In engineering structures, to having the projected structure to serve all the engineering purposes, the theory to be used during the modeling stage is also of great importance. In the present work, an analytical solution of the free vibration of the beam composed of functionally graded materials (FGMs) is presented utilizing different beam theories. The comparison of supposed beam theory for free vibration of functionally graded (FG) beam is examined. For this aim, Euler-Bernoulli, Rayleigh, Shear, and Timoshenko beam theories are employed. The functionally graded material properties are assumed to vary continuously through the thickness direction of the beam with respect to the volume fraction of constituents. The governing equations of free vibration of FG beams are derived in the frameworks of four beam theories. Resulting equations are solved versus simply supported boundary conditions, analytically. To verify the results, comparisons are carried out with the available results. Parametrical studies are performed for discussing the effects of supposed beam theory, the variation of beam characteristics, and FGM properties on the free vibration of beams. In conclusion, it is found that the interaction between FGM properties and the supposed beam theory is of significance in terms of free vibration of the beams and that different beam theories need to be used depending on the characteristics of the beam in question.
Eltaher, M.A.;Khater, M.E.;Park, S.;Abdel-Rahman, E.;Yavuz, M.
Advances in nano research
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제4권1호
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pp.51-64
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2016
This paper investigates the effects of thermal load and shear force on the buckling of nanobeams. Higher-order shear deformation beam theories are implemented and their predictions of the critical buckling load and post-buckled configurations are compared to those of Euler-Bernoulli and Timoshenko beam theories. The nonlocal Eringen elasticity model is adopted to account a size-dependence at the nano-scale. Analytical closed form solutions for critical buckling loads and post-buckling configurations are derived for proposed beam theories. This would be helpful for those who work in the mechanical analysis of nanobeams especially experimentalists working in the field. Results show that thermal load has a more significant impact on the buckling behavior of simply-supported beams (S-S) than it has on clamped-clamped (C-C) beams. However, the nonlocal effect has more impact on C-C beams that it does on S-S beams. Moreover, it was found that the predictions obtained from Timoshenko beam theory are identical to those obtained using all higher-order shear deformation theories, suggesting that Timoshenko beam theory is sufficient to analyze buckling in nanobeams.
A linearised buckling analysis of thin-walled beams is addressed in this paper. Beam theories formulated according to a unified approach are presented. The displacement unknown variables on the cross-section of the beam are approximated via Mac Laurin's polynomials. The governing differential equations and the boundary conditions are derived in terms of a fundamental nucleo that does not depend upon the expansion order. Classical beam theories such as Euler-Bernoulli's and Timoshenko's can be retrieved as particular cases. Slender and deep beams are investigated. Flexural, torsional and mixed buckling modes are considered. Results are assessed toward three-dimensional finite element solutions. The numerical investigations show that classical and lower-order theories are accurate for flexural buckling modes of slender beams only. When deep beams or torsional buckling modes are considered, higher-order theories are required.
In this research, the buckling analysis of sandwich beam with composite reinforced by graphene platelets (GPLs) in two face sheets is investigated. Three type various porosity patterns including uniform, symmetric and asymmetric are considered through the thickness direction of the core. Also, the top and bottom face sheets layers are considered composite reinforced by GPLs/CNTs based on Halpin-Tsai micromechanics model and extended mixture rule, respectively. Based on various shear deformation theories such as Euler-Bernoulli, Timoshenko and Reddy beam theories, the governing equations of equilibrium using minimum total potential energy are obtained. It is seen that the critical buckling load decreases with an increase in the porous coefficient, because the stiffness of sandwich beam reduces. Also, it is shown that the critical buckling load for asymmetric distribution is lower than the other cases. It can see that the effect of graphene platelets on the critical buckling load is higher than carbon nanotubes. Moreover, it is seen that the difference between carbon nanotubes and graphene platelets for Reddy and Euler-Bernoulli beam theories is most and least, respectively.
The theories having been developed thus far account for higher-order variation of transverse shear strain through the depth of the beam and satisfy the stress-free boundary conditions on the top and bottom surfaces of the beam. A shear correction factor, therefore, is not required. In this paper, the effect of surface on the axial buckling and free vibration of nanobeams is studied using various refined higher-order shear deformation beam theories. Furthermore, these theories have strong similarities with Euler-Bernoulli beam theory in aspects such as equations of motion, boundary conditions, and expressions of the resultant stress. The equations of motion and boundary conditions were derived from Hamilton's principle. The resultant system of ordinary differential equations was solved analytically. The effects of the nanobeam length-to-thickness ratio, thickness, and modes on the buckling and free vibration of the nanobeams were also investigated. Finally, it was found that the buckling and free vibration behavior of a nanobeam is size-dependent and that surface effects and surface energy produce significant effects by increasing the ratio of surface area to bulk at nano-scale. The results indicated that surface effects influence the buckling and free vibration performance of nanobeams and that increasing the length-to-thickness increases the buckling and free vibration in various higher-order shear deformation beam theories. This study can assist in measuring the mechanical properties of nanobeams accurately and designing nanobeam-based devices and systems.
