Pour, Hasan Rahimi;Vossough, Hossein;Heydari, Mohammad Mehdi;Beygipoor, Gholamhossein;Azimzadeh, Alireza
Structural Engineering and Mechanics
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v.54
no.6
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pp.1061-1073
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2015
This paper presents a nonlocal sinusoidal shear deformation beam theory (SDBT) for the nonlinear vibration of single walled carbon nanotubes (CNTs). The present model is capable of capturing both small scale effect and transverse shear deformation effects of CNTs, and does not require shear correction factors. The surrounding elastic medium is simulated based on Pasternak foundation. Based on the nonlocal differential constitutive relations of Eringen, the equations of motion of the CNTs are derived using Hamilton's principle. Differential quadrature method (DQM) for the natural frequency is presented for different boundary conditions, and the obtained results are compared with those predicted by the nonlocal Timoshenko beam theory (TBT). The effects of nonlocal parameter, boundary condition, aspect ratio on the frequency of CNTs are considered. The comparison firmly establishes that the present beam theory can accurately predict the vibration responses of CNTs.
Isa Ahmadi;Mohammad Naeim Moradi;Mahdi Davar Panah
Structural Engineering and Mechanics
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v.89
no.2
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pp.135-153
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2024
In this study, the impact response of a nanobeam with a moving nanoparticle is investigated. Timoshenko beam theory is used to model the nanobeam behavior and nonlocal elasticity theory is used to consider the effects of small dimensions. The interaction between the nanoparticle and nanobeam has been described using Lennard-Jones potential theory and the equations are discretized by the radial basis meshless method and a mathematical model is presented for the nanobeam-nanoparticle system. Validation of the proposed model is achieved by comparing the obtained natural frequencies with reference values, demonstrating good agreement. Dimensionless frequency analysis reveals a decrease with increasing nonlocal parameter, pointing out a toughening effect in nanobeam. The dynamic response of the nanobeam and nanoparticle is obtained by time integration of equations of motion using Newmark and Wilson-𝜃 methods. A comparative analysis of the two methods is conducted to determine the most suitable approach for this study. As a distinctive aspect in this study, the analysis incorporates the deformation of the nanobeam resulting from the nanoparticle-nanobeam interaction when calculating the Lennard-Jones force in the nanobeam-nanoparticle system. The numerical findings explore the impact of various factors, including the nonlocal parameter, initial velocity, nanoparticle mass, and boundary conditions.
The use of metric trial functions to represent the real stress field in what is called the unsymmetric finite element formulation is an effective way to improve predictions from distorted finite elements. This approach works surprisingly well because the use of parametric functions for the test functions satisfies the continuity conditions while the use of metric (Cartesian) shape functions for the trial functions attempts to ensure that the stress representation during finite element computation can retrieve in a best-fit manner, the actual variation of stress in the metric space. However, the issue of how to handle situations where there is locking along with mesh distortion has never been addressed. In this paper, we show that the use of a consistent definition of the constrained strain field in the metric space can ensure a lock-free solution even when there is mesh distortion. The three-noded Timoshenko beam element is used to illustrate the principles. Some significant conclusions are drawn regarding the optimal strategy for finite element modelling where distortion effects and field-consistency requirements have to be reconciled simultaneously.
Rabab A. Shanab;Norhan A. Mohamed;Mohamed A. Eltaher;Alaa A. Abdelrahman
Advances in nano research
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v.14
no.1
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pp.45-65
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2023
This paper aimed to investigate the nonclassical size dependent free vibration behavior of regularly squared cutout viscoelastic nanobeams. The nonlocal strain gradient elasticity theory is modified and adopted to incorporate the viscoelasticity effect. The Kelvin Voigt viscoelastic model is adopted to model the linear viscoelastic constitutive response. To explore the influence of shear deformation effect due to cutout, both Euler Bernoulli and Timoshenko beams theories are considered. The Hamilton principle is utilized to derive the dynamic equations of motion incorporating viscoelasticity and size dependent effects. Closed form solutions for the resonant frequencies for both perforated Euler Bernoulli nanobeams (PEBNB) and perforated Timoshenko nanobeams (PTNB) are derived considering different boundary conditions. The developed procedure is verified by comparing the obtained results with the available results in the literature. Parametric studies are conducted to show the influence of the material damping, the perforation, the material and the geometrical parameters as well as the boundary and loading conditions on the dynamic behavior of viscoelastic perforated nanobeams. The proposed procedure and the obtained results are supportive in the analysis and design of perforated viscoelastic NEMS structures.
An accurate and highly efficient inverse element labelled iPCB is developed based on the inverse finite element method (iFEM) for real-time shape estimation of plane-curved structures (such as arch bridges) utilizing onboard strain data. This inverse problem, named shape sensing, is vital for the design of smart structures and structural health monitoring (SHM) procedures. The iPCB formulation is defined based on a least-squares variational principle that employs curved Timoshenko beam theory as its baseline. The accurate strain-displacement relationship considering tension-bending coupling is used to establish theoretical and measured section strains. The displacement fields of the isoparametric element iPCB are interpolated utilizing nonuniform rational B-spline (NURBS) basis functions, enabling exact geometric modelling even with a very coarse mesh density. The present formulation is completely free from membrane and shear locking. Numerical validation examples for different curved structures subjected to different loading conditions have been performed and have demonstrated the excellent prediction capability of iPCBs. The present formulation has also been shown to be practical and robust since relatively accurate predictions can be obtained even omitting the shear deformation contributions and considering polluted strain measures. The current element offers a promising tool for real-time shape estimation of plane-curved structures.
