An analytical solution for the shape functions of a beam segment supported on a generalized two-parameter elastic foundation is derived. The solution is general, and is not restricted to a particular range of magnitudes of the foundation parameters. The exact shape functions can be utilized to derive exact analytic expressions for the coefficients of the element stiffness matrix, work equivalent nodal forces for arbitrary transverse loads and coefficients of the consistent mass and geometrical stiffness matrices. As illustration, each distinct coefficient of the element stiffness matrix is compared with its conventional counterpart for a beam segment supported by no foundation at all for the entire range of foundation parameters.
In this article, buckling and free vibration of functionally graded (FG) nanobeams resting on elastic foundation are investigated by developing various higher order beam theories which capture shear deformation influences through the thickness of the beam without the need for shear correction factors. The elastic foundation is modeled as linear Winkler springs as well as Pasternak shear layer. The material properties of FG nanobeam are supposed to change gradually along the thickness through the Mori-Tanaka model. The small scale effect is taken into consideration based on nonlocal elasticity theory of Eringen. From Hamilton's principle, the nonlocal governing equations of motion are derived and then solved applying analytical solution. To verify the validity of the developed theories, the results of the present work are compared with those available in literature. The effects of shear deformation, elastic foundation, gradient index, nonlocal parameter and slenderness ratio on the buckling and free vibration behavior of FG nanobeams are studied.
Ebrahimi, Farzad;Barati, Mohammad Reza;Zenkour, Ashraf M.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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제18권2호
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pp.255-269
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2017
Free vibration analysis is presented for a simply-supported, functionally graded piezoelectric (FGP) nanobeam embedded on elastic foundation in the framework of third order parabolic shear deformation beam theory. Effective electro-mechanical properties of FGP nanobeam are supposed to be variable throughout the thickness based on power-law model. To incorporate the small size effects into the local model, Eringen's nonlocal elasticity theory is adopted. Analytical solution is implemented to solve the size-dependent buckling analysis of FGP nanobeams based upon a higher order shear deformation beam theory where coupled equations obtained using Hamilton's principle exist for such beams. Some numerical results for natural frequencies of the FGP nanobeams are prepared, which include the influences of elastic coefficients of foundation, electric voltage, material and geometrical parameters and mode number. This study is motivated by the absence of articles in the technical literature and provides beneficial results for accurate FGP structures design.
Shokrieh, Mahmood Mehrdad;Heidari-Rarani, Mohammad
Structural Engineering and Mechanics
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제37권2호
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pp.149-162
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2011
The aim of this research is a comprehensive review and evaluation of beam theories resting on elastic foundations that used to model mode-I delamination in multidirectional laminated composite by DCB specimen. A compliance based approach is used to calculate critical strain energy release rate (SERR). Two well-known beam theories, i.e. Euler-Bernoulli (EB) and Timoshenko beams (TB), on Winkler and Pasternak elastic foundations (WEF and PEF) are considered. In each case, a closed-form solution is presented for compliance versus crack length, effective material properties and geometrical dimensions. Effective flexural modulus ($E_{fx}$) and out-of-plane extensional stiffness ($E_z$) are used in all models instead of transversely isotropic assumption in composite laminates. Eventually, the analytical solutions are compared with experimental results available in the literature for unidirectional ($[0^{\circ}]_6$) and antisymmetric angle-ply ($[{\pm}30^{\circ}]_5$, and $[{\pm}45^{\circ}]_5$) lay-ups. TB on WEF is a simple model that predicts more accurate results for compliance and SERR in unidirectional laminates in comparison to other models. TB on PEF, in accordance with Williams (1989) assumptions, is too stiff for unidirectional DCB specimens, whereas in angle-ply DCB specimens it gives more reliable results. That it shows the effects of transverse shear deformation and root rotation on SERR value in composite DCB specimens.
In recent years, study of the static response of pavements to moving vehicle and aircraft loads has received significant attention because of its relevance to the design of pavements and airport runways. The static response of beams resting on an elastic foundation and subjected to moving loads was studied by several researchers in the past. However, most of these studies were limited to steady-state analytical solutions for infinitely long beams resting on Winkler-type elastic foundations. Although the modelling of subgrade as a continuum is more accurate, such an approach can hardly be incorporated in analysis due to its complexity. In contrast, the two-parameter foundation model provides a better way for simulating the underlying soil medium and is conceptually more appealing than the one-parameter (Winkler) foundation model. The finite element method is one of the most suitable mathematical tools for analysing rigid pavements under moving loads. This paper presents an improved solution algorithm based on the finite element method for the static analysis of rigid pavements under moving vehicular or aircraft loads. The concrete pavement is discretized by finite and infinite beam elements, with the latter for modelling the infinity boundary conditions. The underlying soil medium is modelled by the Pasternak model allowing the shear interaction to exist between the spring elements. This can be accomplished by connecting the spring elements to a layer of incompressible vertical elements that can deform in transverse shear only. The deformations and forces maintaining equilibrium in the shear layer are considered by assuming the shear layer to be isotropic. A parametric study is conducted to investigate the effect of the position of moving loads on the response of pavement.
