A linearised buckling analysis of thin-walled beams is addressed in this paper. Beam theories formulated according to a unified approach are presented. The displacement unknown variables on the cross-section of the beam are approximated via Mac Laurin's polynomials. The governing differential equations and the boundary conditions are derived in terms of a fundamental nucleo that does not depend upon the expansion order. Classical beam theories such as Euler-Bernoulli's and Timoshenko's can be retrieved as particular cases. Slender and deep beams are investigated. Flexural, torsional and mixed buckling modes are considered. Results are assessed toward three-dimensional finite element solutions. The numerical investigations show that classical and lower-order theories are accurate for flexural buckling modes of slender beams only. When deep beams or torsional buckling modes are considered, higher-order theories are required.
In this paper Timoshenko beam theory is employed to investigate the vibration characteristics of functionally graded carbon nanotube-reinforced composite (FG-CNTRC) Beams with a stiff core in thermal environment. The material characteristic of carbon nanotubes (CNT) are supposed to change in the thickness direction in a functionally graded form. They can also be calculated through a micromechanical model where the CNT efficiency parameter is determined by matching the elastic modulus of CNTRCs calculated from the rule of mixture with those gained from the molecular dynamics simulations. The differential transform method (DTM) which is established upon the Taylor series expansion is one of the effective mathematical techniques employed to the differential governing equations of sandwich beams. Effects of carbon nanotube volume fraction, slenderness ratio, core-to-face sheet thickness ratio, different thermal environment and various boundary conditions on the free vibration characteristics of FG-CNTRC sandwich beams are studied. It is observed that vibration response of FG-CNTRC sandwich beams is prominently influenced by these parameters.
Based on a fast and accurate method for the stationary random seismic response analysis for discretized structures(Lin 1992, Lin et al. 1992), a Ritz method for dealing with such responses of continuous systems in developed. This method is studied quantitatively, using cantilever shear beams for simplicity and clarity. The process can be naturally extended to deal with various boundary conditions as well as non-uniform Bernoulli-Euler beams, or even Timoshenko beams. Algorithms for both proportionally and non-proportionally damped responses are described. For all of such damping cases, it is not necessary to solve for the natural vibrations of the beams. The solution procedure is very simple, and equally efficient for a white or a non-white ground excitation spectrum. Two examples are given where various power spectral density functions, variances, covariances and second spectral moments of displacement, internal force response, and their derivatives are calculated and analyses. Some Ritz solutions are compared with "exact" CQC solutions.
Thermo-mechanical vibration of sandwich beams with a stiff core and face sheets made of functionally graded carbon nanotube-reinforced composite (FG-CNTRC) is investigated within the framework of Timoshenko beam theory. The material properties of FG-CNTRC are supposed to vary continuously in the thickness direction and are estimated through the rule of mixture and are considered to be temperature dependent. The governing equations and boundary conditions are derived by using Hamilton's principle and are solved using an efficient semi-analytical technique of the differential transform method (DTM). Comparison between the results of the present work and those available in literature shows the accuracy of this method. A parametric study is conducted to study the effects of carbon nanotube volume fraction, slenderness ratio, core-to-face sheet thickness ratio, and various boundary conditions on free vibration behavior of sandwich beams with FG-CNTRC face sheets. It is explicitly shown that the vibration characteristics of the curved nanosize beams are significantly influenced by the surface density effects.
In this work, a trigonometric refined beam theory for the bending, buckling and free vibration analysis of carbon nanotube-reinforced composite (CNTRC) beams resting on elastic foundation is developed. The significant feature of this model is that, in addition to including the shear deformation effect, it deals with only 3 unknowns as the Timoshenko beam (TBM) without including a shear correction factor. The single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) are aligned and distributed in polymeric matrix with different patterns of reinforcement. The material properties of the CNTRC beams are assessed by employing the rule of mixture. To examine accuracy of the present theory, several comparison studies are investigated. Furthermore, the effects of different parameters of the beam on the bending, buckling and free vibration responses of CNTRC beam are discussed.
In this study, free vibration analysis of an edge cracked multilayered symmetric sandwich beams made of functionally graded materials are investigated. Modelling of the cracked structure is based on the linear elastic fracture mechanics theory. Material properties of the functionally graded beams change in the thickness direction according to the power and exponential laws. To represent functionally graded symmetric sandwich beams more realistic, fifty layered beam is considered. Composition of each layer is different although each layer is isotropic and homogeneous. The considered problem is carried out within the Timoshenko first order shear deformation beam theory by using finite element method. A MATLAB code developed to calculate natural frequencies for clamped and simply supported conditions. The obtained results are compared with published studies and excellent agreement is observed. In the study, the effects of crack location, depth of the crack, power law index and slenderness ratio on the natural frequencies are investigated.
