Coupled porous curved beams, due to their low weight and high flexibility, have many applications in engineering. This study investigates the vibration behavior of coupled porous curved beams in different boundary conditions. The system consists of two curved beams connected by a mid-layer of elastic springs. These beams are made of various materials, such as homogenous steel foam, and composite materials with PMMA (polymethyl methacrylate) and SWCNT (single-walled carbon nanotube) used as the matrix and nanofillers, respectively. To obtain equivalent material properties, the role of mixture (RoM) was employed, followed by the implementation of the porosity function. The system's governing equations were obtained by employing FSDT and Hamilton's law. To investigate thermal vibration, temperature was implemented as a load in the governing equations. The GDQ method was used to solve these equations. To demonstrate the applicability of the GDQ method in calculating the frequencies of the system and the correctness of the developed program, a validation study was conducted. After validation, numerous examples were presented to investigate the behavior of single and coupled curved beams in various material properties and boundary conditions. The results indicate that the frequencies of the curved beams and the system depend highly on the amount of porosity (n) and the distribution pattern. The system frequencies decreased with an increase in the porosity coefficient. The stiffness of the springs had no effect on the first mode frequency but increased frequencies of other modes in a specific range. The frequencies of the system decreased with an increase in environmental temperature.
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.
An improved shear deformable thin-walled curved beam theory to overcome the drawback of currently available beam theories is newly proposed for the spatially coupled free vibration and elastic analysis. For this, the displacement field considering the shear deformation effects is presented by introducing displacement parameters defined at the centroid and shear center axes. Next the elastic strain and kinetic energies considering the shear effects due to the shear forces and the restrained warping torsion are rigorously derived. Then the equilibrium equations are consistently derived for curved beams with non-symmetric thin-walled sections. It should be noticed that this formulation can be easily reduced to the warping-free beam theory by simply putting the sectional properties associated with warping to zero for curved beams with L- or T-shaped sections. Finally in order to illustrate the validity and the accuracy of this study, finite element solutions using the isoparametric curved beam elements are presented and compared with those in available references and ABAQUS's shell elements.
This paper deals with the free vibrations of circular curved beams with thin-walled cross-section. The differential equation for the coupled flexural-torsional vibrations of such beams with warping is solved numerically to obtain natural frequencies and mode shapes. The Runge-Kutta and determinant search methods, respectively, are used to solve the governing differential equation and to compute the eigenvalues. The lowest three natural frequencies and corresponding mode shapes are calculated for the thin-walled horizontally curved beams with hinged-hinged, hinged-clamped, and clamped-clamped end constraints. A wide range of opening angle of beam, warping parameter, and two different values of slenderness ratios are considered. Numerical results are compared with existing exact and numerical solutions by other methods.
Equations of motion of rotating cantilever curved beams are derived based on a dynamic modeling method developed in this paper. The Kane's method is employed to derive the equations of motion. Different from the classical linear modeling method which employs two cylindrical deformation variables, the present modeling method employs a non-cylindrical variable along with a cylindrical variable to describe the elastic deformation. The derived equations (governing the stretching and the bending motions) are coupled but linear. So they can be directly used for the vibration analysis. The coupling effect between the stretching and the bending motions which could not be considered in the conventional modeling method is considered in this modeling method. The natural frequencies of the rotating curved beams versus the rotating speed are calculated for various radii of curvature and hub radius ratios.
This study presented analytical and numerical solutions for spatial free vibration of nonsymmetric thin-walled circular curved beams. The closed-form solutions were obtained for in-plane free vibration analylsis of monosymmetric curved beams. Likewise, two types of thin-walled curved beam elements were developed using the third and the fifth order Hermitian polynomials. In order to illustrate the accuracy and usefulness of the present method, this study presented analytical and numerical solution and compared these with the results using the ABAQUS's shell elements. In particular, effects of the thickness-curvature as well as the inextensional condition were investigated on the free vibration of curved beams with nonsymmetric sections.
To overcome the drawback of currently available curved beam theories having non-symmetric thin-walled cross sections, a curved beam theory based on centroid-shear center formulation is presented for the spatially coupled free vibration and elastic analysis. For this, the displacement field is expressed by introducing displacement parameters defined at the centroid and shear center axes, respectively. Next the elastic strain and kinetic energies considering the thickness-curvature effect and the rotary inertia of curved beam are rigorously derived by degenerating the energies of the elastic continuum to those of curved beam. And then the equilibrium equations and the boundary conditions are consistently derived for curved beams having non-symmetric thin-walled cross section. It is emphasized that for curved beams with L- or T-shaped sections, this thin-walled curved beam theory can be easily reduced to the solid beam theory by simply putting the sectional properties associated with warping to zero. In order to illustrate the validity and the accuracy of this study, FE solutions using the Hermitian curved beam elements are presented and compared with the results by previous research and ABAQUS's shell elements.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2006.04a
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pp.1033-1039
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2006
To overcome the drawback of currently available curved beam theories having non-symmetric thin-walled cross sections, a curved beam theory based on centroid-shear center formulation is presented for the spatially coupled free vibration and elastic analyses. For this, the elastic strain and kinetic energies considering the thickness-curvature effect and the rotary inertia of curved beam are derived by degenerating the energies of the elastic continuum to those of curved beam. And then the equilibrium equations and the boundary conditions are consistently derived for curved beams having non-symmetric thin-walled cross section. It is emphasized that for curved beams with L- or T-shaped sections, this thin-walled curved beam theory can be easily reduced to tl1e solid beam theory by simply putting the sectional properties associated with warping to zero. In order to illustrate the validity and the accuracy of this study, FE solutions using the Hermitian curved beam elements are presented and compared with the results by previous research and ABAQUS's shell elements.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.24
no.10
s.181
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pp.2637-2645
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2000
We propose a new one-dimensional theory for thin-walled curved box beams having rectangular cross sections, in which torsional, out-of-plane bending, warping and distortional deformations are coupled. The major difference between the present theory and existing theories lies in that the present theory takes into account additional distortion as well as warping. To verify the present theory, a standard finite element based on the present theory is developed and used for numerical analysis. A couple of numerical examples indeed confirm that the consideration of warping and distortional deformations is very important.
To investigate the surface effects on vibration of embedded circular curved nanosize beams, nonlocal elasticity model is used in combination with surface properties including surface elasticity, surface tension and surface density for modeling the nano scale effect. The governing equations are determined via the energy method. Analytically Navier method is utilized to solve the governing equations for simply supported at both ends. Solving these equations enables us to estimate the natural frequency for circular curved nanobeam including Winkler and Pasternak elastic foundations. The results determined are verified by comparing the results by available ones in literature. The effects of various parameters such as nonlocal parameter, surface properties, Winkler and Pasternak elastic foundations and opening angle of circular curved nanobeam on the natural frequency are successfully studied. The results reveal that the natural frequency of circular curved nanobeam is significantly influenced by these effects.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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