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.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.14
no.12
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pp.143-152
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1997
The deflection of an end mill is very important in machining process and cutting simulation because it affects directly workpiece accuracy, cutting force, and chattering. In this study, the deflection of the end mill was studied both experimentally and by using finite element analysis. And the moment of inertia of cross sections of the helical end mill is calculated for the determination of the relation between geometry of radial cross section and rigidity of the tools. Using the Bernoulli-Euler beam theory and the concept of equivalent diameter, a deflection model is established, which includes most influences from tool geomety parameters. It was found that helix angle attenuates the rigidity of the end mill by the finite element analysis. As a result, the equivalent diameter is determined by tooth number, inscribed diameter ratio, cross sectional geometry and helix angle. Because the relation betweem equivalent diameter and each factor is nonlinear, neural network is used to decide the equivalent diameter. Input patterns and desired outputs for the neural network are obtained by FEM analysis in several case of end milling operations.
In this paper, the effect of magnetic field on the vibration behavior of a Magnetorheological elastomer (MRE) sandwich MEMS actuated by electrostatic actuation with conductive skins are examined within the multiple scales (MMS) perturbation method. Magnetorheological smart materials have been widely used in vibration control of various systems due to their mechanical properties change under the influence of different magnetic fields. To investigate the vibrational behavior of the movable electrode, the Euler-Bernoulli beam theory, as well as Hamilton's principle is used to derive the equations and the related boundary conditions governing the dynamic behavior of the system are applied. The results of this study show that by placing the Magnetorheological elastomer core in the movable electrode and applying different magnetic fields on it, its natural vibrational frequency can be affected so that by increasing the applied magnetic field, the system's natural frequency increases. Also, the effect of various factors such as the electric potential difference between two electrodes, changes in the thickness of the core and the skins, electrode length, the distance between two electrodes and also change in vibration modes of the system on natural frequencies have been investigated.
Ola A. Siam;Rabab A. Shanab;Mohamed A. Eltaher;Norhan A. Mohamed
Advances in aircraft and spacecraft science
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v.10
no.3
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pp.257-279
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2023
This manuscript is dedicated to deriving the closed form solutions of free vibration of viscoelastic nanobeam embedded in an elastic medium using nonlocal differential Eringen elasticity theory that not considered before. The kinematic displacements of Euler-Bernoulli and Timoshenko theories are developed to consider the thin nanobeam structure (i.e., zero shear strain/stress) and moderated thick nanobeam (with constant shear strain/stress). To consider the internal damping viscoelastic effect of the structure, Kelvin/Voigt constitutive relation is proposed. The perforation geometry is intended by uniform symmetric squared holes arranged array with equal space. The partial differential equations of motion and boundary conditions of viscoelastic perforated nonlocal nanobeam with elastic foundation are derived by Hamilton principle. Closed form solutions of damped and natural frequencies are evaluated explicitly and verified with prestigious studies. Parametric studies are performed to signify the impact of elastic foundation parameters, viscoelastic coefficients, nanoscale, supporting boundary conditions, and perforation geometry on the dynamic behavior. The closed form solutions can be implemented in the analysis of viscoelastic NEMS/MEMS with perforations and embedded in elastic medium.
This paper presents the study of the effects of rigid-body motion simultaneously with the presence of the effects of temporal variation due to the existence of morphing speed on the aeroelastic stability of the two-stage telescopic wings, and hence this is the main novelty of this study. To this aim, Euler-Bernoulli beam theory is used to model the bending-torsional dynamics of the wing. The aerodynamic loads on the wing in an incompressible flow regime are determined by using Peters' unsteady aerodynamic model. The governing aeroelastic equations are discretized employing a finite element method based on the beam-rod model. The effects of rigid-body motion on the length-based stability of the wing are determined by checking the eigenvalues of system. The obtained results are compared with those available in the literature, and a good agreement is observed. Furthermore, the effects of different parameters of rigid-body such as the mass, radius of gyration, fuselage center of gravity distance from wing elastic axis on the aeroelastic stability are discussed. It is found that some parameters can cause unpredictable changes in the critical length and frequency. Also, paying attention to the fuselage parameters and how they affect stability is very important and will play a significant role in the design.
Nazira Mohamed;Salwa A. Mohamed;Mohamed A. Eltaher
Advances in aircraft and spacecraft science
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v.11
no.1
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pp.55-81
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2024
This paper presents the exact solutions and closed forms for of nonlinear stability and vibration behaviors of straight and curved beams with nonlinear viscoelastic boundary conditions, for the first time. The mathematical formulations of the beam are expressed based on Euler-Bernoulli beam theory with the von Karman nonlinearity to include the mid-plane stretching. The classical boundary conditions are replaced by nonlinear viscoelastic boundary conditions on both sides, that are presented by three elements (i.e., linear spring, nonlinear spring, and nonlinear damper). The nonlinear integro-differential equation of buckling problem subjected to nonlinear nonhomogeneous boundary conditions is derived and exactly solved to compute nonlinear static response and critical buckling load. The vibration problem is converted to nonlinear eigenvalue problem and solved analytically to calculate the natural frequencies and to predict the corresponding mode shapes. Parametric studies are carried out to depict the effects of nonlinear boundary conditions and amplitude of initial curvature on nonlinear static response and vibration behaviors of curved beam. Numerical results show that the nonlinear boundary conditions have significant effects on the critical buckling load, nonlinear buckling response and natural frequencies of the curved beam. The proposed model can be exploited in analysis of macrosystem (airfoil, flappers and wings) and microsystem (MEMS, nanosensor and nanoactuators).
