Khadir, Adnan I.;Daikh, Ahmed Amine;Eltaher, Mohamed A.
Advances in nano research
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v.11
no.6
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pp.621-640
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2021
Effect of thickness stretching on mechanical behavior of functionally graded (FG) carbon nanotubes reinforced composite (CNTRC) laminated nanoplates resting on elastic foundation is analyzed in this paper using a novel quasi 3D higher-order shear deformation theory. The key feature of this theoretical formulation is that, in addition to considering the thickness stretching effect, the number of unknowns of the displacement field is reduced to four, and which is more than five in the other models. Single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) are the reinforced elements and are distributed with four power-law functions which are, uniform distribution, V-distribution, O-distribution and X-distribution. To cover various boundary conditions, an analytical solution is developed based on Galerkin method to solve the governing equilibrium equations by considering the nonlocal strain gradient theory. A modified two-dimensional variable Winkler elastic foundation is proposed in this study for the first time. A parametric study is executed to determine the influence of the reinforcement patterns, power-law index, nonlocal parameter, length scale parameter, thickness and aspect ratios, elastic foundation, thermal environments, and various boundary conditions on stresses, displacements, buckling loads and frequencies of the CNTRC laminated nanoplate.
Basha, Muhammad;Daikh, Ahmed Amine;Melaibari, Ammar;Wagih, Ahmed;Othman, Ramzi;Almitani, Khalid H;Hamed, Mostafa A.;Abdelrahman, Alaa;Eltaher, Mohamed A.
Steel and Composite Structures
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v.43
no.5
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pp.639-660
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2022
The bending and buckling behaviours of FG-GRNC laminated sandwich plates are investigated by using novel five-variables quasi 3D higher order shear deformation plate theory by considering the modified continuum nonlocal strain gradient theory. To calculate the effective Young's modulus of the GRNC sandwich plate along the thickness direction, and Poisson's ratio and mass density, the modified Halpin-Tsai model and the rule of the mixture are employed. Based on a new field of displacement, governing equilibrium equations of the GRNC sandwich plate are solved using a developed approach of Galerkin method. A detailed parametric analysis is carried out to highlight the influences of length scale and material scale parameters, GPLs distribution pattern, the weight fraction of GPLs, geometry and size of GPLs, the geometry of the sandwich plate and the total number of layers on the stresses, deformation and critical buckling loads. Some details are studied exclusively for the first time, such as stresses and the nonlocality effect.
After an emergency shutdown of a lead-bismuth fast reactor, thermal stratification occurs in the upper Plenum, which negatively impacts the integrity of the reactor structure and the residual heat removal capacity of natural circulation flow. The research on thermal stratification of reactors has mainly been conducted using an experimental method, a system program, and computational fluid dynamics (CFD). However, the equipment required for the experimental method is expensive, accuracy of the system program is unpredictable, and resources and time required for the CFD approach are extensive. To overcome the defects of thermal stratification analysis, a high-precision full-order thermal stratification model based on CFD technology is prepared in this study. Furthermore, a reduced-order model has been developed by combining proper orthogonal decomposition (POD) with Galerkin projection. A comparative analysis of thermal stratification with the proposed full-order model reveals that the reduced-order thermal stratification model can well simulate the temperature distribution in the upper plenum and rapidly elucidate the thermal stratification interface characteristics during the lead-bismuth fast reactor accident. Overall, this study provides an analytical tool for determining the thermal stratification mechanism and reducing thermal stratification.
This article presents the numerical modelling of transient heat transfer in highly heterogeneous composite materials where the thermal conductivity, specific heat and density are assumed to be directional-dependent. This article uses a coupled finite element-finite difference scheme to perform the transient heat transfer analysis of unidirectional (1D) and multidirectional (2D/3D) functionally graded composite panels. Here, 1D/2D/3D functionally graded structures are subjected to nonuniform heat source and inhomogeneous boundary conditions. Here, the multidirectional functionally graded materials are modelled by varying material properties in individual or in-combination of spatial directions. Here, fully spatial-dependent material properties are evaluated using Voigt's micromechanics scheme via multivariable power-law functions. The weak form is obtained through the Galerkin method and solved further via the element-space and time-step discretisation through the 2D-isoparametric finite element and the implicit backward finite difference schemes, respectively. The present model is verified by comparing it with the previously reported results and the commercially available finite element tool. The numerous illustrations confirm the significance of boundary conditions and material heterogeneity on the transient temperature responses of 1D/2D/3D functionally graded panels.
