In this paper, new type of finite element models for the analysis of nonlinear beam bending are developed by using unconventional residual minimizing method to increase accuracy of finite element solutions and overcome some of computational drawbacks. Developing procedures of the new models are presented along with the comparison of the numerical results of existing beam bending models.
In this paper, the effect of a moving mass on dynamic behavior of the cracked cantilever beam on elastic foundations is presented. Based on the Euler-Bernoulli beam theory, the equation of motion can be constructed by using the Lagrange's equation. The crack section is represented by a local flexibility matrix connecting two undamaged beam segments. That is, the crack is modelled as a rotational spring. This flexibility matrix defines the relationship between the displacements and forces across the crack section and is derived by applying fundamental fracture mechanics theory The crack is assumed to be in the first mode of fracture. As the depth of crack is increased, the tip displacement of the cantilever beam is Increased. When the depth of crack is constant, the frequency of a cracked beam is proportional to the spring stiffness.
In this paper, the important novelty and the defining a physical phenomenon of the resent research is the development of nonlocal stress and strain parameters on the porous sandwich beam with functionally graded materials in the top and bottom face sheets.Also, various beam models including Euler-Bernoulli, Reddy and the generalized formulation of two-variable beam theories are obtained in this research. According to a nonlocal strain elasticity theory, the strain at a reference point in the body is dependent not only on the stress state at that point, but also on the stress state at all of the points throughout the body. Thus, the nonlocal stress-strain elasticity theory is defined that can be actual at micro/nano scales. It can be seen that the critical buckling load and transverse deflection of sandwich beam by considering both nonlocal stress-strain parameters is higher than the nonlocal stress parameter. On the other hands, it is noted that by considering the nonlocal stress-strain parameters simultaneously becomes the actual case.
Mohammadimehr, M.;Mohammadi-Dehabadi, A.A.;Akhavan Alavi, S.M.;Alambeigi, K.;Bamdad, M.;Yazdani, R.;Hanifehlou, S.
Steel and Composite Structures
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제29권3호
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pp.405-422
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2018
In this research, experimental tensile test and manufacturing of carbon nanotube reinforced composite beam (CNTRC) is presented. Also, bending, buckling, and vibration analysis of CNTRC based on various beam theories such as Euler-Bernoulli, Timoshenko and Reddy beams are considered. At first, the experimental tensile tests are carried out for CNTRC and composite beams in order to obtain mechanical properties and then using Hamilton's principle the governing equations of motion are derived for Euler Bernoulli, Timoshenko and Reddy theories. The results have a good agreement with the obtained results by similar researches and it is shown that adding just two percent of carbon nanotubes increases dimensionless fundamental frequency and critical buckling load as well as decreases transverse deflection of composite beams. Also, the influences of different manufacturing processes such as hand layup and industrial methods using vacuum pump on composite properties are investigated. In these composite beams, glass fibers used in an epoxy matrix and for producing CNTRC, CNTs are applied as reinforcement particles. Applying two percent of CNTs leads to increase the mechanical properties and increases natural frequencies and critical buckling load and decreases deflection. The obtained natural frequencies and critical buckling load by theoretical method are higher than other methods, because there are some inevitable errors in industrial and hand layup method. Also, the minimum deflection occurs for theoretical methods, in bending analysis. In this study, Young's and shear modulli as well as density are obtained by experimental test and have not been used from the results of other researches. Then the theoretical analysis such as bending, buckling and vibration are considered by using the obtained mechanical properties of this research.
이 논문은 자유단에 집중질량을 갖고 종동력이 작용하는 변단면 캔틸레버 기둥의 임계하중에 관한 연구이다. 기둥의 단면을 중실 직사각형 단면을 갖는 선형 변단면으로 채택하고, Bernoulli-Euler 보 이론에 의한 자유단 집중질량을 갖고 종동력을 받는 소위 Beck 기둥의 자유진동을 지배하는 미분방정식을 유도하였다. 이 미분방정식을 수치해석하여 하중-고유진동수 곡선을 얻고 이로부터 발산임계하중 및 동요임계하중을 산출하였다. 수치해석의 결과로부터 변단면 형태, 경사변수 및 질량비가 임계하중에 미치는 영향을 고찰하였다.
