Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2004.04a
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pp.25-32
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2004
In this proposed work new finite element model for multi-delaminated plates is proposed. In the current analysis procedures of multi-delaminated plates, plate element based on Mindlin plate theory is used in order to obtain accurate results of out-of-plane displacement of thick plate. And for delaminated region, plate element based on Kirchhoff plate theory is considered. To satisfy the displacement continuity conditions, displacement vector based on Kirchhoff theory is transformed to displacement of transition element. The numerical results show that the effect of delaminations on the modal parameters of delaminated composites plates is dependent not only on the size, the location and the number of the delaminations but also on the mode number and boundary conditions. Kirchhoff based model have higher natural frequency than Mindlin based model and natural frequency of the presented model is closed to Mindlin based model.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1998.10a
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pp.109-116
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1998
The method of vibration analysis used is the one developed by the senior author. He developed and reported, in 1974, a simple but exact method of calculating the natural frequency of beam and tower structures with irregular cross-sections and attached mass/masses. Since 1989, this method has been extended to two-dimensional problems with several types of given conditions and has been reported at several international conferences. This method uses the deflection influence surfaces. The finite difference method is used for this purpose, in this paper. In order to reduce the pivotal points required, the three simultaneous partial differential equations of equilibrium with three dependent variables, w, M$_{x}$, and $M_{y}$, are used instead of the one forth order partial differential equation. By neglecting the M$_{x}$ terms, the size of the matrices needed to solve the resulting linear equations are reduced to two thirds of the "non-modified" equations.tions.
For the first time, nonlocal damped vibration and buckling analyses of arbitrary tapered bidirectional functionally graded solid circular nano-plate (BDFGSCNP) are presented by employing modified spectral Ritz method. The energy method based on Love-Kirchhoff plate theory assumptions is applied to derive neutral equilibrium equation. The Eringen's nonlocal continuum theory is taken into account to capture small-scale effects. The characteristic equations and corresponding first mode shapes are calculated by using a novel modified basis in spectral Ritz method. The modified basis is in terms of orthogonal shifted Chebyshev polynomials of the first kind to avoid employing adhesive functions in the spectral Ritz method. The fast convergence and compatibility with various conditions are advantages of the modified spectral Ritz method. A more accurate multivariable function is used to model two-directional variations of elasticity modulus and mass density. The effects of nanoscale, in-plane pre-load, distributed dashpot, arbitrary tapering, pinned and clamped boundary conditions on natural frequencies and buckling loads are investigated. Observing an excellent agreement between results of current work and outcomes of previously published works in literature, indicates the results' accuracy in current work.
In the present study, a hybrid model of artificial neural network (ANN) and internet of things (IoT) is proposed to overcome the difficulties in deriving governing equations and numerical solutions of the dynamical behavior of the nano-systems. Nano-structures manifest size-dependent behavior in response to static and dynamic loadings. Nonlocal and length-scale parameters alongside with other geometrical, loading and material parameters are taken as input parameters of an ANN to observe the natural frequency and damping behavior of micro sensors made from nanocomposite material with piezoelectric layers. The behavior of a micro-beam is simulated using famous numerical methods in literature under base vibrations. The ANN was further trained to correlate the output vibrations to the base vibration. Afterwards, using IoT, the electrical potential conducted in the sensors are collected and converted to numerical data in an embedded mini-computer and transferred to a server for further calculations and decision by ANN. The ANN calculates the base vibration behavior with is crucial in mechanical systems. The speed and accuracy of the ANN in determining base excitation behavior are the strengths of this network which could be further employed by engineers and scientists.
The aim of this research is to investigate free vibration of a novel five layer Timoshenko microbeam which consists of a transversely flexible porous core made of Al-foam, two graphen platelets (GPL) nanocomposite reinforced layers to enhance the mechanical behavior of the structure as well as two piezo-magneto-electric face sheets layers. This microbeam is subjected to a thermal load and resting on Pasternak's foundation. To accomplish the analysis, constitutive equations of each layer are derived by means of nonlocal strain gradient theory (NSGT) to capture size dependent effects. Then, the Hamilton's principle is employed to obtain the equations of motion for five layer Timoshenko microbeam. They are subsequently solved analytically by applying Navier's method so that discretized governing equations are determined in form of dynamic matrix giving the possibility to gain the natural frequencies of the Timoshenko microbeam. Eventually, after a validation study, the numerical results are presented to study and discuss the influences of various parameters such as nonlocal parameter, strain gradient parameter, aspect ratio, porosity, various volume fraction and distributions of graphene platelets, temperature change and elastic foundation coefficients on natural frequencies of the sandwich microbeam.
