Equations of motion for the vibration analysis of rotating pre-twisted beams with functionally graded material properties are derived in this paper. Based on Timoshenko beam theory, the effects of shear and rotary inertia are considered. The pre-twisted beam has a rectangular cross-section and is mounted on a rotating rigid hub with a setting angle. Functionally graded material (FGM) properties are considered along the height direction of the beam. The equations of stretching and bending motion are derived by Kane's method employing hybrid deformation variables. To validate the derived equations, natural frequencies of a rotating FGM pre-twisted beam are compared to those obtained by a commercial software ANSYS. The effects of the pre-twisted angle, slenderness ratio, hub radius, volume fraction exponent, and angular speed on the modal characteristics of the system are investigated with the proposed model.
Du, Mengjie;Liu, Jun;Ye, Wenbin;Yang, Fan;Lin, Gao
Structural Engineering and Mechanics
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제81권2호
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pp.179-194
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2022
The bending, buckling and free vibration responses of functionally graded material (FGM) beams are investigated semi-analytically by the scaled boundary finite element method (SBFEM) in this paper. In the concepts of the SBFEM, the dimension of computational domain can be reduced by one, therefore only the axial dimension of the beam is discretized using the higher order spectral element, which reduces the amount of calculation and greatly improves the calculation efficiency. The governing equation of FGM beams is derived in detail by the means of the principle of virtual work. Compared with the higher-order beam theory, fewer parameters and simpler control equations are used. And the governing equation is transformed into a first-order ordinary differential equation by introducing intermediate variables. Analytical solutions of the governing equation can be obtained by pade series expansion in the direction of thickness. Numerical example are compared with the numerical solutions provided by the previous researchers to verify the accuracy and applicability of the proposed method. The results show that the proposed formulations can quickly converge to the reference solutions by increasing the order of higher order spectral elements, and high accuracy can be achieved by using a small number of the elements. In addition, the influence of the structural sizes, material properties and boundary conditions on the mechanical behaviors of FG beams subjected to different load types is discussed.
In this paper, buckling and free vibration of imperfect, functionally graded beams, including porosities, are investigated, using a higher order shear strain theory. Due to defects during the manufacturing process, micro porosities may appear in the material, hence the appearance of this imperfection in the structure. The material properties of the beams are assumed to vary regularly, with power and sigmoid law, in the direction of thickness. A novel porosity distribution affecting the functionally graded volume fraction is presented. For the compact formulation used for cementite-based materials and already used in P-FGM, we have adapted it for the distribution of S-FGM. The equations of motion in the FG beam are derived using Hamilton's principle. The boundary conditions for beam FG are assumed to be simply supported. Navier's solution is used to obtain the closed form solutions of the FG beam. The numerical results of this work are compared with those of other published research to verify accuracy and reliability. The comparisons of different shear shape functions, the influence of porosity, thickness and inhomogeneity parameters on buckling and free vibration of the FG beam are all discussed. It is established that the present work is more precise than certain theories developed previously.
Mofareh Hassan Ghazwani;Ali Alnujaie;Pham Van Vinh;Abdelouahed Tounsi
Advances in nano research
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제16권3호
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pp.313-324
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2024
The main aims of this study are to develop a new nonlocal quasi-3D theory for the free vibration behaviors of the functionally graded sandwich nanobeams. The sandwich beams consist of a ceramic core and two functionally graded material layers resting on elastic foundations. The two layers, linear spring stiffness and shear layer, are used to model the effects of the elastic foundations. The size-effect is considered using nonlocal elasticity theory. The governing equations of the motion of the functionally graded sandwich nanobeams are obtained via Hamilton's principle in combination with nonlocal elasticity theory. Then the Navier's solution technique is used to solve the governing equations of the motion to achieve the nonlocal free vibration behaviors of the nanobeams. A deep parametric study is also provided to demonstrate the effects of some parameters, such as length-to-height ratio, power-law index, nonlocal parameter, and two parameters of the elastic foundation, on the free vibration behaviors of the functionally graded sandwich nanobeams.
In this paper thermo-mechanical vibration analysis of a porous functionally graded (FG) Timoshenko beam in thermal environment with various boundary conditions are performed by employing a semi analytical differential transform method (DTM) and presenting a Navier type solution method for the first time. The temperature-dependent material properties of FG beam are supposed to vary through thickness direction of the constituents according to the power-law distribution which is modified to approximate the material properties with the porosity phases. Also the porous material properties vary through the thickness of the beam with even and uneven distribution. Two types of thermal loadings, namely, uniform and linear temperature rises through thickness direction are considered. Derivation of equations is based on the Timoshenko beam theory in order to consider the effect of both shear deformation and rotary inertia. Hamilton's principle is applied to obtain the governing differential equation of motion and boundary conditions. The detailed mathematical derivations are presented and numerical investigations are performed while the emphasis is placed on investigating the effect of several parameters such as porosity distributions, porosity volume fraction, thermal effect, boundary conditions and power-low exponent on the natural frequencies of the FG beams in detail. It is explicitly shown that the vibration behavior of porous FG beams is significantly influenced by these effects. Numerical results are presented to serve benchmarks for future analyses of FG beams with porosity phases.
