The pointwise equilibrium polynomial (PEP) element considering local second-order effect has been widely used in direct analysis of many practical engineering structures. However, it was derived according to Euler-Bernoulli beam theory and therefore it cannot consider shear deformation, which may lead to inaccurate prediction for deep beams. In this paper, a novel beam-column element based on Timoshenko beam theory is proposed to overcome the drawback of PEP element. A fifth-order polynomial is adopted for the lateral deflection of the proposed element, while a quadric shear strain field based on equilibrium equation is assumed for transverse shear deformation. Further, an additional quadric function is adopted in this new element to account for member initial geometrical imperfection. In conjunction with a reliable and effective three-dimensional (3D) co-rotational technique, the proposed element can consider both member initial imperfection and transverse shear deformation for second-order direct analysis of frame structures. Some benchmark problems are provided to demonstrate the accuracy and high performance of the proposed element. The significant adverse influence on structural behaviors due to shear deformation and initial imperfection is also discussed.
A free vibration analysis is made of a moderately-thick toroidal shell based on a shear deformation (Timoshenko-Mindlin) shell theory. This work represents an extension of earlier work by the authors which was based on a thin (Kirchoff-Love) shell theory. The analysis uses a modal approach in the circumferential direction, and numerical results are found using the differential quadrature method (DQM). The analysis is first developed for a shell of revolution of arbitrary meridian, and then specialized to a complete circular toroidal shell. A second analysis, based on the three-dimensional theory of elasticity, is presented to cover thick shells. The shear deformation theory is validated by comparing calculated results with previously published results for fifteen cases, found using thin shell theory, moderately-thick shell theory, and the theory of elasticity. Consistent agreement is observed in the comparison of different results. New frequency results are then given for moderately-thick and thick toroidal shells, considered to be completely free. The results indicate the usefulness of the shear deformation theory in determining natural frequencies for toroidal shells.
Kim, Jung Ho;Kwak, Jong Hoon;Lee, Jung Woo;Lee, Jung Youn
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.26
no.2
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pp.179-186
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2016
This paper presents a numerical method that can evaluate the effect of crack for the in-plane bending vibration of Timoshenko beam. The method is a transfer matrix method that the element transfer matrix is deduced from the element dynamic stiffness matrix. An edge crack is expressed as a rotational spring, and then is formulated as an independent transfer matrix. To demonstrate the accuracy of this theory, the results computed from the present are compared with those obtained from the commercial finite element analysis program. Based on these comparison results, a parametric study is performed to analyze the effects for the size and locations of crack.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.20
no.5
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pp.460-469
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2010
This paper presents the analysis of a time reversal process for $A_0$ Lamb wave mode($A_0$ mode) on a rectangular plate. The dispersion characteristic equation of the $A_0$ mode is approximated using the Timoshenko beam theory. A virtual sensor array model is developed to consider the effects of reflections occurring on the plate boundary on the time reversal process. The time reversal process is formulated in the frequency domain using the virtual sensor array model. The reconstructed signal is obtained in the time domain through an inverse fast Fourier transform. The validity of the proposed method is demonstrated through the comparison to the numerical simulation results computed by the finite element analysis.
Based on the Reissner mixed variational theorem (RMVT), the authors present a nonlocal Timoshenko beam theory (TBT) for the nonlinear free vibration analysis of multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) embedded in an elastic medium. In this formulation, four different edge conditions of the embedded MWCNT are considered, two different models with regard to the van der Waals interaction between each pair of walls constituting the MWCNT are considered, and the interaction between the MWCNT and its surrounding medium is simulated using the Pasternak-type foundation. The motion equations of an individual wall and the associated boundary conditions are derived using Hamilton's principle, in which the von $K{\acute{a}}rm{\acute{a}}n$ geometrical nonlinearity is considered. Eringen's nonlocal elasticity theory is used to account for the effects of the small length scale. Variations of the lowest frequency parameters with the maximum modal deflection of the embedded MWCNT are obtained using the differential quadrature method in conjunction with a direct iterative approach.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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1999.11a
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pp.5-14
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1999
Free vibration characteristics of a cantilevered laminated composite beam with multiple non-propagating transverse open cracks are investigated. In the present analysis a special ply-angle distribution referred to as asymmetric stiffness configuration inducing the elastic coupling between chord-wise bending and extension is considered. The multiple open cracks are modelled as equivalent rotational springs whose spring constants are calculated based on the fracture mechanics of composite material structures. Governing equations of a composite beam with open cracks are derived via Hamilton's Principle and Timoshenko beam theory encompassing transverse shear and rotary inertia effect is adopted. The effects of various parameters such as the ply angle, fiber volume fraction, crack numbers, crack positions and crack depthes on the free vibration characteristics of the beam with multiple cracks are highlighted. The numerical results show that the existence of the multiple cracks in an anisotropic composite beam affects the free vibration characteristics in a more complex fashion compared with the beam with a single crack.