Savino, Pierclaudio;Gherlone, Marco;Tondolo, Francesco
Structural Engineering and Mechanics
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제72권2호
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pp.217-227
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2019
The methodology known as "shape sensing" allows the reconstruction of the displacement field of a structure starting from strain measurements, with considerable implications for structural monitoring, as well as for the control and implementation of smart structures. An approach to shape sensing is based on the inverse Finite Element Method (iFEM) that uses a variational principle enforcing a least-squares compatibility between measured and analytical strain measures. The structural response is reconstructed without the knowledge of the mechanical properties and load conditions but based only on the relationship between displacements and strains. In order to efficiently apply iFEM to the most common structural typologies of civil engineering, its formulation according to the kinematical assumptions of the Bernoulli-Euler theory is presented. Two beam inverse finite elements are formulated for different loading conditions. Depending on the type of element, the relationship between the minimum number of required measurement stations and the interpolation order is defined. Several examples representing common applications of civil engineering and involving beams and frames are presented. To simulate the experimental strain data at the station points and to verify the accuracy of the displacements obtained with the iFEM shape sensing procedure, a direct FEM analysis of the considered structures is performed using the LUSAS software.
We apply higher-order beam theory to analyze the deflections and stresses of a cantilevered single leaf flexure in bending. Our equations include shear deformation and the warping effect in bending. The results are compared with Euler-Bernoulli and Timoshenko beam theory, and are verified by finite element analysis (FEA). The results show that the higher-order beam theory is in a good agreement with the FEA results, with errors of less than 10%. These results indicate that the analysis of the deflections and stresses of a single leaf flexure should consider the shear and warping effects in bending to ensure high precision mechanism design.
Reddya, A. Rami;Umapathy, M.;Ezhilarasib, D.;Uma, G.
Smart Structures and Systems
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제16권4호
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pp.623-640
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2015
This paper presents techniques to harvest higher voltage from piezoelectric cantilever energy harvester by structural alteration. Three different energy harvesting structures are considered namely, stepped cantilever beam, stepped cantilever beam with rectangular and trapezoidal cavity. The analytical model of three energy harvesting structures are developed using Euler-Bernoulli beam theory. The thickness, position of the rectangular cavity and the taper angle of the trapezoidal cavity is found to shift the neutral axis away from the surface of the piezoelectric element which in turn increases the generated voltage. The performance of the energy harvesters is evaluated experimentally and is compared with regular piezoelectric cantilever energy harvester. The analytical and experimental investigations reveal that, the proposed energy harvesting structures generate higher output voltage as compared to the regular piezoelectric cantilever energy harvesting structure. This work suggests that through simple structural modifications higher energy can be harvested from the widely reported piezoelectric cantilever energy harvester.
Larbi, Latifa Ould;Hadji, Lazreg;Meziane, Mohamed Ait Amar;Adda Bedia, E.A.
Wind and Structures
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제27권4호
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pp.247-254
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2018
In this paper, a simple first-order shear deformation theory is presented for dynamic behavior of functionally graded beams. Unlike the existing first-order shear deformation theory, the present one contains only three unknowns and has strong similarities with the classical beam theory in many aspects such as equations of motion, boundary conditions, and stress resultant expressions. Equations of motion and boundary conditions are derived from Hamilton's principle. Analytical solutions of simply supported FG beam are obtained and the results are compared with Euler-Bernoulli beam and the other shear deformation beam theory results. Comparison studies show that this new first-order shear deformation theory can achieve the same accuracy of the existing first-order shear deformation theory.
International Journal of Precision Engineering and Manufacturing
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제3권4호
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pp.64-71
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2002
Recently, mechanical systems such as a high-speed vehicles and railway trains moving on flexible beam structures have become a very important issue to consider. Using the general approach proposed in the first part of this paper, it is possible to predict motion of the constrained mechanical system and the elastic structure, with various kinds of foundation supporting conditions. Combined differential-algebraic equation of motion derived from both multibody dynamics theory and finite element method can be analyzed numerically using a generalized coordinate partitioning algorithm. To verify the validity of this approach, results from the simply supported elastic beam subjected to a moving load are compared with the exact solution from a reference. Finally, parametric study is conducted for a moving vehicle model on a simply supported 3-span bridge.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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