The present paper explores nonlinear dynamical properties of piezo-magnetic beams based on a nonlocal refined higher-order beam formulation and piezoelectric phase effect. The piezoelectric phase increment may lead to improved vibrational behaviors for the smart beams subjected to magnetic fields and external harmonic excitation. Nonlinear governing equations of a nonlocal intelligent beam have been achieved based upon the refined beam model and a numerical provided has been introduced to calculate nonlinear vibrational curves. The present study indicates that variation in the volume fraction of piezoelectric ingredient has a substantial impact on vibrational behaviors of intelligent nanobeam under electrical and magnetic fields. Also, it can be seen that nonlinear free/forced vibrational behaviors of intelligent nanobeam have dependency on the magnitudes of induced electrical voltages, magnetic potential, stiffening elastic substrate and shear deformation.
Jie Wen;Abdul Hamid Sheikh;Md. Alhaz Uddin;A.B.M. Saiful Islam;Md. Arifuzzaman
Steel and Composite Structures
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v.48
no.6
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pp.693-708
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2023
Composite beams, two materials joined together, have become more common in structural engineering over the past few decades because they have better mechanical and structural properties. The shear connectors between their layers exhibit some deformability with finite stiffness, resulting in interfacial shear slip, a phenomenon known as partial shear interaction. Such a partial shear interaction contributes significantly to the composite beams. To provide precise predictions of the geometric nonlinear behavior shown by two-layered composite beams with interfacial shear slips, a robust analytical model has been developed that incorporates the influence of significant displacements. The application of a higher-order beam theory to the two material layers results in a third-order adjustment of the longitudinal displacement within each layer along the depth of the beam. Deformable shear connectors are employed at the interface to represent the partial shear interaction by means of a sequence of shear connectors that are evenly distributed throughout the beam's length. The Von-Karman theory of large deflection incorporates geometric nonlinearity into the governing equations, which are then solved analytically using the Navier solution technique. Suggested model exhibits a notable level of agreement with published findings, and numerical outputs derived from finite element (FE) model. Large displacement substantially reduces deflection, interfacial shear slip, and stress values. Geometric nonlinearity has a significant impact on beams with larger span-to-depth ratio and a greater degree of shear connector deformability. Potentially, the analytical model can accurately predict the geometric nonlinear responses of composite beams. The model has a high degree of generality, which might aid in the numerical solution of composite beams with varying configurations and shear criteria.
Zakaria Belabed;Abdeldjebbar Tounsi;Abdelmoumen Anis Bousahla;Abdelouahed Tounsi;Mohamed Bourada;Mohammed A. Al-Osta
Structural Engineering and Mechanics
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v.90
no.3
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pp.233-252
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2024
This research explores a new finite element model for the free vibration analysis of bi-directional functionally graded (BDFG) beams. The model is based on an efficient higher-order shear deformation beam theory that incorporates a trigonometric warping function for both transverse shear deformation and stress to guarantee traction-free boundary conditions without the necessity of shear correction factors. The proposed two-node beam element has three degrees of freedom per node, and the inter-element continuity is retained using both C1 and C0 continuities for kinematics variables. In addition, the mechanical properties of the (BDFG) beam vary gradually and smoothly in both the in-plane and out-of-plane beam's directions according to an exponential power-law distribution. The highly elevated performance of the developed model is shown by comparing it to conceptual frameworks and solution procedures. Detailed numerical investigations are also conducted to examine the impact of boundary conditions, the bi-directional gradient indices, and the slenderness ratio on the free vibration response of BDFG beams. The suggested finite element beam model is an excellent potential tool for the design and the mechanical behavior estimation of BDFG structures.
Ahmed, Ridha A.;Mustafa, Nader M.;Faleh, Nadhim M.;Fenjan, Raad M.
Structural Engineering and Mechanics
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v.76
no.3
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pp.413-420
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2020
Considering inverse cotangential shear strain function, the present paper studies nonlinear stability of nonlocal higher-order refined beams made of metal foams based on Chebyshev-Ritz method. Based on inverse cotangential beam model, it is feasible to incorporate shear deformations needless of shear correction factor. Metal foam is supposed to contain different distributions of pores across the beam thickness. Also, presented Chebyshev-Ritz method can provide a unified solution for considering various boundary conditions based on simply-supported and clamped edges. Nonlinear effects have been included based upon von-karman's assumption and nonlinear elastic foundation. The buckling curves are shown to be affected by pore distribution, geometric imperfection of the beam, nonlocal scale factor, foundation and geometrical factors.
