This study aims to solve for nonlinear cylindrical shell systems with a semi-analytical and numerical approach implementing the P-T method. The procedures and conditions for such a study are presented in practically solving and analyzing the cylindrical shell systems. An analytical model for a nonlinear thick cylindrical shell (TCS) is established on the basis of the stress function and Reddy's higher-order shear deformation theory (HSDT). According to Reddy's HSDT, Hooke's law in three dimensions, and the von-Kármán equation, the stress-strain relations are developed for the thick cylindrical shell systems, and the three coupled nonlinear governing equations are thus established and discretized as per the Galerkin method, for implementing the P-T method. The solution generated with the approach is continuous everywhere in the entire time domain considered. The approach proposed can also be used to numerically solve and analyze the nonlinear shell systems. The procedures and recurrence relations for numerical solutions of shell systems are presented. To demonstrate the application of the approach in numerically solving for nonlinear cylindrical shell systems, a specific nonlinear cylindrical shell system subjected to an external excitation is solved numerically. In numerically solving for the system, the present approach shows higher efficiency, accuracy, and reliability in comparison with that of the Runge-Kutta method. The approach with the P-T method presented is practically sound especially when continuous and high-quality numerical solutions for the shell systems are considered.
Dynamic response of axisymmetric arbitrary laminated composite cylindrical shell of finite length, using three-dimensional elasticity equations are studied. The shell is simply supported at both ends. The highly coupled partial differential equations are reduced to ordinary differential equations (ODE) with variable coefficients by means of trigonometric function expansion in axial direction. For cylindrical shell under dynamic load, the resulting differential equations are solved by Galerkin finite element method, In this solution, the continuity conditions between any two layer is satisfied. It is found that the difference between elasticity solution (ES) and higher order shear deformation theory (HSD) become higher for a symmetric laminations than their unsymmetric counterpart. That is due to the effect of bending-streching coupling. It is also found that due to the discontinuity of inplane stresses at the interface of the laminate, the slope of transverse normal and shear stresses aren't continuous across the interface. For free vibration analysis, through dividing each layer into thin laminas, the variable coefficients in ODE become constants and the resulting equations can be solved exactly. It is shown that the natural frequency of symmetric angle-ply are generally higher than their antisymmetric counterpart. Also the results are in good agreement with similar results found in literatures.
균일 외압을 받는 링 보강 원형단면 강재 쉘에 대하여 재료 및 기하학적 비선형 유한요소법(GMNIA)을 적용하여 외압강도를 평가하였다. 링 보강 쉘의 기하학적 초기결함의 진폭, 반경 대 두께 비, 링 보강재 간격 대 반경비 등이 외압강도에 미치는 영향을 분석하였으며, Eurocode 3과 DNV 설계기준에 의한 설계 외압 강도와 유한 요소해석으로 구한 외압강도를 비교 평가하였다. 기하학적 초기결함의 형상은 선형탄성 좌굴해석에 의한 좌굴모드를 적용하였으며 보강 쉘의 반경 대 두께 비는 250~500범위를 고려하였다.
Tohidi, H.;Hosseini-Hashemi, S.H.;Maghsoudpour, A.;Etemadi, S.
Structural Engineering and Mechanics
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제62권5호
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pp.551-565
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2017
Based on the strain gradient theory (SGT), vibration analysis of an embedded micro cylindrical shell reinforced with agglomerated carbon nanotubes (CNTs) is investigated. The elastic medium is simulated by the orthotropic Pasternak foundation. The structure is subjected to magnetic field in the axial direction. For obtaining the equivalent material properties of structure and considering agglomeration effects, the Mori-Tanaka model is applied. The motion equations are derived on the basis of Mindlin cylindrical shell theory, energy method and Hamilton's principal. Differential quadrature method (DQM) is proposed to evaluate the frequency of system for different boundary conditions. The effects of different parameters such as CNTs volume percent, agglomeration of CNTs, elastic medium, magnetic field, boundary conditions, length to radius ratio and small scale parameter are shown on the frequency of the structure. The results indicate that the effect of CNTs agglomeration plays an important role in the frequency of system so that considering agglomeration leads to lower frequency. Furthermore, the frequency of structure increases with enhancing the small scale parameter.
본 논문에서는 유한 원통셸의 강제진동을 탄성파를 이용하여 해석하였다. 원통셸의 강제 진동장을 나타내기 위하여 변위벡터를 이용하였으며, 진동장을 여러 특성과 방향을 갖고 전파하는 탄성파들에 의한 영향의 합으로써 나타내었다. 또한 양 끝단에서 파동의 반사 현상을 고려하는 반사행렬을 이용하였다. 그리고 본 해석 방법을 통하여 반사행렬을 쉽게 구할 수 있기 때문에, 원통셸 양 끝단에서 탄성파들간의 파동변환을 용이하게 예측할 수 있도록 하였다. 이러한 해석 방법을 이용하여 자유단을 갖고 점가진력에 의해 강제 진동하는 유한 원통셸의 진동장에 대한 수치 계산을 수행하였다. 또한 진동장을 이루는 탄성파들의 기여도와 특성, 그리고 원통셸 끝단에서 탄성파들간의 파동변환을 분석함으로써 본 해석 기법의 유용성을 보였다.