Ozge Ozdemir;Huseyin Ural;Alexandre de Macedo Wahrhaftig
Advances in nano research
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v.16
no.5
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pp.445-458
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2024
The objective of this paper is to present free vibration and static stability analyses of rotating composite beams reinforced with carbon nanotubes (CNTs) under uniform thermal loads. Beam structural equations and CNT-reinforced composite (CNTRC) beam formulations are derived based on Timoshenko beam theory (TBT). The temperature-dependent properties of the beam material, such as the elastic modulus, shear modulus, and material density, are assumed to vary over the thickness according to the rule of mixture. The beam material is modeled as a mixture of single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) in an isotropic matrix. The SWCNTs are aligned and distributed in the isotropic matrix with different patterns of reinforcement, namely the UD (uniform), FG-O, FG-V, FG- Λ and FG-X distributions, where FG-V and FG- Λ are asymmetric patterns. Numerical examples are presented to illustrate the effects of several essential parameters, including the rotational speed, hub radius, effective material properties, slenderness ratio, boundary conditions, thermal force, and moments due to temperature variation. To the best of the authors' knowledge, this study represents the first attempt at the finite element modeling of rotating CNTRC Timoshenko beams under a thermal environment. The results are presented in tables and figures for both symmetric and asymmetric distribution patterns, and can be used as benchmarks for further validation.
The main purpose of this paper is to present deflections of laminated composite plates on the two-parameter foundations. that is an elastic foundation with shear layer. This paper focuses on the deformation behaviour of anisotropic structures on elastic foundations. The third-order shear deformation theory is applied by using the double-fourier series. To validate the derived equations the obtained displacements for simply supported isotropic and orthotropic plates on elastic foundations are compared with those of Timoshenko and LUSAS program. The results show an excellent agreement for the isotropic and LUSAS program. The results show an excellent agreement for the isotropic and orthotropic plates on the elastic foundations. Numerical results for displacements are presented to show the effects of side-to-thickness ratio aspect ratio, material anisotropy and shear modulus of foundations.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.39
no.3
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pp.64-74
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2002
A special purposed program for ship hull strength analysis considering whipping phenomena is developed. In this program, the non-linear hydrodynamic impact force is considered using the momentum slamming theory and the hull girder is modeled as elastic body on the base of Timoshenko's beam theory. The numerical verifications are conducted in the view points that the effect of slamming impact force, the effect of hydro-elastic formulation, and the effect of various design parameters such as ship speed, wave amplitude, wave length and others. By the application of a real ship design process, the availability of the program is proved. This program has a GUI function for many I/O data process as well as the function to show the 2-D ship motion in the graphic window, and has other available functions for the whipping analysis.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.29
no.3
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pp.140-148
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1992
The free vibration problem of symmetrically laminated composite rectangular plates is formulated based on anisotropic thick plate theory including the effects of shear deformation and rotary inertia. Considering the difficulty of obtaining closed-form solutions, Rayleigh-Ritz analysis using polynomials having the property of Timoshenko beam functions as trial functions is adopted. The boundary conditions elastically restrained against rotation are accomodated as well as classical boundary conditions. From the results of numerical studies, the validity of the present method is verified. And it is also found that the adoption of thick plate theory for the vibration analysis of laminated composite plates is essential because of the relatively large shear deformation effect, and that the convergence of the Rayleigh quotient to the stationary value is less rapid in anisotropic composite plates than that in the orthotropic ones due to more complicated mode shapes of the former.
This paper presents an investigation into the magneto-thermo-mechanical vibration and damping of a viscoelastic functionally graded-carbon nanotubes (FG-CNTs)-reinforced curved microbeam based on Timoshenko beam and strain gradient theories. The structure is surrounded by a viscoelastic medium which is simulated with spring, damper and shear elements. The effective temperature-dependent material properties of the CNTs-reinforced composite beam are obtained using the extended rule of mixture. The structure is assumed to be subjected to a longitudinal magnetic field. The governing equations of motion are derived using Hamilton's principle and solved by employing differential quadrature method (DQM). The effect of various parameter like volume percent and distribution type of CNTs, temperature change, magnetic field, boundary conditions, material length scale parameter, central angle, viscoelastic medium and structural damping on the vibration and damping behaviors of the nanocomposite curved microbeam is examined. The results show that with increasing volume percent of CNTs and considering magnetic field, material length scale parameter and viscoelastic medium, the frequency of the system increases and critically damped situation occurs at higher values of damper constant. In addition, the structure with FGX distribution type of CNTs has the highest stiffness. It is also observed that increasing temperature, structural damping and central angle of curved microbeam decreases the frequency of the system.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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