Tharwat Osman;Salwa A. Mohamed;Mohamed A. Eltaher;Mashhour A. Alazwari;Nazira Mohamed
Steel and Composite Structures
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v.50
no.1
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pp.25-43
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2024
In this article, a mathematical model is developed to predict the dynamic behavior of bio-inspired composite beam with helicoidal orientation scheme under variable axial load using a unified higher order shear deformation beam theory. The geometrical kinematic relations of displacements are portrayed with higher parabolic shear deformation beam theory. Constitutive equation of composite beam is proposed based on plane stress problem. The variable axial load is distributed through the axial direction by constant, linear, and parabolic functions. The equations of motion and associated boundary conditions are derived in detail by Hamilton's principle. Using the differential quadrature method (DQM), the governing equations, which are integro-differential equations are discretized in spatial direction, then they are transformed into linear eigenvalue problems. The proposed model is verified with previous works available in literatures. Parametric analyses are developed to present the influence of axial load type, orthotropic ratio, slenderness ratio, lamination scheme, and boundary conditions on the natural frequencies of composite beam structures. The present enhanced model can be used especially in designing spacecrafts, naval, automotive, helicopter, the wind turbine, musical instruments, and civil structures subjected to the variable axial loads.
In this paper, free vibration finite element analysis of axially moving laminated composite beams subjected to axial tension is studied. It is assumed that the beam has a constant axial velocity and is subject to uniform axial tension. The analysis is based on higher-order theories that have been presented by Carrera Unified Formulation (CUF). In the CUF technique, the three dimensional (3D) displacement fields are expressed as the approximation of the arbitrary order of the displacement unknowns over the cross-section. This higher-order expansion is considered in equivalent single layer (ESL) model. The governing equations of motion are obtained via Hamilton's principle. Finally, several numerical examples are presented and the effect of the ply-angle, travelling speed and axial tension on the natural frequencies and beam stability are demonstrated.
Various transition elements are used in general for the effective finite element analysis of complicated mechanical structures. In this paper, a solid-to-beam transition finite element, which can b e used for connecting a C1-continuity beam element to a continuum solid element, is proposed. The shape functions of the transition finite element are derived to meet the compatibility condition, and a transition element equation is formulated by the conventional finite element procedure. In order to show the effectiveness and convergence characteristics of the proposed transition element, numerical tests are performed for various examples. As a result of this study, following conclusions are obtained. (1) The proposed transition element, which meets the compatibility of the primary variables, exhibits excellent accuracy. (2) In case of using the proposed transition element, the number of nodes in the finite element model may be considerably reduced and the model construction becomes more convenient. (3) This formulation method can be applied to the usage of higher order elements.
This paper proposes a new nonlocal higher-order hyperbolic shear deformation beam theory (HSBT) for the static bending and vibration of nanoscale-beams. Eringen's nonlocal elasticity theory is incorporated, in order to capture small size effects. In the present model, the transverse shear stresses account for a hyperbolic distribution and satisfy the free-traction boundary conditions on the upper and bottom surfaces of the nanobeams without using shear correction factor. Employing Hamilton's principle, the nonlocal equations of motion are derived. The governing equations are solved analytically for the edges of the beam are simply supported, and the obtained results are compared, as possible, with the available solutions found in the literature. Furthermore, the influences of nonlocal coefficient, slenderness ratio on the static bending and dynamic responses of the nanobeam are examined.
This research explores a new finite element model for the free vibration analysis of bi-directional functionally graded (BDFG) beams. The model is based on an efficient higher-order shear deformation beam theory that incorporates a trigonometric warping function for both transverse shear deformation and stress to guarantee traction-free boundary conditions without the necessity of shear correction factors. The proposed two-node beam element has three degrees of freedom per node, and the inter-element continuity is retained using both C1 and C0 continuities for kinematics variables. In addition, the mechanical properties of the (BDFG) beam vary gradually and smoothly in both the in-plane and out-of-plane beam's directions according to an exponential power-law distribution. The highly elevated performance of the developed model is shown by comparing it to conceptual frameworks and solution procedures. Detailed numerical investigations are also conducted to examine the impact of boundary conditions, the bi-directional gradient indices, and the slenderness ratio on the free vibration response of BDFG beams. The suggested finite element beam model is an excellent potential tool for the design and the mechanical behavior estimation of BDFG structures.
In this paper, an asymptotic method is employed to formulate nano- or micro-beams based on strain gradient elasticity. Although a basic theory for the strain gradient elasticity has been well established in literature, a systematic approach is relatively rare because of its complexity and ambiguity of higher-order elasticity coefficients. In order to systematically identify the strain gradient effect, an asymptotic approach is adopted by introducing the small parameter which represents the beam geometric slenderness and/or the internal atomistic characteristic. The approach allows us to systematically split the two-dimensional strain gradient elasticity into the microscopic one-dimensional through-the-thickness analysis and the macroscopic one-dimensional beam analysis. The first-order beam problem turns out to be different from the classical elasticity in terms of the bending stiffness, which comes from the through-the-thickness strain gradient effect. This subsequently affects the second-order transverse shear stress in which the surface shear stress exists. It is demonstrated that a careful derivation of a first strain gradient elasticity embraces "Gurtin-Murdoch traction" as the surface effect of a one-dimensional Euler-Bernoulli-like beam model.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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