A three-dimensional formulation is proposed to analyze the lateral loading distribution of external actions in high-rise buildings. The method is extended to encompass any combination of bracings, including bracings with open thin-walled cross-sections, which are analyzed in the framework of Timoshenko-Vlasov's theory of sectorial areas. More in detail, the proposed unified approach is a tool for the preliminary stages of structural design. It considers infinitely rigid floors in their own planes, and allows to better understand stress and strain distributions in the different bearing elements if compared to a finite element analysis. Numerical examples, describing the structural response of tall buildings characterized by bracings with different cross-section and height, show the effectiveness and flexibility of the proposed method. The accuracy of the results is investigated by a comparison with finite element solutions, in which the bracings are modelled as three-dimensional structures by means of shell elements.
Using the non-local elasticity theory, Timoshenko beam model is developed to study the non- local buckling of Triple-walled carbon nanotubes (TWCNTs) embedded in an elastic medium under axial compression. The chirality and small scale effects are considered. The effects of the surrounding elastic medium based on a Winkler model and van der Waals' (vdW) forces between the inner and middle, also between the middle and outer nanotubes are taken into account. Considering the small-scale effects, the governing equilibrium equations are derived and the critical buckling loads under axial compression are obtained. The results show that the critical buckling load can be overestimated by the local beam model if the small-scale effect is overlooked for long nanotubes. In addition, significant dependence of the critical buckling loads on the chirality of zigzag carbon nanotube is confirmed. Furthermore, in order to estimate the impact of elastic medium on the non-local critical buckling load of TWCNTs under axial compression, the use of these findings are important in mechanical design considerations, improve and reinforcement of devices that use carbon nanotubes.
Recently, promising structural technologies like multi-function, ultra-load bearing capacity and tailored structures have been put up for discussions. Finite Element (FE) modelling is probably the best-known option capable of treating these superior properties and multi-domain behavior structures. However, advanced materials such as Functionally Graded Material (FGM) and nanocomposites suffer from problems resulting from variable material properties, reinforcement aggregation and mesh generation. Motivated by these factors, this research proposes a unified shape function for FGM, nanocomposites, graded nanocomposites, in addition to traditional isotropic and orthotropic structural materials. It depends not only on element length but also on the beam's material properties and geometric characteristics. The systematic mathematical theory and FE formulations are based on the Timoshenko beam theory for beam structure. Furthermore, the introduced element achieves C1 degree of continuity. The model is proved to be convergent and free-off shear locking. Moreover, numerical results for static and free vibration analysis support the model accuracy and capabilities by validation with different references. The proposed technique overcomes the issue of continuous properties modelling of these promising materials without discarding older ones. Therefore, introduced benchmark improvements on the FE old concept could be extended to help the development of new software features to confront the rapid progress of structural materials.
Bending, buckling and free vibration responses of functionally graded (FG) higher-order beams resting on two parameter (Winkler-Pasternak) elastic foundation are studied using a new inverse hyperbolic beam theory. The material properties of the beam are graded along the thickness direction according to the power-law distribution. In the present theory, the axial displacement accounts for an inverse hyperbolic distribution, and the transverse shear stress satisfies the traction-free boundary conditions on the top and bottom surfaces of the beams. Hamilton's principle is employed to derive the governing equations of motion. Navier type analytical solutions are obtained for the bending, bucking and vibration problems. Numerical results are obtained to investigate the effects of power-law index, length-to-thickness ratio and foundation parameter on the displacements, stresses, critical buckling loads and frequencies. Numerical results by using parabolic beam theory of Reddy and first-order beam theory of Timoshenko are specially generated for comparison of present results and found in excellent agreement with each other.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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