. Generalized differential quadrature method (GDQM) is used to solve the governing equations for various boundary conditions to obtain the natural frequencies of BDFG nano-beam. At the end, some numerical results are presented to study the effects of material length scale parameter, and inhomogeneity constant on natural frequency.
The present contribution is concerned with the static and dynamic stability of a piezo-laminated Bernoulli-Euler beam subjected to an axial compressive force. Recently, an inconsistent derivation of the equations of motions of such a smart structural system has been presented in the literature, where it has been claimed, that an axial piezoelectric actuation can be used to control its stability. The main scope of the present paper is to show that this unfortunately is impossible. We present a consistent theory for composite beams in plane bending. Using an exact description of the kinematics of the beam axis, together with the Bernoulli-Euler assumptions, we obtain a single-layer theory capable of taking into account the effects of piezoelectric actuation and buckling. The assumption of an inextensible beam axis, which is frequently used in the literature, is discussed afterwards. We show that the cited inconsistent beam model is due to inadmissible mixing of the assumptions of an inextensible beam axis and a vanishing axial displacement, leading to the erroneous result that the stability might be enhanced by an axial piezoelectric actuation. Our analytical formulations for simply supported Bernoulli-Euler type beams are verified by means of three-dimensional finite element computations performed with ABAQUS.
Lee, Byoung Koo;Kim, Suk Ki;Lee, Tae Eun;Kim, Gwon Sik
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.29
no.1A
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pp.53-60
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2009
This paper deals with the geometrical nonlinear analyses of post-buckled columns with variable cross-section. The objective columns having variable cross-section of the width, depth and square tapers are supported by both hinged ends. By using the Bernoulli-Euler beam theory, differential equations governing the elastica of post-buckled column and their boundary conditions are derived. The solution methods of these differential equations which have two unknown parameters are developed. As the numerical results, equilibrium paths, elasticas and stress resultants of the post-buckled columns are presented. Laboratory scaled experiments were conducted for validating the theories developed in this study.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.29
no.6A
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pp.617-624
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2009
This study deals with the free vibrations of the elastica shaped arch with linear taper. The shape of elastica is obtained from the Bernoulli-Euler beam theory. Differential equations governing free vibrations of such arch are derived and numerically solved to determine natural frequencies, in which three kinds of taper type and two kinds of end constraint, respectively, are considered. For validating the theories presented herein, the frequency parameters obtained in this study are compared to those of SAP 2000. As results of the numerical analyses, effects of end constraint, taper type, slenderness ratio and section ratio on the lowest four non-dimensional frequency parameters are extensively investigated.
Magazine of the Korean Society of Agricultural Engineers
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v.42
no.2
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pp.108-114
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2000
This paper explores the non-linear behavior of tapered beam subjected to a floating concentration load. For applying the Bernoulli-Euler beam theory to this beam, the bending moment at any point of elastical is obtained from the final equilibrium stage. By using the bending moment equation and the Bernoulli-Euler beam theory, the differential equations governing the elastica of simple beam are derived , and solved numberically . Three kinds of tapered beam types are considered . The numerical results of the non-linear behavior obtained in this study are agreed quite well to the results obtained from the laboratory-scale experiments.
Hadi, Amin;Nejad, Mohammad Zamani;Rastgoo, Abbas;Hosseini, Mohammad
Steel and Composite Structures
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v.26
no.6
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pp.663-672
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2018
This paper contains a consistent couple-stress theory to capture size effects in Euler-Bernoulli nano-beams made of three-directional functionally graded materials (TDFGMs). These models can degenerate into the classical models if the material length scale parameter is taken to be zero. In this theory, the couple-stress tensor is skew-symmetric and energy conjugate to the skew-symmetric part of the rotation gradients as the curvature tensor. The material properties except Poisson's ratio are assumed to be graded in all three axial, thickness and width directions, which it can vary according to an arbitrary function. The governing equations are obtained using the concept of minimum potential energy. Generalized differential quadrature method (GDQM) is used to solve the governing equations for various boundary conditions to obtain the natural frequencies of TDFG nano-beam. At the end, some numerical results are performed to investigate some effective parameter on buckling load. In this theory the couple-stress tensor is skew-symmetric and energy conjugate to the skew-symmetric part of the rotation gradients as the curvature tensor.
The present paper is devoted to vibration canceling and shape control of piezoelastic slender beams. Taking into account the presence of electric networks, an extended electromechanically coupled Bernoulli-Euler beam theory for passive piezoelectric composite structures is shortly introduced in the first part of our contribution. The second part of the paper deals with the concept of passive shape control of beams using shaped piezoelectric layers and tuned inductive networks. It is shown that an impedance matching and a shaping condition must be fulfilled in order to perfectly cancel vibrations due to an arbitrary harmonic load for a specific frequency. As a main result of the present paper, the correctness of the theory of passive shape control is demonstrated for a harmonically excited piezoelelastic cantilever by a finite element calculation based on one-dimensional Bernoulli-Euler beam elements, as well as by the commercial finite element code of ANSYS using three-dimensional solid elements. Finally, an outlook for the practical importance of the passive shape control concept is given: It is shown that harmonic vibrations of a beam with properly shaped layers according to the presented passive shape control theory, which are attached to an resistor-inductive circuit (RL-circuit), can be significantly reduced over a large frequency range compared to a beam with uniformly distributed piezoelectric layers.
Devnath, Indronil;Islam, Mohammad Nazmul;Siddique, Minhaj Uddin Mahmood;Tounsi, Abdelouahed
Advances in nano research
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v.12
no.2
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pp.139-150
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2022
This paper presents sets of explicit analytical equations that compute the static displacements of nanobeams by adopting the nonlocal elasticity theory of Eringen within the framework of Euler Bernoulli and Timoshenko beam theories. Castigliano's theorem is applied to an equivalent Virtual Local Beam (VLB) made up of linear elastic material to compute the displacements. The first derivative of the complementary energy of the VLB with respect to a virtual point load provides displacements. The displacements of the VLB are assumed equal to those of the nonlocal beam if nonlocal effects are superposed as additional stress resultants on the VLB. The illustrative equations of displacements are relevant to a few types of loadings combined with a few common boundary conditions. Several equations of displacements, thus derived, matched precisely in similar cases with the equations obtained by other analytical methods found in the literature. Furthermore, magnitudes of maximum displacements are also in excellent agreement with those computed by other numerical methods. These validated the superposition of nonlocal effects on the VLB and the accuracy of the derived equations.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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