This paper intends to analyze the nonlinear forced vibrations of functionally graded material (FGM) beams with initial geometrical defects in hygro-thermal ambiences. For this purpose, we assume that the correlation properties of the material alter along the thickness direction in succession and the surface of the beam is subjected to humid and thermal loads. Based on the Euler Bernoulli beam theory and geometrical non-linearity, we use the Hamiltonian principle to formulate a theoretical model with consideration of the hygrothermal effects. Galerkin's technique has been proposed for the control equations of discrete systems. The non-linear primary resonances are acquired by applying the modified Lindstedt-Poincare method (MLP). Verify the reliability of the data obtained through comparison with literature. The non-linear resonance response is reflected by amplitude-frequency response curves. The numerical results indicate that the resonances of FGM beams include three non-linear characteristics, namely hard springs, soft springs and soft-hard spring types. The response modalities of the structure may transform between those non-linear characteristics when material properties, spring coefficients, geometric defect values, temperature-humidity loads and even the external stimulus generate variations.
Piezoelectric nanobeams are used in several nano electromechanical systems. The first step in designing these systems is conducting a vibration analysis. In this research, the free vibration of a piezoelectric nanobeam is analyzed by using the nonlocal elasticity theory. The nanobeam is modeled based on Euler-Bernoulli beam theory. Hamilton's principle is used to derive the equations of motion and also the boundary conditions of the system. The obtained equations of motion are solved by using both Galerkin and the Differential Quadrature (DQ) methods. The clamped-clamped and cantilever boundary conditions are analyzed and the effects of the applied voltage and nonlocal parameter on the natural frequencies and mode shapes are studied. The results show the success of Galerkin method in determining the natural frequencies. The results also show the influence of the nonlocal parameter on the natural frequencies. Increasing a positive voltage decreases the natural frequencies, while increasing a negative voltage increases them. It is also concluded that for the clamped parts of the beam and also other parts that encounter higher values of stress during free vibrations of the beam, anti-nodes in voltage mode shapes are observed. On the contrary, in the parts of the beam that the values of the induced stress are low, the values of the amplitude of the voltage mode shape are not significant. The obtained results and especially the mode shapes can be used in future studies on the forced vibrations of piezoelectric nanobeams based on Galerkin method.
This paper presents and compares a one-dimensional (1D) bending theory for piezoelectric thin beam-type structures with resistive-inductive electrodes to ANSYS$^{(R)}$ three-dimensional (3D) finite element (FE) analysis. In particular, the lateral deflections and vibrations of slender piezoelectric beams are considered. The peculiarity of the piezoelectric beam model is the modeling of electrodes in such a manner that is does not fulfill the equipotential area condition. The case of ideal, perfectly conductive electrodes is a special case of our 1D model. Two-coupled partial differential equations are obtained for the lateral deflection and for the voltage distribution along the electrodes: the first one is an extended Bernoulli-Euler beam equation (second-order in time, forth order in space) and the second one the so-called Telegrapher's equation (second-order in time and space). Analytical results of our theory are validated by 3D electromechanically coupled FE simulations with ANSYS$^{(R)}$. A clamped-hinged beam is considered with various types of electrodes for the piezoelectric layers, which can be either resistive and/or inductive. A natural frequency analysis as well as quasi-static and dynamic simulations are performed. A good agreement between the extended beam theory and the FE results is found. Finally, the practical relevance of this type of electrodes is shown. It is found that the damping capability of properly tuned resistive or resistive-inductive electrodes exceeds the damping performance of beams, where the electrodes are simply linked to an optimized impedance.
Zhang, Wenfu;Gardner, Leroy;Wadee, M. Ahmer;Zhang, Minghao
International journal of steel structures
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v.18
no.4
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pp.1440-1463
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2018
The Wagner coefficient is a key parameter used to describe the inelastic lateral-torsional buckling (LTB) behaviour of the I-beam, since even for a doubly-symmetric I-section with residual stress, it becomes a monosymmetric I-section due to the characteristics of the non-symmetrical distribution of plastic regions. However, so far no theoretical derivation on the energy equation and Wagner's coefficient have been presented due to the limitation of Vlasov's buckling theory. In order to simplify the nonlinear analysis and calculation, this paper presents a simplified mechanical model and an analytical solution for doubly-symmetric I-beams under pure bending, in which residual stresses and yielding are taken into account. According to the plate-beam theory proposed by the lead author, the energy equation for the inelastic LTB of an I-beam is derived in detail, using only the Euler-Bernoulli beam model and the Kirchhoff-plate model. In this derivation, the concept of the instantaneous shear centre is used and its position can be determined naturally by the condition that the coefficient of the cross-term in the strain energy should be zero; formulae for both the critical moment and the corresponding critical beam length are proposed based upon the analytical buckling equation. An analytical formula of the Wagner coefficient is obtained and the validity of Wagner hypothesis is reconfirmed. Finally, the accuracy of the analytical solution is verified by a FEM solution based upon a bi-modulus model of I-beams. It is found that the critical moments given by the analytical solution almost is identical to those given by Trahair's formulae, and hence the analytical solution can be used as a benchmark to verify the results obtained by other numerical algorithms for inelastic LTB behaviour.
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