International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.6
no.4
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pp.1041-1063
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2014
Some results on the hydroelasticity of ultra large container ships related to the beam structural model and restoring stiffness achieved within EU FP7 Project TULCS are summarized. An advanced thin-walled girder theory based on the modified Timoshenko beam theory for flexural vibrations with analogical extension to the torsional problem, is used for formulation of the beam finite element for analysis of coupled horizontal and torsional ship hull vibrations. Special attention is paid to the contribution of transverse bulkheads to the open hull stiffness, as well as to the reduced stiffness of the relatively short engine room structure. In addition two definitions of the restoring stiffness are considered: consistent one, which includes hydrostatic and gravity properties, and unified one with geometric stiffness as structural contribution via calm water stress field. Both formulations are worked out by employing the finite element concept. Complete hydroelastic response of a ULCS is performed by coupling 1D structural model and 3D hydrodynamic model as well as for 3D structural and 3D hydrodynamic model. Also, fatigue of structural elements exposed to high stress concentration is considered.
The present paper investigate the elastic buckling of chiral double-walled carbon nanotubes (DWCNTs) under axial compression. Using the non-local elasticity theory, Timoshenko beam model has been implemented. According to the governing equations of non-local theory, the analytical solution is derived and the solution for non-local critical buckling loads is obtained. The numerical results show the influence of non-local small-scale coefficient, the vibrational mode number, the chirality of carbon nanotube and aspect ratio of the (DWCNTs) on non-local critical buckling loads of the (DWCNTs). The results indicate the dependence of non-local critical buckling loads on the chirality of single-walled carbon nanotube with increase the non-local small-scale coefficient, the vibrational mode number and aspect ratio of length to diameter.
In this paper, unified nonlocal shear deformation theory is proposed to study bending, buckling and free vibration of nanobeams. This theory is based on the assumption that the in-plane and transverse displacements consist of bending and shear components in which the bending components do not contribute toward shear forces and, likewise, the shear components do not contribute toward bending moments. In addition, this present model is capable of capturing both small scale effect and transverse shear deformation effects of nanobeams, and does not require shear correction factors. The equations of motion are derived from Hamilton's principle. Analytical solutions for the deflection, buckling load, and natural frequency are presented for a simply supported nanobeam, and the obtained results are compared with those predicted by the nonlocal Timoshenko beam theory and Reddy beam theories.
Unwanted vibration is an issue in many industrial systems, especially in nano-devices. There are many ways to compensate these unwanted vibrations based on the results of the past researches. Elastic medium and smart material etc. are effective methods to restrain unnecessary vibration. In this manuscript, dynamic analysis of viscoelastic nanosensor which is made of functionally graded (FGM) nanobeams is investigated. It is assumed that, the shaft is flexible. The system is modeled based on Timoshenko beam theory and also environmental condition, external linear varying loads and thermal loading effect are considered. The equations of motion are extracted by using energy method and Hamilton principle to describe the translational and shear deformation's behavior of the system. Governing equations of motion are extracted by supplementing Eringen's nonlocal theory. Finally vibration behavior of system especially the frequency of system is developed by implementation Semi-analytical differential transformed method (DTM). The results are validated in the researches that have been done in the past and shows good agreement with them.
This paper analyzes nonlinear free vibration of the circular nano-tubes made of functionally graded materials in the framework of nonlocal strain gradient theory in conjunction with a refined higher order shear deformation beam model. The effective material properties of the tube related to the change of temperature are assumed to vary along the radius of tube based on the power law. The refined beam model is introduced which not only contains transverse shear deformation but also satisfies the stress boundary conditions where shear stress cancels each other out on the inner and outer surfaces. Moreover, it can degenerate the Euler beam model, the Timoshenko beam model and the Reddy beam model. By incorporating this model with Hamilton's principle, the nonlinear vibration equations are established. The equations, including a material length scale parameter as well as a nonlocal parameter, can describe the size-dependent in linear and nonlinear vibration of FGM nanotubes. Analytical solution is obtained by using a two-steps perturbation method. Several comparisons are performed to validate the present analysis. Eventually, the effects of various physical parameters on nonlinear and linear natural frequencies of FGM nanotubes are analyzed, such as inner radius, temperature, nonlocal parameter, strain gradient parameter, scale parameter ratio, slenderness ratio, volume indexes, different beam models.
In this paper, the vibrations of boron nitride nanotubes (BNNTs) are investigated by considering the electric field. To consider the size effect at nanoscale dimensions, the surface elasticity theory is exploited. The equations of motion of the BNNTs are obtained by applying Hamilton's principle, and the clamped-guided boundary conditions are also considered. The governing equations and boundary conditions are discretized using the differential quadrature method (DQM), and the natural frequency is obtained by using the eigenvalue problem solution. The results are compared with the molecular dynamic simulation in order to validate the accurate values of the surface effects. In the molecular dynamics (MD) simulation, the potential between boron and nitride atoms is considered as the Tersoff type. The Timoshenko beam model is adopted to model BNNT. The vibrations of two types of zigzag and armchair BNNTs are considered. In the result section, the effects of chirality, surface elasticity modulus, surface residual tension, surface density, electric field, length, and thickness of BNNT on natural frequency are investigated. According to the results, it should be noted that, as an efficient non-classical continuum mechanic approach, the surface elasticity theory can be used in scrutinizing the dynamic behavior of BNNTs.
