An analytical solution for the shape functions of a beam segment supported on a generalized two-parameter elastic foundation is derived. The solution is general, and is not restricted to a particular range of magnitudes of the foundation parameters. The exact shape functions can be utilized to derive exact analytic expressions for the coefficients of the element stiffness matrix, work equivalent nodal forces for arbitrary transverse loads and coefficients of the consistent mass and geometrical stiffness matrices. As illustration, each distinct coefficient of the element stiffness matrix is compared with its conventional counterpart for a beam segment supported by no foundation at all for the entire range of foundation parameters.
Alnujaie, Ali;Akbas, Seref D.;Eltaher, Mohamed A.;Assie, Amr
Geomechanics and Engineering
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제24권1호
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pp.91-103
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2021
This paper concerns with forced dynamic response of thick functionally graded (FG) beam resting on viscoelastic foundation including porosity impacts. The dynamic point load is proposed to be triangle point loads in time domain. In current analysis the beam is assumed to be thick, therefore, the two-dimensional plane stress constitutive equation is proposed to govern the stress-strain relationship through the thickness. The porosity and void included in constituent is described by three different distribution models through the beam thickness. The governing equations are obtained by using Lagrange's equations and solved by finite element method. In frame of finite element analysis, twelve-node 2D plane element is exploited to discretize the space domain of beam. In the solution of the dynamic problem, Newmark average acceleration method is used. In the numerical results, effects of porosity coefficient, porosity distribution and foundation parameters on the dynamic responses of functionally graded viscoelastic beam are presented and discussed. The current model is efficient in many applications used porous FGM, such as aerospace, nuclear, power plane sheller, and marine structures.
Nonlinear dynamic response of a sandwich beam considering porous core and nano-composite face sheet on nonlinear viscoelastic foundation with temperature-variable material properties is investigated in this research. The Hamilton's principle and beam theory are used to drive the equations of motion. The nonlinear differential equations of sandwich beam respect to time are obtained to solve nonlinear differential equations by Homotopy perturbation method (HPM). The effects of various parameters such as linear and nonlinear damping coefficient, linear and nonlinear spring constant, shear constant of Pasternak type for elastic foundation, temperature variation, volume fraction of carbon nanotube, porosity distribution and porosity coefficient on nonlinear dynamic response of sandwich beam are presented. The results of this paper could be used to analysis of dynamic modeling for a flexible structure in many industries such as automobiles, Shipbuilding, aircrafts and spacecraft with solar easured at current time step and the velocity and displacement were estimated through linear integration.
The main purpose of this paper is to apply differential transformation method(DTM) and generalized differential quadrature method(GDQM) to vibration analysis of Euler-Bernoulli beam with open cracks on elastic foundation. In this paper the concepts of DTM and GDQM were briefly introduced. The governing equation of motion of the beam with open cracks on elastic foundation is derived. The cracks are modeled by massless substitute spring. The effects of the crack location, size and the foundation constants, on the natural frequencies of the beam, are investigated. Numerical calculations are carried out and compared with previous published results.
Nonlinear vibration analysis of composite beam reinforced by carbon nanotubes resting on the nonlinear viscoelastic foundation is investigated in this study. The material properties of the composite beam is considered as a polymeric matrix by reinforced carbon nanotubes according to different distributions. With using Hamilton's principle, the governing nonlinear partial differential equations are derived based on the Euler-Bernoulli beam theory. In the nonlinear kinematic assumption, the Von Kármán nonlinearity is used. The Galerkin's decomposition technique is utilized to discretize the governing nonlinear partial differential equation to nonlinear ordinary differential equation and then is solved by using of multiple time scale method. The nonlinear natural frequency and the nonlinear free response of the system is obtained. In addition, the effects of different patterns of reinforcement, linear and nonlinear damping coefficients of the viscoelastic foundation on the nonlinear vibration responses and phase trajectory of the carbon nanotube reinforced composite beam are investigated.
The vibration of elastically supported bidirectional functionally graded (BDFG) sandwich beams on an elastic foundation is investigated. The sandwich structure is composed of upper and lower layers of BDFG material and the core layer of isotropic material. Material properties of upper and lower layers are assumed to vary continuously along the length and thickness of the beam with a power-law function. Hamilton's principle is used to deduce the vibration equations of motion of the sandwich Timoshenko beam. Then, the partial differential equation of motion is spatially discretized into a time-varying ordinary differential equation in terms of Chebyshev differential matrices. The eigenvalue equation associated with the free vibration is formulated to study the influence of various slenderness ratios, material gradient indexes, thickness ratios, foundation and support spring constants on the vibration frequency of BDFG sandwich beams. The present method can provide researchers with deep insight into the impact of various geometric, material, foundation and support parameters on the vibration behavior of BDFG sandwich beam structures.