Nazira Mohamed;Salwa A. Mohamed;Alaa A. Abdelrhmaan;Mohamed A. Eltaher
Steel and Composite Structures
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제46권6호
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pp.759-772
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2023
This manuscript presents a comprehensive mathematical model to investigate buckling stability and postbuckling response of bio-inspired composite beams with helicoidal orientations. The higher order shear deformation theory as well as the Timoshenko beam theories are exploited to include the shear influence. The equilibrium nonlinear integro-differential equations of helicoidal composite beams are derived in detail using the energy conservation principle. Differential integral quadrature method (DIQM) is employed to discretize the nonlinear system of differential equations and solve them via the Newton iterative method then obtain the response of helicoidal composite beam. Numerical calculations are carried out to check the validity of the present solution methodology and to quantify the effects of helicoidal rotation angle, elastic foundation constants, beam theories, geometric and material properties on buckling, postbuckling of bio-inspired helicoidal composite beams. The developed model can be employed in design and analysis of curved helicoidal composite beam used in aerospace and naval structures.
In this paper, free vibration of rotating beam with random properties is studied. The cross-sectional area, elasticity modulus, moment of inertia, shear modulus and density are modeled as random fields and the rotational speed as a random variable. To study uncertainty, stochastic finite element method based on second order perturbation method is applied. To discretize random fields, the three methods of midpoint, interpolation and local average are applied and compared. The effects of rotational speed, setting angle, random property variances, discretization scheme, number of elements, correlation of random fields, correlation function form and correlation length on "Coefficient of Variation" (C.O.V.) of first mode eigenvalue are investigated completely. To determine the significant random properties on the variation of first mode eigenvalue the sensitivity analysis is performed. The results are studied for both Timoshenko and Bernoulli-Euler rotating beam. It is shown that the C.O.V. of first mode eigenvalue of Timoshenko and Bernoulli-Euler rotating beams are approximately identical. Also, compared to uncorrelated random fields, the correlated case has larger C.O.V. value. Another important result is, where correlation length is small, the convergence rate is lower and more number of elements are necessary for convergence of final response.
Mohammad Khorasani;Luca Lampani;Abdelouahed Tounsi
Steel and Composite Structures
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제47권5호
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pp.633-644
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2023
Taking a look at the previously published papers, it is revealed that there is a porosity index limitation (around 0.35) for the mechanical behavior analysis of the functionally graded porous (FGP) structures. Over mentioned magnitude of the porosity index, the elastic modulus falls below zero for some parts of the structure thickness. Therefore, the current paper is presented to analyze the vibrational behavior of the FGP Timoshenko beams (FGPTBs) using a novel refined formulation regardless of the porosity index magnitude. The silica aerogel foundation and various hydrothermal loadings are assumed as the source of external forces. To obtain the FGPTB's properties, the power law is hired, and employing Hamilton's principle in conjunction with Navier's solution method, the governing equations are extracted and solved. In the end, the impact of the various variables as different beam materials, elastic foundation parameters, and porosity index is captured and displayed. It is revealed that changing hygrothermal loading from non-linear toward uniform configuration results in non-dimensional frequency and stiffness pushing up. Also, Al - Al2O3 as the material composition of the beam and the porosity presence with the O pattern, provide more rigidity in comparison with using other materials and other types of porosity dispersion. The presented computational model in this paper hopes to help add more accuracy to the structures' analysis in high-tech industries.
In the present study, the nonlinear magneto-electro-mechanical free vibration behavior of rectangular double-bonded sandwich microbeams based on the modified strain gradient theory (MSGT) is investigated. It is noted that the top and bottom sandwich microbeams are considered with boron nitride nanotube reinforced composite face sheets (BNNTRC-SB) with electrical properties and carbon nanotube reinforced composite face sheets (CNTRC-SB) with magnetic fields, respectively, and also the homogenous core is used for both sandwich beams. The connections of every sandwich beam with its surrounding medium and also between them have been carried out by considering Pasternak foundations. To take size effect into account, the MSGT is introduced into the classical Timoshenko beam theory (CT) to develop a size-dependent beam model containing three additional material length scale parameters. For the CNTRC and BNNTRC face sheets of sandwich microbeams, uniform distribution (UD) and functionally graded (FG) distribution patterns of CNTs or BNNTs in four cases FG-X, FG-O, FG-A, and FG-V are employed. It is assumed that the material properties of face sheets for both sandwich beams are varied in the thickness direction and estimated through the extended rule of mixture. On the basis of the Hamilton's principle, the size-dependent nonlinear governing differential equations of motion and associated boundary conditions are derived and then discretized by using generalized differential quadrature method (GDQM). A detailed parametric study is presented to indicate the influences of electric and magnetic fields, slenderness ratio, thickness ratio of both sandwich microbeams, thickness ratio of every sandwich microbeam, dimensionless three material length scale parameters, Winkler spring modulus and various distribution types of face sheets on the first two natural frequencies of double-bonded sandwich microbeams. Furthermore, a comparison between the various beam models on the basis of the CT, modified couple stress theory (MCST), and MSGT is performed. It is illustrated that the thickness ratio of sandwich microbeams plays an important role in the vibrational behavior of the double-bonded sandwich microstructures. Meanwhile, it is concluded that by increasing H/lm, the values of first two natural frequencies tend to decrease for all amounts of the Winkler spring modulus.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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