Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.33
no.3
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pp.201-207
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2020
In this study, various types of porous beams were designed and analyzed to examine the relationship between the behavior of a porous beam and certain nonlocal parameters. The nonlocal parameters were defined as functions of the conditions of defects in the porous material. Finite element analysis was conducted on the beams under typical boundary and loading conditions. Beams with stiffeners having the same dimensions as the defects in the porous beams were also analyzed. The deformation tendency of these beams was determined and described in terms of the nonlocal parameters. The deformation of a porous beam was linearly proportional to the square of the diameters of the defects, whereas that of a beam with a stiffener was linearly proportional to the cube of the diameter of the stiffener. Furthermore, for a stiffened beam with axial loading, the results derived from a 3D solid element and those under 2D plane stress conditions were different.
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.
This paper aims to investigate the vibration analysis of functionally graded porous (FGP) beams using State-space approach with several classical and non-classical boundary conditions. The materials properties of the porous FG beams are considered to have even and uneven distributions profiles along the thickness direction. The equation of motion for FGP beams with various boundary conditions is obtained through Hamilton's principle. State-space approach is used to obtain the governing equation of porous FG beam. The comparison of the results of this study with those in the literature validates the present analysis. The effects of span-to-depth ratio (L/h), of distribution shape of porosity and others parameters on the dynamic behavior of the beams are described. The results show that the boundary conditions, the geometry of the beams and the distribution shape of porosity affect the fundamental frequencies of the beams.
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.
The effect of temperature dependent material properties on the free vibration of FG porous beams is investigated in the present paper. A quasi-3D shear deformation solution is used involves only three unknown function. The mechanical properties which are considered to be temperature-dependent as well as the porosity distributions are assumed to gradually change along the thickness direction according to defined law. The beam is supposed to be simply supported and lying on variable elastic foundation. The differential equation system governing the free vibration behavior of porous beams is derived based on the Hamilton principle. Navier's method for simply supported systems is then used to determine and compute the frequencies of FG porous beam. The results of the present formulation are validated by comparing with those available literatures. Finally, the effects of several parameters such as porosity distribution and the parameters of variable elastic foundation on the free vibration behavior of temperature-dependent FG beams are presented and discussed in detail.
Chinnapandi, Lenin Babu Mailan;Pitchaimani, Jeyaraj;Eltaher, Mohamed A.
Steel and Composite Structures
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v.44
no.6
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pp.829-843
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2022
This manuscript work presents a comprehensive continuum model capable to investigate the effect of porosity on vibro-acoustic behaviour of functionally graded (FG) beams resting on an elastic foundation subjected to thermal and mechanical loadings. Effects of uniform temperature rise and edge compressive load on the sound radiation characteristics are studied in a comparative manner. The numerical analysis is carried out by combining finite element method with Rayleigh's integral. Detailed parametric studies are accomplished, and influences of power law index, porosity volume, porosity distribution and boundary conditions on the vibro-acoustic response characteristics are analyzed. It is found that the vibro-acoustic response under mechanical edge compression is entirely different compared to from that under the thermal load. Furthermore, nature of grading of porosity affects the sound radiation behaviour for both the loads. The proposed model can be used to obtain the suppression performance of vibration and noise FG porous beams under thermal and mechanical loads.
In this work, the dynamic response of functionally graded beams on variable elastic foundations is studied using a novel higher-order shear deformation theory (HSDT). Unlike the conventional HSDT, the present one has a new displacement field which introduces undetermined integral variables. The FG beams were assumed to be supported on Winkler-Pasternak type foundations in which the Winkler modulus is supposed to be variable in the length of the beam. The variable rigidity of the elastic foundation is assumed to be linear, parabolic and sinusoidal along the length of the beam. The material properties of the FG porous beam vary according to a power law distribution in terms of the volume fraction of the constituents. The equations of motion are determined using the virtual working principle. For the analytical solution, Navier method is used to solve the governing equations for simply supported porous FG beams. Numerical results of the present theory for the free vibration of FG beams resting on elastic foundations are presented and compared to existing solutions in the literature. A parametric study will be detailed to investigate the effects of several parameters such as gradient index, thickness ratio, porosity factor and foundation parameters on the frequency response of porous FG beams.
This paper deals with the nonlinear static deflections of functionally graded (FG) porous under thermal effect. Material properties vary in both position-dependent and temperature-dependent. The considered nonlinear problem is solved by using Total Lagrangian finite element method within two-dimensional (2-D) continuum model in the Newton-Raphson iteration method. In numerical examples, the effects of material distribution, porosity parameters, temperature rising on the nonlinear large deflections of FG beams are presented and discussed with porosity effects. Also, the effects of the different porosity models on the FG beams are investigated in temperature rising.
The present study conducts a thorough analysis of thermal vibrations in functionally graded porous nanocomposite beams within a thermal setting. Investigating the temperature-dependent material properties of these beams, which continuously vary across their thickness in accordance with a power-law function, a finite element approach is developed. This approach utilizes a nonlocal strain gradient theory and accounts for a linear temperature rise. The analysis employs four different patterns of porosity distribution to characterize the functionally graded porous materials. A novel two-variable shear deformation beam nonlocal strain gradient theory, based on trigonometric functions, is introduced to examine the combined effects of nonlocal stress and strain gradient on these beams. The derived governing equations are solved through a 3-nodes beam element. A comprehensive parametric study delves into the influence of structural parameters, such as thicknessratio, beam length, nonlocal scale parameter, and strain gradient parameter. Furthermore, the study explores the impact of thermal effects, porosity distribution forms, and material distribution profiles on the free vibration of temperature-dependent FG nanobeams. The results reveal the substantial influence of these effects on the vibration behavior of functionally graded nanobeams under thermal conditions. This research presents a finite element approach to examine the thermo-mechanical behavior of nonlocal temperature-dependent FG nanobeams, filling the gap where analytical results are unavailable.
In this article, thermal post-buckling and primary resonance of the porous functionally graded material (FGM) beams in thermal environment considering the geometric imperfection are studied, the material properties of FGM beams are assumed to vary along the thickness of the beam, meanwhile, the porosity volume fraction, geometric imperfection, temperature, and the elastic foundation are considered, using the Euler-Lagrange equation, the nonlinear vibration equations are derived, after the dimensionless processing, the dimensionless equations of motion can be obtained. Then, the two-step perturbation method is applied to solve the vibration problems, the resonance and thermal post-buckling response relations are obtained. Finally, the functionally graded index, the porosity volume fraction, temperature, geometric imperfection, and the elastic foundation on the resonance behaviors of the FGM beams are presented. It can be found that these parameters can influence the thermal post-buckling and primary resonance problems.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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