A study on the static analysis of Timoshenko beams is presented. A beam element is developed by using isogeometric approach based on Timoshenko beam theory which allows the transverse shear deformation. The identification of transverse shear locking is conducted by three refinement schemes such as h-, p- and k-refinement and compared to other reference solutions. From numerical examples, the present beam element does not produce any shear locking in very thin beam situations even with full Gauss integration rule. Finally, the benchmark tests described in this study is provided as future reference solutions for Timoshenko beam problems based on isogeometric approach.
The paper presents free vibration and stability analyses of a non-uniform Timoshenko beam resting on a two-parameter elastic soil. The soil parameters can vary along the spat and is assumed to be two-parameter model including the effects of both transverse shear deformation and elastic foundation Governing equations related to the vibration and the stability of the beam are derived from Hamilton's principle, and the resulting eigen-value problems can be solved to give natural frequencies and critical force by finite element method. Numerical results for both vibration and stability of beams under an axial force are presented and compared with other available solutions. Finally, vibration frequencies, mode shapes and critical forces are investigated for various thickness ratios, shear foundation parameter, Winkler foundation parameter and boundary conditions of tapered Timoshenko beams.
In this study, a relationship between the resonance frequency ratio and Poisson's ratio was proposed that can be used to directly determine the elastic constants. Using this relationship, the frequency ratio between the 1st bending mode and 2nd bending mode for any rectangular Timoshenko beam can be directly estimated and used to determine the elastic constants efficiently. The exact solution of the Timoshenko beam vibration frequency equation under free-free boundary conditions was determined with an accurate shear shape factor. The highest percent difference for the frequency ratio between the theoretical values and the estimated values for all the beam dimensions studied was less than 0.02%. The proposed equations were used to obtain the elastic constants of beams with different material properties and dimensions using the first two measured transverse bending frequencies. Results show that using the equations proposed in this study, the Young's modulus and Poisson's ratio of rectangular Timoshenko beams can be determined more efficiently and accurately than those obtained from industry standards such as ASTM E1876-15 without the need to test the torsional vibration.
In this paper, the dynamic modeling and tip position of rotating Timoshenko beam analyzed by means of FEM (finite element method) and Hyperstability MRAC(model referenced adaptive control) technique of each other. The governing equations of the rotating beams are drived from Hamilton's principle. The dynamic model of this multi-link is drived by Lagrange approach. The shear deformation and rotary inertia are incorporated into a finite element model for determining the bending frequencies of the rotating beam. Simulation results for uniform cantilever beams by using the MRAC are compared with the available results. It will be shown that the proposed method offers an accurate and effective one to solve the free vibration problems of rotating beams' stability.
This paper presents post-buckling responses of a simply supported laminated composite beam subjected to a non-follower axially compression loads. In the nonlinear kinematic model of the laminated beam, total Lagrangian approach is used in conjunction with the Timoshenko beam theory. In the solution of the nonlinear problem, incremental displacement-based finite element method is used with Newton-Raphson iteration method. There is no restriction on the magnitudes of deflections and rotations in contradistinction to von-Karman strain displacement relations of the beam. The distinctive feature of this study is post-buckling analysis of Timoshenko Laminated beams full geometric non-linearity and by using finite element method. The effects of the fibber orientation angles and the stacking sequence of laminates on the post-buckling deflections, configurations and stresses of the composite laminated beam are illustrated and discussed in the numerical results. Numerical results show that the above-mentioned effects play a very important role on the post-buckling responses of the laminated composite beams.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.17
no.11
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pp.2694-2703
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1993
In the vibration analysis of Timoshenko beams by the finite element method, it is necessary to use a large number of elements or higher-order elements in modeling thin beams. This is because the overestimated stiffness matrix due to the shear locking phenomenon when lower-order displacement-based elements are used yields poor eigensolutions. As a result, the total number of degrees of freedom becomes critical in view of computational efficiency. In this paper, the curvature-based formulation is applied to the vibration problem. It is shown that the curvaturebased beam elements are free of shear locking and very efficient in the vibration analysis.
Vibration analysis of rotating beams is a topic of constant interest in mechanical engineering. The differential quadrature method (DQM) is used to obtain the natural frequencies of free transverse vibration of rotating beams. As it is known the DQM offers an accurate and useful method for solution of differential equations. And it is an effective technique for solving this kind of problems as it is shown comparing the obtained results with those available in the open literature and with those obtained by an independent solution using the finite element method. The beam model is based on the Timoshenko beam theory.
This paper presents a finite element procedure for dynamic analysis of non-uniform Timoshenko beams made of axially Functionally Graded Material (FGM) under multiple moving point loads. The material properties are assumed to vary continuously in the longitudinal direction according to a predefined power law equation. A beam element, taking the effects of shear deformation and cross-sectional variation into account, is formulated by using exact polynomials derived from the governing differential equations of a uniform homogenous Timoshenko beam element. The dynamic responses of the beams are computed by using the implicit Newmark method. The numerical results show that the dynamic characteristics of the beams are greatly influenced by the number of moving point loads. The effects of the distance between the loads, material non-homogeneity, section profiles as well as aspect ratio on the dynamic responses of the beams are also investigated in detail and highlighted.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.18
no.12
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pp.1327-1334
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2008
In this paper, the purpose is to investigate the stability of cracked Timoshenko cantilever beams subjected to subtangential follower force. In addition, an analysis of the instability(critical follower force of flutter and divergence) of a cracked beam as slenderness ratio and subtangential coefficient is investigated. The governing differential equations of a Timoshenko beam subjected to an end tangential follower force is derived via Hamilton's principle. The crack is assumed to be in the first mode of fracture and to be always opened during the vibrations. The results of this study will contribute to the safety test and stability estimation of structures of a cracked beam subjected to subtangential follower force.
Periodic and quasi-periodic Timoshenko beams on Pasternak foundation are investigated using the differential quadrature method. Not only band gaps in the beams but also the dynamic response of them is analyzed. Numerical results show that vibration in periodic beams can be dramatically attenuated when the exciting frequency falls into band gaps. Different from the band structures of periodic beams without foundation, the so-called critical frequency was found because of the Pasternak foundation. Its physical meaning was explained in detail and a useful formula was given to calculate the critical frequency. Additionally, a comprehensive parameter study is conducted to highlight the influence of foundation modulus on the band gaps.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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