There are different kinds of aircrafts, such as conventional airplane, rotorcraft, fighter, and unmanned aerial vehicle. Their shape and feature are dependent upon their assigned mission. One of the fundamental analyses during the design of the aircraft is the structural analysis. The structural analysis becomes more complicated and needs more computations because of the on-going complex aircrafts' structure. In order for efficiency in the structural analysis, a simplified approach, such as equivalent beam or plate model, is preferred. However, it is not clear which analysis will be appropriate to analyze the realistic configuration, i.e., an equivalent beam or plate analysis for an aircraft wing. It is necessary to assess the boundary between the one-dimensional beam analysis and the two-dimensional plate theory for an accurate structural analysis. Thus, in this paper, the static structural analysis results obtained by EDISON solvers were compared with the three-dimesional results obtained from MSC NASTRAN. Before that, EDISON program was verified by comparing the results with those from MSC NASTRAN program and analytic solution.
Gradient elastic flexural beams are dynamically analysed by analytic means. The governing equation of flexural beam motion is obtained by combining the Bernoulli-Euler beam theory and the simple gradient elasticity theory due to Aifantis. All possible boundary conditions (classical and non-classical or gradient type) are obtained with the aid of a variational statement. A wave propagation analysis reveals the existence of wave dispersion in gradient elastic beams. Free vibrations of gradient elastic beams are analysed and natural frequencies and modal shapes are obtained. Forced vibrations of these beams are also analysed with the aid of the Laplace transform with respect to time and their response to loads with any time variation is obtained. Numerical examples are presented for both free and forced vibrations of a simply supported and a cantilever beam, respectively, in order to assess the gradient effect on the natural frequencies, modal shapes and beam response.
In the present article bending, buckling and vibration analyses of tapered beams using Eringen non-local elasticity theory are being carried out. The associated governing differential equations are solved employing Rayleigh-Ritz method. Both Euler-Bernoulli and Timoshenko beam theories are considered in the analyses. Present results are in good agreement with those reported in literature. Beam material is considered to be made up of functionally graded materials (fgms). Non-local analyses for tapered beam with simply supported - simply supported, clamped - simply supported and clamped - free boundary conditions are carried out and discussed. Further, effect of length to height ratio on maximum deflections, vibration frequencies and critical buckling loads are studied.
Bernoulli-Euler beam theory is used to develop an exact dynamic stiffness matrix for the flexural-torsional coupled motion of a three-dimensional, axially loaded, thin-walled beam of doubly asymmetric cross-section. This is achieved through solution of the differential equations governing the motion of the beam including warping stiffness. The uniform distribution of mass in the member is also accounted for exactly, thus necessitating the solution of a transcendental eigenvalue problem. This is accomplished using the Wittrick-Williams algorithm. Finally, examples are given to confirm the accuracy of the theory presented, together with an assessment of the effects of axial load and loading eccentricity.
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.
Hamed, Mostafa A.;Sadoun, Ayman M.;Eltaher, Mohamed A.
Structural Engineering and Mechanics
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v.71
no.1
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pp.89-98
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2019
In this study, the mechanical bending behaviors of functionally graded porous nanobeams are investigated. Four types of porosity which are, the classical power porosity function, the symmetric with mid-plane cosine function, bottom surface distribution and top surface distribution are proposed in analysis of nanobeam for the first time. A comparison between four types of porosity are illustrated. The effect of nano-scale is described by the differential nonlocal continuum theory of Eringen by adding the length scale into the constitutive equations as a material parameter comprising information about nanoscopic forces and its interactions. The graded material is designated by a power function through the thickness of nanobeam. The beam is simply-supported and is assumed to be thin, and hence, the kinematic assumptions of Euler-Bernoulli beam theory are held. The mathematical model is solved numerically using the finite element method. Numerical results show effects of porosity type, material graduation, and nanoscale parameters on the static deflection of nanobeam.
Nonlinear free vibration and stability responses of a carbon nanotube reinforced composite beam under temperature rising are investigated in this paper. The material of the beam is considered as a polymeric matrix by reinforced the single-walled carbon nanotubes according to different distributions with temperature-dependent physical properties. With using the Hamilton's principle, the governing nonlinear partial differential equation is 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 critical buckling temperatures, the nonlinear natural frequencies and the nonlinear free response of the system is obtained. The effect of different patterns of reinforcement on the critical buckling temperature, nonlinear natural frequency, nonlinear free response and phase plane trajectory of the carbon nanotube reinforced composite beam investigated with temperature-dependent physical property.
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.
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.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2008.11a
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pp.71-81
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2008
This paper proposes a spectral element which can represent dynamic responses in high frequency domain such as Lamb waves 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 piezoelectric layer (PZT layer) bonded on a base plate. In the two layer beam model, a PZT layer is assumed to be rigidly bonded on a base beam. 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 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 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 formulated through equations of motions converted into frequency domain. A 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 comparison results with the conventional 2-D FEM and the previously developed spectral elements.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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