The main purpose of this paper is to investigate the effects of rotatory inertia and shear deformation on the natural frequencies of arches with variable curvature. The differential equations are derived for the in-plane free vibration of linearly elastic arches of uniform stiffness and constant mass per unit length. The governing equations are solved numerically for parabolic, circular and elliptic geometries with hinged-hinged, hinged-clamped and clamped-clamped end constraints. For each cases, the four lowest frequency parameters are presented as functions of the two dimensionless system parameters; the arch rise to span length ratio, and the slenderness ratio.
Vibration of vertically aligned-monolayered-nonuniform nanorods consist of functionally graded materials with elastic supports has not been investigated yet. To fill this gap, the problem is examined using the elasticity theories of Eringen and Gurtin-Murdoch. The geometrical and mechanical properties of the surface layer and the bulk are allowed to vary arbitrarily across the length. The nonlocal-surface energy-based governing equations are established using differential-type and integro-type formulations, and solved by employing the Galerkin method by exploiting admissible modes approach and element-free Galerkin (EFG). Through various comparison studies, the effectiveness of the EFG in capturing both nonlocal-differential/integro-based frequencies is proved. A constructive parametric study is also conducted, and the roles of nanorods' diameter, length, stiffness of both inter-rod's elastic layer and elastic supports, power-law index of both constituent materials and geometry, nonlocal and surface effects on the dominant frequencies are revealed.
The reports regarding the free vibration analysis of uniform beams carrying single or multiple spring-mass systems are plenty, however, among which, those with inertia effect of the helical spring(s) considered are limited. In this paper, by taking the mass of the helical spring into consideration, the stiffness and mass matrices of a spring-mass system and an equivalent mass that may be used to replace the effect of a spring-mass system are derived. By means of the last element stiffness and mass matrices, the natural frequencies and mode shapes for a uniform cantilever beam carrying any number of springmass systems (or loaded beam) are determined using the conventional finite element method (FEM). Similarly, by means of the last equivalent mass, the natural frequencies and mode shapes of the same loaded beam are also determined using the presented equivalent mass method (EMM), where the cantilever beam elastically mounted by a number of lumped masses is replaced by the same beam rigidly attached by the same number of equivalent masses. Good agreement between the numerical results of FEM and those of EMM and/or those of the existing literature confirms the reliability of the presented approaches.
The present article addresses the coupled free vibration problem of skew magneto-electro-elastic plates (SMEE) considering the temperature-moisture dependent material properties. The plate kinematics follows Reddy's higher order shear deformation theory. With the aid of finite element methods, the governing equations of motion are derived considering the Hamilton's principle and solved by adopting condensation technique. The influence of different temperature and moisture dependent empirical constants on the frequency response of SMEE plate has been assessed. In addition, the natural frequencies corresponding to various fields are evaluated and the effect of empirical constants on these coupled frequencies is determined. A detailed parametric study has been carried out to assess the individual effects of temperature and moisture dependent empirical constants along with their combined effect, aspect ratio, length-to-width ratio, stacking sequence and boundary conditions. The results reveal that the external environment as well as the geometrical skewness has a significant influence on the stiffness of the SMEE plates.
Benhenni, Mohammed Amine;Daouadji, Tahar Hassaine;Abbes, Boussad;Abbes, Fazilay;Li, Yuming;Adim, Belkacem
Structural Engineering and Mechanics
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v.70
no.5
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pp.535-549
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2019
This study aimed to develop a high-order shear deformation theory to predict the free vibration of hybrid cross-ply laminated plates under different boundary conditions. The equations of motion for laminated hybrid rectangular plates are derived and obtained by using Hamilton's principle. The closed-form solutions of anti-symmetric cross-ply and angle-ply laminates are obtained by using Navier's solution. To assess the validity of our method, we used the finite element method. Firstly, the analytical and the numerical implementations were validated for an antisymmetric cross-ply square laminated with available results in the literature. Then, the effects of side-to-thickness ratio, aspect ratio, lamination schemes, and material properties on the fundamental frequencies for different combinations of boundary conditions of hybrid composite plates are investigated. The comparison of the analytical solutions with the corresponding finite element simulations shows the good accuracy of the proposed analytical closed form solution in predicting the fundamental frequencies of hybrid cross-ply laminated plates under different boundary conditions.