Ali Alnujaie;Alaa A. Abdelrahman;Abdulrahman M. Alanasari;Mohamed A. Eltaher
Steel and Composite Structures
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제49권4호
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pp.361-380
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2023
A size dependent bending behavior of piezoelectrical flexoelectric layered perforated functionally graded (FG) composite nanobeam rested on an elastic foundation is investigated analytically. The composite beam is composed of regularly cutout FG core and two piezoelectric face sheets. The material characteristics is graded through the core thickness by power law function. Regular squared cutout perforation pattern is considered and closed forms of the equivalent stiffness parameters are derived. The modified nonlocal strain gradient elasticity theory is employed to incorporate the microstructure as well as nonlocality effects into governing equations. The Winkler as well as the Pasternak elastic foundation models are employed to simulate the substrate medium. The Hamiltonian approach is adopted to derive the governing equilibrium equation including piezoelectric and flexoelectric effects. Analytical solution methodology is developed to derive closed forms for the size dependent electromechanical as well as mechanical bending profiles. The model is verified by comparing the obtained results with the available corresponding results in the literature. To demonstrate the applicability of the developed procedure, parametric studies are performed to explore influences of gradation index, elastic medium parameters, flexoelectric and piezoelectric parameters, geometrical and peroration parameters, and material parameters on the size dependent bending behavior of piezoelectrically layered PFG nanobeams. Results obtained revealed the significant effects both the flexoelectric and piezoelectric parameters on the bending behavior of the piezoelectric composite nanobeams. These parameters could be controlled to improve the size dependent electromechanical as well as mechanical behaviors. The obtained results and the developed procedure are helpful for design and manufacturing of MEMS and NEMS.
Belmahi, Samir;Zidour, Mohamed;Meradjah, Mustapha;Bensattalah, Tayeb;Dihaj, Ahmed
Structural Engineering and Mechanics
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제67권5호
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pp.517-525
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2018
In this study, we investigate the vibration of single-walled carbon nanotubes embedded in a polymeric matrix using nonlocal elasticity theories with account arbitrary boundary conditions effects. A Winkler type elastic foundation is employed to model the interaction of nanobeam and the surrounding elastic medium. Influence of all parameters such as nonlocal small-scale effects, Winkler modulus parameter, vibration mode and aspect ratio of nanobeam on the vibration frequency are analyzed and discussed. The mechanical properties of carbon nanotubes and polymer matrix are treated and an analytical solution is derived using the governing equations of the nonlocal Euler-Bernoulli beam models. Solutions have been compared with those obtained in the literature and The results obtained show that the non-dimensional natural frequency is significantly affected by the small-scale coefficient, the vibrational mode number and the elastic medium.
This paper investigates the buckling behavior of shear deformable piezoelectric (FGP) nanoscale beams made of functionally graded (FG) materials embedded in Winkler-Pasternak elastic medium and subjected to an electro-magnetic field. Magneto-electro-elastic (MEE) properties of piezoelectric nanobeam are supposed to be graded continuously in the thickness direction based on power-law model. To consider the small size effects, Eringen's nonlocal elasticity theory is adopted. Employing Hamilton's principle, the nonlocal governing equations of the embedded piezoelectric nanobeams are obtained. A Navier-type analytical solution is applied to anticipate the accurate buckling response of the FGP nanobeams subjected to electro-magnetic fields. To demonstrate the influences of various parameters such as, magnetic potential, external electric voltage, power-law index, nonlocal parameter, elastic foundation and slenderness ratio on the critical buckling loads of the size-dependent MEE-FG nanobeams, several numerical results are provided. Due to the shortage of same results in the literature, it is expected that the results of the present study will be instrumental for design of size-dependent MEE-FG nanobeams.
Selvamani, Rajendran;Jayan, M. Mahaveer Sree;Ebrahimi, Farzad
Coupled systems mechanics
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제10권1호
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pp.39-60
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2021
The present paper is concerned with the study of nonlinear ultrasonic waves in a magneto thermo (MT) elastic armchair single-walled carbon nanotube (ASWCNT) resting on polymer matrix. The analytical formulation is developed based on Eringen's nonlocal elasticity theory to account small scale effect. After developing the formal solution of the mathematical model consisting of partial differential equations, the frequency equations have been analyzed numerically by using the nonlinear foundations supported by Winkler-Pasternak model. The solution is obtained by ultrasonic wave dispersion relations. Parametric work is carried out to scrutinize the influence of the non local scaling, magneto-mechanical loadings, foundation parameters, various boundary condition and length on the dimensionless frequency of nanotube. It is noticed that the boundary conditions, nonlocal parameter, and tube geometrical parameters have significant effects on dimensionless frequency of nano tubes. The results presented in this study can provide mechanism for the study and design of the nano devices like component of nano oscillators, micro wave absorbing, nano-electron technology and nano-electro- magneto-mechanical systems (NEMMS) that make use of the wave propagation properties of armchair single-walled carbon nanotubes embedded on polymer matrix.
Ice rubble pieces broken by the bow impact load and side hull of an icebreaking vessel usually pass along the ship's bottom hull and may hit the propeller/rudder or other stern structures causing serious damage to ship's hull . Therefore it is important to estimate the size of broken ice pieces during the icebreaking process. The dynamic interaction process of icebreaker with infinite ice sheet is simplified as a wedge type beam of finite length supported by elastic foundation. The wedge type ice beam is leaded with vertical impact forces due to the inclined bow stem of icebreaking vessels. The numerical model provides locations of maximum dynamic bending moment where extreme tensile stress arises and also possible fracture occurs. The model can predict a failure length of broken ice sheet given design parameters. The results are compared to Nevel(1961)'s analytical solution for static load and observed pattern of ice sheet failure onboard an icebreaker. Also by comparing computed failure length with the characteristic length, the meaning of ice rubble sizes is discussed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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