A free vibration analysis and wave propagation of functionally graded porous beams has been presented in this work using a high order hyperbolic shear deformation theory. Unlike other conventional shear deformation theories, a new displacement field that introduces indeterminate integral variables has been used to minimize the number of unknowns. The constituent materials of the beam are assumed gradually variable along the direction of height according to a simple power law distribution in terms of the volume fractions of the constituents. The variation of the pores in the direction of the thickness influences the mechanical properties. It is therefore necessary to predict the effect of porosity on vibratory behavior and wave velocity of FG beams in this study. A new function of the porosity factor has been developed. Hamilton's principle is used for the development of wave propagation equations in the functionally graded beam. The analytical dispersion relationship of the FG beam is obtained by solving an eigenvalue problem. Illustrative numerical examples are given to show the effects of volume fraction distributions, beam height, wave number, and porosity on free vibration and wave propagation in a functionally graded beam.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.18
no.11
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pp.1157-1169
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2008
This paper presents spectral element formulation which approximates Lamb wave propagation by PZT transducers bonded on a thin plate. A two layer beam model under 2-D plane strain condition is introduced to simulate high-frequency dynamic responses induced by a piezoelectric (PZT) layer rigidly bonded on a base plate. Mindlin-Herrmann and Timoshenko beam theories are employed to represent the first symmetric and anti-symmetric Lamb wave modes on a base plate, respectively. The Euler-Bernoulli beam theory and 1-D linear piezoelectricity are used to model the electro-mechanical behavior of a PZT layer. The equations of motions of a two layer beam model are derived through Hamilton's principle. The necessary boundary conditions associated with the electro-mechanical properties of a PZT layer are formulated in the context of dual functions of a PZT layer as an actuator and a sensor. General spectral shape functions of response field and the associated boundary conditions are obtained through equations of motions converted into frequency domain. Detailed spectrum element formulation for composing the dynamic stiffness matrix of a two layer beam model is presented as well. The validity of the proposed spectral element is demonstrated through numerical examples.
Yang, Yong;Yu, Yunlong;Zhou, Xianwei;Roeder, Charles W.;Huo, Xudong
Steel and Composite Structures
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v.21
no.3
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pp.537-551
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2016
A new type of composite beam which consists of a wide flange steel shape beam and an innovative type of composite slab was introduced. The composite slab is composed of concrete slab and normal flat steel plates, which are connected by perfobond shear connectors (PBL shear connectors). This paper describes experiments of two large-scale specimens of that composite beam. Both specimens were loaded at two symmetric points for 4-point loading status, and mechanical behaviors under hogging and sagging bending moments were investigated respectively. During the experiments, the crack patterns, failure modes, failure mechanism and ultimate bending capacity of composite beam specimens were investigated, and the strains of concrete and flat steel plate as well as steel shapes were measured and recorded. As shown from the experimental results, composite actions were fully developed between the steel shape and the composite slab, this new type of composite beams was found to have good mechanical performance both under hogging and sagging bending moment with high bending capacity, substantial flexure rigidity and good ductility. It was further shown that the plane-section assumption was verified. Moreover, a design procedure including calculation methods of bending capacity of this new type of composite beam was studied and proposed based on the experimental results, and the calculation methods based on the plane-section assumption and plastic theories were also verified by comparisons of the calculated results and experimental results, which were agreed with each other.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.28
no.5
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pp.467-475
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2015
In this paper, the behaviour of a cantilevered beam was predicted to examine the difference between linear and non-linear static, dynamic analysis for a structure by using CR nonlinear formulation. Then, external transverse static and dynamic loads were applied at the free tip of the beam. Classical theories were used for the present linear analysis and co-rotational dynamic FEM program was used for the present nonlinear analysis. In the static analysis, effects of the load for the beam deflection were observed in both linear and nonlinear analysis. Then, normalized displacement at the tip of the beam was predicted for different frequency ratio and a significant difference was obtained in the vicinity of the resonant frequency. In addition, effects of frequency and time for the beam deflection were investigated to find the frequency delay.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.32
no.6
