An outline of the Timoshenko beam theory is presented. Two differential equations of motion in terms of deflection and rotation are comprised into single equation with deflection and analytical solutions of natural vibrations for different boundary conditions are given. Double frequency phenomenon for simply supported beam is investigated. The Timoshenko beam theory is modified by decomposition of total deflection into pure bending deflection and shear deflection, and total rotation into bending rotation and axial shear angle. The governing equations are condensed into two independent equations of motion, one for flexural and another for axial shear vibrations. Flexural vibrations of a simply supported, clamped and free beam are analysed by both theories and the same natural frequencies are obtained. That fact is proved in an analytical way. Axial shear vibrations are analogous to stretching vibrations on an axial elastic support, resulting in an additional response spectrum, as a novelty. Relationship between parameters in beam response functions of all type of vibrations is analysed.
The theories having been developed thus far account for higher-order variation of transverse shear strain through the depth of the beam and satisfy the stress-free boundary conditions on the top and bottom surfaces of the beam. A shear correction factor, therefore, is not required. In this paper, the effect of surface on the axial buckling and free vibration of nanobeams is studied using various refined higher-order shear deformation beam theories. Furthermore, these theories have strong similarities with Euler-Bernoulli beam theory in aspects such as equations of motion, boundary conditions, and expressions of the resultant stress. The equations of motion and boundary conditions were derived from Hamilton's principle. The resultant system of ordinary differential equations was solved analytically. The effects of the nanobeam length-to-thickness ratio, thickness, and modes on the buckling and free vibration of the nanobeams were also investigated. Finally, it was found that the buckling and free vibration behavior of a nanobeam is size-dependent and that surface effects and surface energy produce significant effects by increasing the ratio of surface area to bulk at nano-scale. The results indicated that surface effects influence the buckling and free vibration performance of nanobeams and that increasing the length-to-thickness increases the buckling and free vibration in various higher-order shear deformation beam theories. This study can assist in measuring the mechanical properties of nanobeams accurately and designing nanobeam-based devices and systems.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2005.11a
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pp.768-771
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2005
The purpose of this paper is to investigate the free vibration of stepped noncircular arches. Taking into account the effects of axial deformation, rotatory inertia and shear deformation, the governing differential equations are solved numerically for the elliptic and sinusoidal geometries with hinged-hinged, hinged-clamped, and clamped-clamped end constraints. The lowest four natural frequencies are presented as functions of four non-dimensional system parameters: the arch rise to span length ratio, the slenderness ratio, the section ratio, and the discontinuous sector ratio.
For the spatially coupled free vibration analysis of shear deformable thin-walled non-symmetric curved beam subjected to initial axial force, an exact dynamic element stiffness matrix of curved beam is evaluated. Firstly equations of motion and force-deformation relations are rigorously derived from the total potential energy for a curved beam element. Next a system of linear algebraic equations are constructed by introducing 14 displacement parameters and transforming the second order simultaneous differential equations into the first order simultaneous differential equations. And then explicit expressions for displacement parameters are numerically evaluated via eigensolutions and the exact $14{\times}14$ dynamic element stiffness matrix is determined using force-deformation relations. To demonstrate the accuracy and the reliability of this study, the spatially coupled natural frequencies of shear deformable thin-walled non-symmetric curved beams subjected to initial axial forces are evaluated and compared with analytical and FE solutions using isoparametric and Hermitian curved beam elements and results by ABAQUS's shell elements.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.21
no.6
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pp.580-586
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2011
This paper addresses the effect of transverse shear deformation and rotary inertia on the natural frequency of beams under axial loads. It has been reported in the author's paper using a finite element analysis that the Timoshenko effect in a rotating disk deceases and then increases again with increasing rotation speed. To validate the phenomenon, the simply-supported beams under uniform tension are selected in this study since they have exact solutions in vibration problem. The results show that the axial tension in beams would not make the Timoshenko effect decrease monotonically but could make the effect increase again unlike the results reported in the other studies for beams.
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.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2004.05a
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pp.942-947
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2004
The differential equations governing free, in-plane vibrations of stepped non-circuiar arches are derived as nondimensional forms including the effects of rotatory inertia, shear deformation and axial deformation. The governing equations are solved numerically to obtain frequencies and mode shapes. The lowest four natural frequencies and mode shapes are calculated for the stepped parabolic arches with hinged-hinged, hinged-clamped, and clamped-clamped end constraints. A wide range of arch rise to span length ratios, slenderness ratios, section ratios, and discontinuous sector ratios are considered. The effect of rotatory inertia and shear deformation on natural frequencies is reported. Typical mode shapes of vibrating arches are also presented.
Differential transform method (DTM) for free vibration analysis of both ends simply supported beam resting on elastic foundation is suggested. The fourth order partial differential equation for free vibration of the beam resting on elastic foundation subjected to bending moment, shear and axial compressive load is obtained by using Winkler hypothesis and small displacement theory. It is assumed that the material is linear-elastic, and that axial load and modulus of subgrade reaction to be constant. In the analysis, shear and axial load effects are considered. The frequency factors of the beam are calculated by using DTM due to the values of relative stiffness; the results are presented in graphs and tables.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2007.05a
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pp.1181-1184
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2007
The differential equations governing free, in-plane vibrations of linearly elastic circular arches with rotationally flexible supports, including the effects of rotatory inertia, shear deformation and axial deformation, are solved numerically using the corresponding boundary conditions. The lowest four natural frequencies and the corresponding mode shapes are obtained over a range of non-dimensional system parameters: the subtended angle, the slenderness ratio, and the rotational spring stiffness.
The free vibration of stiffened and damaged coupled shear walls is investigated using the mixed finite element method. The anisotropic damage model is adopted to describe the damage extent of the reinforced concrete shear wall element. The internal energy of a locally damaged shear wall element is derived. Polynomial shape functions established by Kwan are used to present the component of displacements vector on each point within the wall element. The principle of virtual work is employed to deduce the stiffness matrix of a damaged shear wall element. The stiffened system is reinforced by an additional stiffening beam at some level of the structure. This induces additional axial forces, and thus reduces the bending moments in the walls and the lateral deflection, and increases the natural frequencies. The effects of the damage extent and the stiffening beam on the free vibration characteristics of the structure are studied. The optimal location of the stiffening beam for increasing as far as possible the first natural frequency of vibration is presented.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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