Thermo-mechanical vibration of sandwich beams with a stiff core and face sheets made of functionally graded carbon nanotube-reinforced composite (FG-CNTRC) is investigated within the framework of Timoshenko beam theory. The material properties of FG-CNTRC are supposed to vary continuously in the thickness direction and are estimated through the rule of mixture and are considered to be temperature dependent. The governing equations and boundary conditions are derived by using Hamilton's principle and are solved using an efficient semi-analytical technique of the differential transform method (DTM). Comparison between the results of the present work and those available in literature shows the accuracy of this method. A parametric study is conducted to study the effects of carbon nanotube volume fraction, slenderness ratio, core-to-face sheet thickness ratio, and various boundary conditions on free vibration behavior of sandwich beams with FG-CNTRC face sheets. It is explicitly shown that the vibration characteristics of the curved nanosize beams are significantly influenced by the surface density effects.
This work presents a comprehensive investigation of buckling behavior of bidirectional functionally graded imperfect beams exposed to several thermal loading with general boundary conditions. The nonlinear governing equations are derived based on 2D shear deformation theory together with Von Karman strain-displacement relation. The beams are composed of two different materials. Its properties are porosity-dependent and are continuously distributed over the length and thickness of the beams following a defined law. The resulting equations are solved analytically in order to determine the thermal buckling characteristics of BDFG porous beams. The precision of the current solution and its accuracy have been proven by comparison with works previously published. Numerical examples are presented to explore the effects of the thermal loading, the elastic foundation parameters, the porosity distribution, the grading indexes and others factors on the nonlinear thermal buckling of bidirectional FG beam rested on elastic foundation.
Recently, promising structural technologies like multi-function, ultra-load bearing capacity and tailored structures have been put up for discussions. Finite Element (FE) modelling is probably the best-known option capable of treating these superior properties and multi-domain behavior structures. However, advanced materials such as Functionally Graded Material (FGM) and nanocomposites suffer from problems resulting from variable material properties, reinforcement aggregation and mesh generation. Motivated by these factors, this research proposes a unified shape function for FGM, nanocomposites, graded nanocomposites, in addition to traditional isotropic and orthotropic structural materials. It depends not only on element length but also on the beam's material properties and geometric characteristics. The systematic mathematical theory and FE formulations are based on the Timoshenko beam theory for beam structure. Furthermore, the introduced element achieves C1 degree of continuity. The model is proved to be convergent and free-off shear locking. Moreover, numerical results for static and free vibration analysis support the model accuracy and capabilities by validation with different references. The proposed technique overcomes the issue of continuous properties modelling of these promising materials without discarding older ones. Therefore, introduced benchmark improvements on the FE old concept could be extended to help the development of new software features to confront the rapid progress of structural materials.
Exact solution for nonlinear behavior of clamped-clamped functionally graded (FG) buckled beams is presented. The effective material properties are considered to vary along the thickness direction according to exponential-law form. The in-plane inertia and damping are neglected, and hence the governing equations are reduced to a single nonlinear fourth-order partial-integral-differential equation. The von Kármán geometric nonlinearity has been considered in the formulation. Galerkin procedure is used to obtain a second order nonlinear ordinary equation with quadratic and cubic nonlinear terms. Based on the mode of the corresponding linear problem, which readily satisfy the boundary conditions, the frequencies for the nonlinear problem are obtained using the Jacobi elliptic functions. The effects of various parameters such as the Young's modulus ratio, the beam slenderness ratio, the vibration amplitude and the magnitude of axial load on the nonlinear behavior are examined.
Nonlinear free vibration analysis of a functionally graded beam resting on the nonlinear viscoelastic foundation is studied with uniform temperature rising. The non-linear strain-displacement relationship is considered in the finite strain theory. The governing nonlinear dynamic equation is derived based on the finite strain theory with using of Hamilton's principle. The Galerkin's decomposition technique is utilized to discretize the governing nonlinear partial differential equation to nonlinear ordinary differential equation and then is solved by using of multiple time scale method. The influences of temperature rising, material distribution parameter, nonlinear viscoelastic foundation parameters on the nonlinear free response and phase trajectory are investigated. In this paper, it is aimed that a contribution to the literature for nonlinear thermal vibration solutions of a functionally graded beam resting on the nonlinear viscoelastic foundation by using of multiple time scale method.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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