This article covenants with the post buckling witticism of carbon nanotube reinforced composite (CNTRC) beam supported with an elastic foundation in thermal atmospheres with arbitrary assumed random system properties. The arbitrary assumed random system properties are be modeled as uncorrelated Gaussian random input variables. Unvaryingly distributed (UD) and functionally graded (FG) distributions of the carbon nanotube are deliberated. The material belongings of CNTRC beam are presumed to be graded in the beam depth way and appraised through a micromechanical exemplary. The basic equations of a CNTRC beam are imitative constructed on a higher order shear deformation beam (HSDT) theory with von-Karman type nonlinearity. The beam is supported by two parameters Pasternak elastic foundation with Winkler cubic nonlinearity. The thermal dominance is involved in the material properties of CNTRC beam is foreseen to be temperature dependent (TD). The first and second order perturbation method (SOPT) and Monte Carlo sampling (MCS) by way of CO nonlinear finite element method (FEM) through direct iterative way are offered to observe the mean, coefficient of variation (COV) and probability distribution function (PDF) of critical post buckling load. Archetypal outcomes are presented for the volume fraction of CNTRC, slenderness ratios, boundary conditions, underpinning parameters, amplitude ratios, temperature reliant and sovereign random material properties with arbitrary system properties. The present defined tactic is corroborated with the results available in the literature and by employing MCS.
For the spatially coupled free vibration analysis of composite box beams resting on elastic foundation under the axial force, the exact solutions are presented by using the power series method based on the homogeneous form of simultaneous ordinary differential equations. The general vibrational theory for the composite box beam with arbitrary lamination is developed by introducing Vlasov°Øs assumption. Next, the equations of motion and force-displacement relationships are derived from the energy principle and explicit expressions for displacement parameters are presented based on power series expansions of displacement components. Finally, the dynamic stiffness matrix is calculated using force-displacement relationships. In addition, the finite element model based on the classical Hermitian interpolation polynomial is presented. To show the performances of the proposed dynamic stiffness matrix of composite box beam, the numerical solutions are presented and compared with the finite element solutions using the Hermitian beam elements and the results from other researchers. Particularly, the effects of the fiber orientation, the axial force, the elastic foundation, and the boundary condition on the vibrational behavior of composite box beam are investigated parametrically. Also the emphasis is given in showing the phenomenon of vibration mode change.
The problem of sound radiation from infinite elastic beams under the action of harmonic point forces is studied. The reaction due to fluid loading on the vibratory response of the beam is taken into account. The beam is assumed to occupy the plane z = 0 and to be axially infinite. The beam material and the elastic foundation re assumed to be lossless and Bernoulli-Euler beam theory including a tension force (T), damping coefficient (C) and stiffness of foundation $(\kappa_s)$ will be employed. The non-dimensional sound power is derived through integration of the surface intensity distribution over the entire beam. The expression for sound power is integrated numerically and the results are examined as a function of wavenumber ratio$(\gamma)$ and stiffness factor$(\Psi)$. Here, our purpose is to explain the response of sound power over a number of non-dimensional parameters describing tension, stiffness, damping and foundation stiffness.
The problem of sound radiation from infinite elastic beams under the action on harmonic moving line forces is studies. The reaction due to fluid loading on the vibratory response of the beam is taken into account. The beam is assumed to occupy the plane z=0 and to be axially infinite. The beam material and elastic foundation are assumed to be lossless and Bernoulli-Euler beam theory including a tension force (T), damping coefficient (C) and stiffness of foundation $(\kappa_s)$ will be employed. The non-dimensional sound power is derived through integration of the surface intensity distribution over the entire beam. The expression for sound power is integrated numerically and the results examined as a function of Mach number (M), wavenumber ratio$(\gamma{)}$ and stiffness factor $(\Psi{)}$. Here, our purpose is to explain the response of sound power over a number of non-dimensional parameters describing tension, stiffness, damping and foundation stiffness.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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