This disquisition proposes a nonlocal strain gradient beam theory for thermo-mechanical dynamic characteristics of embedded smart shear deformable curved piezoelectric nanobeams made of porous electro-elastic functionally graded materials by using an analytical method. Electro-elastic properties of embedded curved porous FG nanobeam are assumed to be temperature-dependent and vary through the thickness direction of beam according to the power-law which is modified to approximate material properties for even distributions of porosities. It is perceived that during manufacturing of functionally graded materials (FGMs) porosities and micro-voids can be occurred inside the material. Since variation of pores along the thickness direction influences the mechanical and physical properties, so in this study thermo-mechanical vibration analysis of curve FG piezoelectric nanobeam by considering the effect of these imperfections is performed. Nonlocal strain gradient elasticity theory is utilized to consider the size effects in which the stress for not only the nonlocal stress field but also the strain gradients stress field. The governing equations and related boundary condition of embedded smart curved porous FG nanobeam subjected to thermal and electric field are derived via the energy method based on Timoshenko beam theory. An analytical Navier solution procedure is utilized to achieve the natural frequencies of porous FG curved piezoelectric nanobeam resting on Winkler and Pasternak foundation. The results for simpler states are confirmed with known data in the literature. The effects of various parameters such as nonlocality parameter, electric voltage, coefficient of porosity, elastic foundation parameters, thermal effect, gradient index, strain gradient, elastic opening angle and slenderness ratio on the natural frequency of embedded curved FG porous piezoelectric nanobeam are successfully discussed. It is concluded that these parameters play important roles on the dynamic behavior of porous FG curved nanobeam. Presented numerical results can serve as benchmarks for future analyses of curve FG nanobeam with porosity phases.
In the current paper, an exact solution method is carried out for analyzing the thermo-mechanical vibration of curved FG nano-beams subjected to uniform thermal environmental conditions, by considering porosity distribution via nonlocal strain gradient beam theory for the first time. Nonlocal strain gradient elasticity theory is adopted to consider the size effects in which the stress for not only the nonlocal stress field but also the strain gradients stress field is considered. It is perceived that during manufacturing of functionally graded materials (FGMs) porosities and micro-voids can be occurred inside the material. Material properties of curved porous FG nanobeam are assumed to be temperature-dependent and are supposed to vary through the thickness direction of beam which modeled via modified power-law rule. Since variation of pores along the thickness direction influences the mechanical and physical properties, porosity play a key role in the mechanical response of curved FG nano-structures. The governing equations and related boundary condition of curved porous FG nanobeam under temperature field are derived via the energy method based on Timoshenko beam theory. An analytical Navier solution procedure is utilized to achieve the natural frequencies of porous FG curved nanobeam supposed to thermal loading. The results for simpler states are confirmed with known data in the literature. The effects of various parameters such as nonlocality parameter, porosity volume fractions, thermal effect, gradient index, opening angle and aspect ratio on the natural frequency of curved FG porous nanobeam are successfully discussed. It is concluded that these parameters play key roles on the dynamic behavior of porous FG curved nanobeam. Presented numerical results can serve as benchmarks for future analyses of curve FG nanobeam with porosity phases.
In this article, an analytic non-classical model for the free vibrations of nanobeams accounting for surface stress effects is developed. The classical continuum mechanics fails to capture the surface energy effects and hence is not directly applicable at nanoscale. A general beam model based on Gurtin-Murdoch continuum surface elasticity theory is developed for the analysis of thin and thick beams. Thus, surface energy has a significant effect on the response of nanoscale structures, and is associated with their size-dependent behavior. To check the validity of the present analytic solution, the numerical results are compared with those obtained in the scientific literature. The influences of beam thickness, surface density, surface residual stress and surface elastic constants on the natural frequencies of nanobeams are also investigated. It is indicated that the effect of surface stress on the vibrational response of a nanobeam is dependent on its aspect ratio and thickness.
Ghandourah, Emad;Hussain, Muzamal;Thobiani, Faisal Al;Hefni, Mohammed;Alghamdi, Sami
Structural Engineering and Mechanics
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v.84
no.1
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pp.77-83
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2022
In the last ten years, many researchers have studied the vibrations of carbon nanotubes using different beam theories. The nano- and micro-scale systems have wavy shape and there is a demand for a powerful tool to mathematically model waviness of those systems. In accordance with the above mentioned lack for the modeling of the waviness of the curved tiny structure, a novel approach is employed by implementing the Timoshenko-beam model. Owing to the small size of the micro beam, these structures are very appropriate for designing small instruments. The vibrations of double walled carbon nanotubes (DWCNTs) are developed using the Timoshenko-beam model in conjunction with the wave propagation approach under support conditions to calculate the fundamental frequencies of DWCNTs. The frequency influence is observed with different parameters. Vibrations of the double walled carbon nanotubes are investigated in order to find their vibrational modes with frequencies. The aspect ratios and half axial wave mode with small length are investigated. It is calculated that these frequencies and ratios are dependent upon the length scale and aspect ratio.
Flexoelectricity is an interesting materials' property that is more touchable in small scales. This property beside the sandwich structures placed in the center of scientists' attention due to their extraordinary effects on the mechanical properties. Furthermore, in the passage of decades, more elaborated sandwich structures took into consideration results from using honeycomb core. This kind of structure, inspiring from honeycomb core, provides more stiffness to weight ratio, which plays a crucial role in different industries. In this paper, based on the Love-Kirchhoff's hypothesis, Hamilton's principle, modified couple stress theory and Fourier series analytical method, equations of motion for a sandwich plate containing a honeycomb core integrated by two face-sheets have derived and solved analytically. The equations of both face sheets have derived by flexoelectricity consideration. Moreover, it should be noticed that the whole structure rests on the visco-Pasternak foundation. Conducting current research provided an acceptable and throughout study based on flexoelectricity to address the effect of materials' characteristics, length-scale parameter, aspect, and thickness ratios and boundary conditions on the natural frequency of honeycomb sandwich plates. Also, based on the presented figures and tables, there is a close agreement between previous studies and recent work. Due to the high ratio of strength to weight, current model analyzing is capable of taking into account for different vehicles' manufacturing in a high range of industries.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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