Bidgoli, Mahmood Rabani;Karimi, Mohammad Saeed;Arani, Ali Ghorbanpour
Steel and Composite Structures
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제19권3호
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pp.713-733
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2015
In this paper, viscous fluid induced nonlinear free vibration and instability analysis of a functionally graded carbon nanotube-reinforced composite (CNTRC) cylindrical shell integrated with two uniformly distributed piezoelectric layers on the top and bottom surfaces of the cylindrical shell are presented. Single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) are selected as reinforcement and effective material properties of FG-CNTRC cylindrical shell are assumed to be graded through the thickness direction and are estimated through the rule of mixture. The elastic foundation is modeled by temperature-dependent orthotropic Pasternak medium. Considering coupling of mechanical and electrical fields, Mindlin shell theory and Hamilton's principle, the motion equations are derived. Nonlinear frequency and critical fluid velocity of sandwich structure are calculated based on differential quadrature method (DQM). The effects of different parameters such as distribution type of SWCNTs, volume fractions of SWCNTs, elastic medium and temperature gradient are discussed on the vibration and instability behavior of the sandwich structure. Results indicate that considering elastic foundation increases frequency and critical fluid velocity of system.
In this paper, a structural damage identification method (SDIM) is developed to identify the line crack-like directional damages generated within a cylindrical shell. First, the equations of motion fur a damaged cylindrical shell are derived. Based on a theory of continuum damage mechanics, a small material volume containing a directional damage is represented by the effective orthotropic elastic stiffness, which is dependent of the size and the orientation of the damage with respect to the global coordinates. The present SDIM is then derived from the frequency response function (FRF) directly solved from the dynamic equations of the damaged cylindrical shell. In contrast with most existing SDIMs which require the modal parameters measured in both intact and damaged states, the present SDIM requires only the FRF-data measured in damaged state. By virtue of utilizing FRF-data, one may choose as many sets of excitation frequency and FRF measurement point as needed to acquire a sufficient number of equations fer damage identification analysis. The numerically simulated damage identification tests are conducted to study the feasibility of the present SDIM.
Mohamed A. Khadimallah;Abdelhakim Benslimane;Imene Harbaoui;Sofiene Helaili;Muzamal Hussain;Mohamed R. Ali;Zafer Iqbal;Abdelouahed Tounsi
Earthquakes and Structures
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제24권4호
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pp.237-245
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2023
Based on novel Galerkin's technique, the theoretical study gives a prediction to estimate the vibrations of FG rotating cylindrical shell. Terms of ring supports have been introduced by a polynomial function. Three different laws of volume fraction are utilized for the vibration of cylindrical shells. Variation frequencies with the locations of ring supports have been analyzed and these ring supports are placed round the circumferential direction. The base of this approach is an approximate estimation of eigenvalues of proper functions which are the results of solutions of vibrating equation. Each longitudinal wave number corresponds to a particular boundary condition. The results are given in tabular and graphical forms. By increasing different value of height-to-radius ratio, the resulting backward and forward frequencies increase and frequencies decrease on increasing length-to-radius ratio. There is a new form of frequencies is obtained for different positions of ring supports, which is bell shaped. Moreover, on increasing the rotating speed, the backward frequencies increase and forward frequencies decreases.
Shadi Alghaffari;Muzamal Hussain;Mohamed A. Khadimallah;Faisal Al Thobiani;Hussain Talat Sulaimani
Advances in nano research
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제14권4호
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pp.303-312
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2023
In this study, the bifurcation analysis of functionally graded material is done using exponential volume fraction law. Shell theory of Love is used for vibration of shell. The Galerkin's method is applied for the formation of three equations in eigen value form. This eigen form gives the frequencies using the computer software MATLAB. The variations of natural frequencies (Hz) for Type-I and Type-II functionally graded cylindrical shells are plotted for exponential volume fraction law. The behavior of exponent of volume fraction law is seen for three different values. Moreover, the frequency variations of Type-I and -II clamped simply supported FG cylindrical shell with different positions of ring supports against the circumferential wave number are investigated. The procedure adopted here enables to study vibration for any boundary condition but for brevity, numerical results for a cylindrical shell with clamped simply supported edge condition are obtained and their analysis with regard various physical parameters is done.
In the present paper an analytical model was developed to study the non-linear vibrations of Functionally Graded Carbon Nanotube (FG-CNT) reinforced doubly-curved shallow shells using the Multiple Scales Method (MSM). The nonlinear partial differential equations of motion are based on the FGM shallow shell hypothesis, the non-linear geometric Von-Karman relationships, and the Galerkin method to reduce the partial differential equations associated with simply supported boundary conditions. The novelty of the present model is the simultaneous prediction of the natural frequencies and their mode shapes versus different curvatures (cylindrical, spherical, conical, and plate) and the different types of FG-CNTs. In addition to combining the vibration analysis with optimization algorithms based on the genetic algorithm, a design optimization methode was developed to maximize the natural frequencies. By considering the expression of the non-dimensional frequency as an objective optimization function, a genetic algorithm program was developed by valuing the mechanical properties, the geometric properties and the FG-CNT configuration of shallow double curvature shells. The results obtained show that the curvature, the volume fraction and the types of NTC distribution have considerable effects on the variation of the Dimensionless Fundamental Linear Frequency (DFLF). The frequency response of the shallow shells of the FG-CNTRC showed two types of nonlinear hardening and softening which are strongly influenced by the change in the fundamental vibration mode. In GA optimization, the mechanical properties and geometric properties in the transverse direction, the volume fraction, and types of distribution of CNTs have a considerable effect on the fundamental frequencies of shallow double-curvature shells. Where the difference between optimized and not optimized DFLF can reach 13.26%.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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