Mokhtar Nebab;Hassen Ait Atmane;Riadh Bennai;Mouloud Dahmane
Structural Engineering and Mechanics
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v.90
no.1
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pp.83-96
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2024
This paper suggests an analytical approach to investigate the free vibration and stability of functionally graded (FG) beams with both perfect and imperfect characteristics using a quasi-3D higher-order shear deformation theory (HSDT) with stretching effect. The study specifically focuses on FG beams resting on variable elastic foundations. In contrast to other shear deformation theories, this particular theory employs only four unknown functions instead of five. Moreover, this theory satisfies the boundary conditions of zero tension on the beam surfaces and facilitates hyperbolic distributions of transverse shear stresses without the necessity of shear correction factors. The elastic medium in consideration assumes the presence of two parameters, specifically Winkler-Pasternak foundations. The Winkler parameter exhibits variable variations in the longitudinal direction, including linear, parabolic, sinusoidal, cosine, exponential, and uniform, while the Pasternak parameter remains constant. The effective material characteristics of the functionally graded (FG) beam are assumed to follow a straightforward power-law distribution along the thickness direction. Additionally, the investigation of porosity includes the consideration of four different types of porosity distribution patterns, allowing for a comprehensive examination of its influence on the behavior of the beam. Using the virtual work principle, equations of motion are derived and solved analytically using Navier's method for simply supported FG beams. The accuracy is verified through comparisons with literature results. Parametric studies explore the impact of different parameters on free vibration and buckling behavior, demonstrating the theory's correctness and simplicity.
In this paper, free vibration characteristics of a rotating double tapered functionally graded beam is investigated. Material properties of the beam vary continuously through thickness direction according to the power-law distribution of the volume fraction of the constituents. The governing differential equations of motion are derived using the Hamilton's principle and solved utilizing an efficient and semi-analytical technique called the Differential Transform Method (DTM). Several important aspects such as taper ratios, rotational speed, hub radius, as well as the material volume fraction index which have impacts on natural frequencies of such beams are investigated and discussed in detail. Numerical results are tabulated in several tables and figures. In order to demonstrate the validity and accuracy of the current analysis, some of present results are compared with previous results in the literature and an excellent agreement is observed. It is showed that the natural frequencies of an FG rotating double tapered beam can be obtained with high accuracy by using DTM. It is also observed that nondimensional rotational speed, height taper ratio, power-law exponent significantly affect the natural frequencies of the FG double tapered beam while the effects of hub radius and breadth taper ratio are negligible.
This paper deals with the free vibration behavior of rotating composite beams reinforced with carbon nanotubes (CNTs) under uniform thermal loads. The temperature-dependent beam material is assumed to be a mixture of single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) in an isotropic matrix and five different functionally graded (FG) distributions of CNTs are considered according to the variation along the thickness, namely the UD-uniform, FG-O, FG-V, FG-Λ and FG-X distributions where FG-V and FG-Λ are unsymmetrical patterns. Considering the Timoshenko beam theory (TBT), a new finite element formulation of functionally graded carbon nanotube reinforced composite (FGCNTRC) beam is created for the first time. And the effects of several essential parameters including rotational speed, hub radius, effective material properties, slenderness ratio, boundary conditions, thermal force and moments due to temperature variation are considered in the formulation. By implementing different boundary conditions, some new results of both symmetric and non-symmetrical distribution patterns are presented in tables and figures to be used as benchmark for further validation. In addition, as an alternative advanced composite application for rotating systems exposed to thermal load, the positive effects of CNT addition in improving the dynamic performance of the system have been observed and the results are presented in several tables and figures.
In the present work, free vibration of beams made of imperfect functionally graded materials (FGMs) including porosities is investigated. Because of faults during process of manufacture, micro voids or porosities may arise in the FGMs, and this situation causes imperfection in the structure. Therefore, material properties of the beams are assumed to vary continuously through the thickness direction according to the volume fraction of constituents described with the modified rule of mixture including porosity volume fraction which covers two types of porosity distribution over the cross section, i.e., even and uneven distributions. The governing equations of power law FGM (P-FGM) and sigmoid law FGM (S-FGM) beams are derived within the frame works of classical beam theory (CBT) and first order shear deformation beam theory (FSDBT). The resulting equations are solved using separation of variables technique and assuming FG beams are simply supported at both ends. To validate the results numerous comparisons are carried out with available results of open literature. The effects of types of volume fraction function, beam theory and porosity volume fraction, as well as the variations of volume fraction index, span to depth ratio and porosity volume fraction, on the first three non-dimensional frequencies are examined in detail.
This paper investigates free vibration characteristics of a rotating functionally graded (FG) beam in hygro environments. In the present study, material properties of the FG beam vary continuously through thickness direction according to the power-law which approximates material properties of FG beam. The governing differential equations of motion are derived based on Euler-Bernoulli beam theory and using the Hamilton's principle which solved utilizing a semi-analytical technique called the Differential Transform Method (DTM). In order to verify the competency and accuracy of the current analysis, a comparative study with previous researches are performed and good agreement is observed. Influences of Several important parameters such as power-law exponent, hygro environment, rotational speed and slenderness ratio on natural frequencies are investigated and discussed in detail. It is concluded that these effects play significant role on dynamic behavior of rotating FG beam in the hygro environments. Numerical results are tabulated in several tables and figures that can be serving as benchmarks for future analyses of rotating FG beams in the hygro environments.