In the current research, the nonlinear free vibrations of curved pipes made of functionally graded (FG) carbon nanotube reinforced composite (CNTRC) materials are investigated. It is assumed that the FG-CNTRC curved pipe is supported on a three-parameter nonlinear elastic foundation and is subjected to a uniform temperature rise. Properties of the curved nanocomposite pipe are distributed across the radius of the pipe and are given by means of a refined rule of mixtures approach. It is also assumed that all thermomechanical properties of the nanocomposite pipe are temperature-dependent. The governing equations of the curved pipe are obtained using a higher order shear deformation theory, where the traction free boundary conditions are satisfied on the top and bottom surfaces of the pipe. The von Kármán type of geometrical non-linearity is included into the formulation to consider the large deflection in the curved nanocomposite pipe. For the case of nanocomposite curved pipes which are simply supported in flexure and axially immovable, the motion equations are solved using the two-step perturbation technique. The closed-form expressions are provided to obtain the small- and large-amplitude frequencies of FG-CNTRC curved pipes rested on a nonlinear elastic foundation in thermal environment. Numerical results are given to explore the effects of CNT distribution pattern, the CNT volume fraction, thermal environment, nonlinear foundation stiffness, and geometrical parameters on the fundamental linear and nonlinear frequencies of the curved nanocomposite pipe.
In order to establish a dynamic model test method of bridge pylons subjected to ocean waves, the similarity method of hydroelastic model test for bridge pylons were analyzed systematically, and a model design and production method was proposed. Using this method, a dynamic test model of a bridge pylon was made, and then a free vibration test on the model structure and a dynamic response test of the model structure under wave actions were conducted in a wave flume. The results of the free vibration test show that the primary natural frequencies of the structure by the model test are close to the design frequencies of the prototype structure, indicating that the dynamic characteristics of the bridge pylon are well simulated by the model structure. The results of the dynamic response test show that wave induced base shear forces and motion responses on the model structure are consistent with the numerical results of the prototype structure. The model test results confirm that the proposed model test design method is feasible and applicable. It has application and reference significances for model testing studies of such marine bridge structures.
This research addresses experimentally the relationship between the excitation frequency and both hoop and axial wall stresses in a water storage tank. A low-density polyethylene tank with six different aspect ratios (water level to tank radius) was tested using a shake table. A laminar box with sand represents a soil site to simulate Soil-Structure Interaction (SSI). Sine excitations with eight frequencies that cover the first free vibration frequency of the tank-water system were applied. Additionally, Ricker wavelet excitations of two different dominant frequencies were considered. The maximum stresses are compared with those using a nonlinear elastic spring-mass model. The results reveal that the coincidence between the excitation frequency and the free-vibration frequency of the soil-tank-water system increases the sloshing intensity and the rigid-like body motion of the system, amplifying the stress development considerably. The relationship between the excitation frequency and wall stresses is nonlinear and depends simultaneously on both sloshing and uplift. In most cases, the maximum stresses using the nonlinear elastic spring-mass model agree with those from the experiments.
The aim of this research is to investigate free vibration of a novel five layer Timoshenko microbeam which consists of a transversely flexible porous core made of Al-foam, two graphen platelets (GPL) nanocomposite reinforced layers to enhance the mechanical behavior of the structure as well as two piezo-magneto-electric face sheets layers. This microbeam is subjected to a thermal load and resting on Pasternak's foundation. To accomplish the analysis, constitutive equations of each layer are derived by means of nonlocal strain gradient theory (NSGT) to capture size dependent effects. Then, the Hamilton's principle is employed to obtain the equations of motion for five layer Timoshenko microbeam. They are subsequently solved analytically by applying Navier's method so that discretized governing equations are determined in form of dynamic matrix giving the possibility to gain the natural frequencies of the Timoshenko microbeam. Eventually, after a validation study, the numerical results are presented to study and discuss the influences of various parameters such as nonlocal parameter, strain gradient parameter, aspect ratio, porosity, various volume fraction and distributions of graphene platelets, temperature change and elastic foundation coefficients on natural frequencies of the sandwich microbeam.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.12
no.12
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pp.970-978
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2002
The differential equations governing free vibrations of the elastic arches with unsymmetric axis are derived in Cartesian coordinates rather than in polar coordinates. in which the effect of rotatory inertia is included. Frequencies and mode shapes are computed numerically for parabolic arches with both clamped ends and both hinged ends. Comparisons of natural frequencies between this study and SAP 2000 are made to validate theories and numerical methods developed herein. The convergent efficiency is highly improved under the newly derived differential equations in Cartesian coordinates. The lowest four natural frequency parameters are reported, with and without the rotatory inertia, as functions of three non-dimensional system parameters the rise to chord length ratio. the span length to chord length ratio, and the slenderness ratio. Also typical mode shapes of vibrating arches are presented.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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