Mouffoki, Abderrahmane;Bedia, E.A. Adda;Houari, Mohammed Sid Ahmed;Tounsi, Abdelouahed;Mahmoud, S.R.
Smart Structures and Systems
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v.20
no.3
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pp.369-383
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2017
In this work, the effects of moisture and temperature on free vibration characteristics of functionally graded (FG) nanobeams resting on elastic foundation is studied by proposing a novel simple trigonometric shear deformation theory. The main advantage of this theory is that, in addition to including the shear deformation influence, the displacement field is modeled with only 2 unknowns as the case of the classical beam theory (CBT) and which is even less than the Timoshenko beam theory (TBT). Three types of environmental condition namely uniform, linear, and sinusoidal hygrothermal loading are studied. Material properties of FG beams are assumed to vary according to a power law distribution of the volume fraction of the constituents. Equations of motion are derived from Hamilton's principle. Numerical examples are presented to show the validity and accuracy of present shear deformation theories. The effects of hygro-thermal environments, power law index, nonlocality and elastic foundation on the free vibration responses of FG beams under hygro-thermal effect are investigated.
In this investigation, dynamic and bending behaviors of isolated protein microtubules are analyzed. Microtubules (MTs) can be considered as bio-composite structures that are elements of the cytoskeleton in eukaryotic cells and posses considerable roles in cellular activities. They have higher mechanical characteristics such as superior flexibility and stiffness. In the modeling purpose of microtubules according to a hollow beam element, a novel single variable sinusoidal beam model is proposed with the conjunction of modified strain gradient theory. The advantage of this model is found in its new displacement field involving only one unknown as the Euler-Bernoulli beam theory, which is even less than the Timoshenko beam theory. The equations of motion are constructed by considering Hamilton's principle. The obtained results are validated by comparing them with those given based on higher shear deformation beam theory containing a higher number of variables. A parametric investigation is established to examine the impacts of shear deformation, length scale coefficient, aspect ratio and shear modulus ratio on dynamic and bending behaviors of microtubules. It is remarked that when length scale coefficients are almost identical of the outer diameter of MTs, microstructure-dependent behavior becomes more important.
Microtubules (MTs) are the main part of the cytoskeleton in living eukaryotic cells. In this article, a mechanical model of MT buckling, considering the modified strain gradient theory, is analytically examined. The MT is assumed as a cylindrical beam and a new single variable trigonometric beam theory is developed in conjunction with a modified strain gradient model. The main benefit of the present formulation is shown in its new kinematic where we found only one unknown as the Euler-Bernoulli beam model, which is even less than the Timoshenko beam model. The governing equations are deduced by considering virtual work principle. The effectiveness of the present method is checked by comparing the obtained results with those reported by other higher shear deformation beam theory involving a higher number of unknowns. It is shown that microstructure-dependent response is more important when material length scale parameters are closer to the outer diameter of MTs. Also, it can be confirmed that influences of shear deformation become more considerable for smaller shear modulus and aspect ratios.
In the current paper, an exact solution method is carried out for analyzing the thermo-mechanical vibration of curved FG nano-beams subjected to uniform thermal environmental conditions, by considering porosity distribution via nonlocal strain gradient beam theory for the first time. Nonlocal strain gradient elasticity theory is adopted to consider the size effects in which the stress for not only the nonlocal stress field but also the strain gradients stress field is considered. It is perceived that during manufacturing of functionally graded materials (FGMs) porosities and micro-voids can be occurred inside the material. Material properties of curved porous FG nanobeam are assumed to be temperature-dependent and are supposed to vary through the thickness direction of beam which modeled via modified power-law rule. Since variation of pores along the thickness direction influences the mechanical and physical properties, porosity play a key role in the mechanical response of curved FG nano-structures. The governing equations and related boundary condition of curved porous FG nanobeam under temperature field are derived via the energy method based on Timoshenko beam theory. An analytical Navier solution procedure is utilized to achieve the natural frequencies of porous FG curved nanobeam supposed to thermal loading. The results for simpler states are confirmed with known data in the literature. The effects of various parameters such as nonlocality parameter, porosity volume fractions, thermal effect, gradient index, opening angle and aspect ratio on the natural frequency of curved FG porous nanobeam are successfully discussed. It is concluded that these parameters play key roles on the dynamic behavior of porous FG curved nanobeam. Presented numerical results can serve as benchmarks for future analyses of curve FG nanobeam with porosity phases.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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