In presented paper, moving load problem of simply supported axially functionally graded (AFG) beam is investigated under temperature rising based on the first shear beam theory. The material properties of beam vary along the axial direction. Material properties of the beam are considered as temperature-dependent. The governing equations of problem are derived by using the Lagrange procedure. In the solution of the problem the Ritz method is used and algebraic polynomials are used with the trivial functions for the Ritz method. In the solution of the moving load problem, the Newmark average acceleration method is used in the time history. In the numerical examples, the effects of material graduation, temperature rising and velocity of moving load on the dynamic responses ofAFG beam are presented and discussed.
Zakaria Belabed;Abdeldjebbar Tounsi;Abdelmoumen Anis Bousahla;Abdelouahed Tounsi;Mohamed Bourada;Mohammed A. Al-Osta
Structural Engineering and Mechanics
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v.90
no.3
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pp.233-252
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2024
This research explores a new finite element model for the free vibration analysis of bi-directional functionally graded (BDFG) beams. The model is based on an efficient higher-order shear deformation beam theory that incorporates a trigonometric warping function for both transverse shear deformation and stress to guarantee traction-free boundary conditions without the necessity of shear correction factors. The proposed two-node beam element has three degrees of freedom per node, and the inter-element continuity is retained using both C1 and C0 continuities for kinematics variables. In addition, the mechanical properties of the (BDFG) beam vary gradually and smoothly in both the in-plane and out-of-plane beam's directions according to an exponential power-law distribution. The highly elevated performance of the developed model is shown by comparing it to conceptual frameworks and solution procedures. Detailed numerical investigations are also conducted to examine the impact of boundary conditions, the bi-directional gradient indices, and the slenderness ratio on the free vibration response of BDFG beams. The suggested finite element beam model is an excellent potential tool for the design and the mechanical behavior estimation of BDFG structures.
This paper investigates the free vibration of geometrically imperfect functionally graded car-bon nanotube-reinforced composite (FG-CNTRC) beams that are integrated with two sur-face-bonded piezoelectric layers and subjected to a combined action of a uniform temperature rise, a constant actuator voltage and an in-plane force. The material properties of FG-CNTRCs are assumed to be temperature-dependent and vary continuously across the thick-ness. A generic imperfection function is employed to simulate various possible imperfections with different shapes and locations in the beam. The governing equations that account for the influence of initial geometric imperfection are derived based on the first-order shear deformation theory. The postbuckling configurations of FG-CNTRC hybrid beams are determined by the differential quadrature method combined with the modified Newton-Raphson technique, after which the fundamental frequencies of hybrid beams in the postbuckled state are obtained by a standard eigenvalue algorithm. The effects of CNT distribution pattern and volume fraction, geometric imperfection, thermo-electro-mechanical load, as well as boundary condition are examined in detail through parametric studies. The results show that the fundamental frequency of an imperfect beam is higher than that of its perfect counterpart. The influence of geometric imperfection tends to be much more pronounced around the critical buckling temperature.
Thermo-mechanical buckling of sandwich beams with a stiff core and face sheets made of functionally graded carbon nanotube-reinforced composite (FG-CNTRC) within the framework of Timoshenko beam theory is presented. The material properties of FG-CNTRC are supposed to vary continuously in the thickness direction and are estimated through the rule of mixture. Also the properties of these materials should be considered temperature dependent. The governing equations and boundary conditions are derived by using Hamilton's principle and solved using an efficient technique called the Differential Transform Method (DTM) to achieve the critical buckling of the sandwich beam in uniform thermal environment. A detailed parametric study is guided to investigate the effects of carbon nanotube volume fraction, slenderness ratio, core-to-face sheet thickness ratio, and clamped-clamped, simply-simply and clamped-simply end supports on the critical buckling behavior of sandwich beams with FG-CNTRC face sheets. Numerical results for comparison of sandwich beams with uniformly distributed carbon nanotube-reinforced composite (UD-CNTRC) face sheets with those with FG-CNTRC face sheets are also presented.
Saeed I. Tahir;Abdelbaki Chikh;Ismail M. Mudhaffar;Abdelouahed Tounsi;Mohammed A. Al-Osta
Geomechanics and Engineering
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v.33
no.3
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pp.271-277
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2023
This article investigates the effect of viscoelastic foundations on the waves' dispersion in a beam made of ceramic-metal functionally graded material (FGM) with microstructural defects. The beam is considered to be shear deformable, and a simple three-unknown sinusoidal integral higher-order shear deformation beam theory is applied to represent the beam's displacement field. Novel to this study is the investigation of the impact of viscosity damping on imperfect FG beams, utilizing a few-unknowns theory. The stresses and strains are obtained using the two-dimensional elasticity relations of FGM, neglecting the normal strain in the beam's depth direction. The variational operation is employed to define the dispersion relations of the FGM beam. The influences of the material gradation exponent, the beam's thickness, the porosity, and visco-Pasternak foundation parameters are represented. Results showed that phase velocity was inversely proportional to the damping and porosity of the beams. Additionally, the foundation viscous damping had a stronger influence on wave velocity when porosity volume fractions were low.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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