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pp.359-366
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2019
Experimental and analytical studies on the behavioral characteristics of a pre-stressed (PS) steel girder are conducted to investigate the effects of deviators on the non-linear inelastic properties of the PS system. In this regard, 4 test specimens consisting of a steel H-beam, a straight cable with eccentricity, anchorages, and deviators are built and failure tests are performed under two-point loading. In addition, in-plane elastic deformation theories for the PS system without a deviator, and with three deviators at regular intervals are analytically formulated and solved using a symbolic calculation technique. To verify the validity of the experimental and the proposed analytical theories, the results obtained using FEM models composed of beam elements, rigid beam elements, and truss cable elements, are compared to the experimental results and the analytical solutions. As a result, it is determined that externally installed un-bonded deviators inhibit flexural deformation of the deformed beam to such an extent that their elastic stiffness, and failure strength are significantly improved compared to those of the PS system without deviators.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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1996.10a
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pp.104-109
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1996
Continuum element sensitivity analysis (CONTESA) and system optimization (SYSOPT) for Noise, Vibration, and Harshness (NVH) have been developed and applied to automobile structures for sizing, topology, and configuration design using Mindlin plate and Timoshenko beam theories. The topology optimization has been developed using the density approach, sequential linear programming, and the adjoint variable method. CONTESA has been tested using various vehicle models. Optimized vehicles using CONTESA and SYSOPT are manufactured to validate the simulation-based design methodology.
The present paper shows a new non-tensorial approach to derive basic equations for various structural analyses. It can be used directly in numerical computation procedures. The aim of the paper is, however, to show that the approach serves as an excellent tool for analytical purposes also, working as a link between analytical and numerical techniques. The paper gives a method to derive, at first, expressions for strains in general beam and shell analyses, and secondly, the governing equilibrium equations. The approach is based on the utilization of local fixed Cartesian coordinate systems. Applying these, all the definitions required are the simple basic ones, well-known from the analyses in common global coordinates. In addition, the familiar principle of virtual work has been adopted. The method will be, apparently, most powerful in teaching the theories of curved beam and shell structures for students not familiar with tensor analysis. The final results obtained have no novelty value in themselves, but the procedure developed opens through its systematic and graphic progress a new standpoint to theoretical considerations.
The effect of relaxation times is studied on plane waves propagating through semiconductor half-space medium by using the eigen value approach. The bounding surface of the half-space is subjected to a heat flux with an exponentially decaying pulse and taken to be traction free. Solution of the field variables are obtained in the form of series for a general semiconductor medium. For numerical values, Silicon is considered as a semiconducting material. The results are represented graphically to assess the influences of the thermal relaxations times on the plasma, thermal, and elastic waves.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.24
no.10
s.181
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pp.2637-2645
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2000
We propose a new one-dimensional theory for thin-walled curved box beams having rectangular cross sections, in which torsional, out-of-plane bending, warping and distortional deformations are coupled. The major difference between the present theory and existing theories lies in that the present theory takes into account additional distortion as well as warping. To verify the present theory, a standard finite element based on the present theory is developed and used for numerical analysis. A couple of numerical examples indeed confirm that the consideration of warping and distortional deformations is very important.
This paper presents a dynamic analysis of three-dimensional beams. Structures made of functionally graded materials are considered. Several higher-order as well as classical theories are derived by means of a compact notation for the a-priori expansion order of the displacement field over the beam cross-section. The governing differential equations and boundary conditions are obtained in a condensed nuclear form that does not depend on the kinematic hypotheses. The problem is, then, exactly solved in space by means of a Navier-type solution, whereas time integration is performed by means of Newmark's solution scheme. Slender and short simply supported beams are investigated. Results are validated towards three-dimensional FEM results obtained via the commercial software ANSYS. Numerical investigations show that good accuracy can be obtained through the proposed formulation provided that the appropriate expansion order is considered.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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