Based on the consistent couple stress theory (CCST), we develop a unified formulation for analyzing the static bending and free vibration behaviors of functionally graded (FG) microscale beams (MBs). The strong forms of the CCST-based Euler-Bernoulli, Timoshenko, and Reddy beam theories, as well as the CCST-based sinusoidal, exponential, and hyperbolic shear deformation beam theories, can be obtained by assigning some specific shape functions of the shear deformations varying through the thickness direction of the FGMBs in the unified formulation. The above theories are thus included as special cases of the unified CCST. A comparative study between the results obtained using a variety of CCST-based beam theories and those obtained using their modified couple stress theory-based counterparts is carried out. The impacts of some essential factors on the deformation, stress, and natural frequency parameters of the FGMBs are examined, including the material length-scale parameter, the aspect ratio, and the material-property gradient index.
The research on the effect of the prestressing force on the frequency of PSC(Prestressed Concrete beam) has been conducted theoretically and experimentally, and a few theory has been presented. However, the presented theories show no agreement in predicting the effect of the prestressing force. In this paper, the theories on the effect of the prestressing force on the frequency of PSC beam are presented and evaluated using the experimental result. To obtain the experimental result, two PSC beam specimens were manufactured, and the modal test and analysis were performed. The modal analysis results revealed that the prestressing force increased the natural frequency of the PSC beam. Comparing predicted results using existing theories show that Kim's model, which substitutes the prestressing tendon with the equivalent beam, gives the best prediction result.
Arefi, Mohammad;Pourjamshidian, Mahmoud;Arani, Ali Ghorbanpour
Steel and Composite Structures
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제32권2호
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pp.157-171
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2019
In this research, the dynamic instability region (DIR) of the sandwich nano-beams are investigated based on nonlocal strain gradient elasticity theory (NSGET) and various higher order shear deformation beam theories (HSDBTs). The sandwich piezoelectric nano-beam is including a homogenous core and face-sheets reinforced with functionally graded (FG) carbon nanotubes (CNTs). In present study, three patterns of CNTs are employed in order to reinforce the top and bottom face-sheets of the beam. In addition, different higher-order shear deformation beam theories such as trigonometric shear deformation beam theory (TSDBT), exponential shear deformation beam theory (ESDBT), hyperbolic shear deformation beam theory (HSDBT), and Aydogdu shear deformation beam theory (ASDBT) are considered to extract the governing equations for different boundary conditions. The beam is subjected to thermal and electrical loads while is resting on Visco-Pasternak foundation. Hamilton principle is used to derive the governing equations of motion based on various shear deformation theories. In order to analysis of the dynamic instability behaviors, the linear governing equations of motion are solved using differential quadrature method (DQM). After verification with validated reference, comprehensive numerical results are presented to investigate the influence of important parameters such as various shear deformation theories, nonlocal parameter, strain gradient parameter, the volume fraction of the CNTs, various distributions of the CNTs, different boundary conditions, dimensionless geometric parameters, Visco-Pasternak foundation parameters, applied voltage and temperature change on the dynamic instability characteristics of sandwich piezoelectric nano-beam.
Kaci, Abdelhakim;Houari, Mohammed Sid Ahmed;Bousahla, Abdelmoumen Anis;Tounsi, Abdelouahed;Mahmoud, S.R.
Structural Engineering and Mechanics
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제65권5호
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pp.621-631
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2018
In this paper, an exact analytical solution is developed for the analysis of the post-buckling non-linear response of simply supported deformable symmetric composite beams. For this, a new theory of higher order shear deformation is used for the analysis of composite beams in post-buckling. Unlike any other shear deformation beam theories, the number of functions unknown in the present theory is only two as the Euler-Bernoulli beam theory, while three unknowns are needed in the case of the other beam theories. The theory presents a parabolic distribution of transverse shear stresses, which satisfies the nullity conditions on both sides of the beam without a shear correction factor. The shear effect has a significant contribution to buckling and post-buckling behaviour. The results of this analysis show that classical and first-order theories underestimate the amplitude of the buckling whereas all the theories considered in this study give results very close to the static response of post-buckling. The numerical results obtained with the novel theory are not only much more accurate than those obtained using the Euler-Bernoulli theory but are almost comparable to those obtained using higher order theories, Accuracy and effectiveness of the current theory.
In this paper, various nonlocal higher-order shear deformation beam theories that consider the size dependent effects in Functionally Graded Material (FGM) beam are examined. The presented theories fulfill the zero traction boundary conditions on the top and bottom surface of the beam and a shear correction factor is not required. Hamilton's principle is used to derive equation of motion as well as related boundary condition. The Navier solution is applied to solve the simply supported boundary conditions and exact formulas are proposed for the bending and static buckling. A parametric study is also included to investigate the effect of gradient index, length scale parameter and length-to-thickness ratio (aspect ratio) on the bending and the static buckling characteristics of FG nanobeams.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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