Conical shell is a common engineering structure, which is widely used in machinery, civil and construction fields. Most of them are usually exposed to external environments, temperature is an important factor affecting its performance. If the external temperature is too high, the deformation of the conical shell will occur, leading to a decrease in stability. Therefore, studying the thermal-post buckling behavior of conical shells is of great significance. This article takes graphene platelets reinforced metal foams (GPLRMF) conical shells as the research object, and uses high-order shear deformation theory (HSDT) to study the thermal post-buckling behaviors. Based on general variational principle, the governing equation of a GPLRMF conical shell is deduced, and discretized and solved by Galerkin method to obtain the critical buckling temperature and thermal post-buckling response of conical shells under various influencing factors. Finally, the effects of cone angles, GPLs distribution types, GPLs mass fraction, porosity distribution types and porosity coefficient on the thermal post-buckling behaviors of conical shells are analyzed in detail. The results show that the cone angle has a significant impact on the nonlinear thermal stability of the conical shells.
Mohamed A. Eltaher;A.A. Daikh;Amin Hamdi;Gamal S. Abdelhaffez; Azza M. Abdraboh
Advances in nano research
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v.17
no.4
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pp.335-350
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2024
This paper investigates the mechanical behavior of a new type of functionally graded graphene-reinforced nanocomposite (FG-GRNC) doubly-curved laminated shells, referred to as cosine FG-GRNC. The study employs a refined higher-order shear deformation shell theory combined with a modified continuum nonlocal strain gradient theory. The effective Young's modulus of the GRNC shell in the thickness direction is determined using the modified Halpin-Tsai model, while Poisson's ratio and mass density are calculated using the rule of mixtures. The analysis includes two graphene-reinforced distribution patterns-FG-A CNRCs and FG-B CNRCs-along with uniform UD CNRCs. An enhanced Galerkin method is used to solve the governing equilibrium equations for the GRNC nanoshell, yielding closed-form solutions for bending deflection and critical buckling loads. The nanoshell is supported by an orthotropic elastic foundation characterized by three parameters. A detailed parametric analysis is performed to evaluate how factors such as the length scale parameter, nonlocal parameter, distribution pattern, GPL weight fraction, shell thickness, and shell geometry influence deflections and critical buckling loads.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.27
no.1
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pp.17-26
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2014
This paper presents a dynamic crack propagation algorithm based on the Moving Least Squares(MLS) difference method. The derivative approximation for the MLS difference method is derived by Taylor expansion and moving least squares procedure. The method can analyze dynamic crack problems using only node model, which is completely free from the constraint of grid or mesh structure. The dynamic equilibrium equation is integrated by the Newmark method. When a crack propagates, the MLS difference method does not need the reconstruction of mode model at every time step, instead, partial revision of nodal arrangement near the new crack tip is carried out. A crack is modeled by the visibility criterion and dynamic energy release rate is evaluated to decide the onset of crack growth together with the corresponding growth angle. Mode I and mixed mode crack propagation problems are numerically simulated and the accuracy and stability of the proposed algorithm are successfully verified through the comparison with the analytical solutions and the Element-Free Galerkin method results.
A research was conducted to develop a 2-D nonlinear Galerkin finite element analysis of reinforced concrete structures subjected to high temperature with experiments. Algorithms for calculating the closed-form element stiffness for a triangular element with a fully populated material conductance are developed. The validity of the numerical model used in the program is established by comparing the prediction from the computer program with results from full-scale fire resistance tests. Details of fire resistance experiments carried out on reinforced concrete slabs, together with results, are presented. The results obtained from experimental test indicated in that the proposed numerical model and the implemented codes are accurate and reliable. The changes in thermal parameters are discussed from the point of view of changes of structure and chemical composition due to the high temperature exposure. The proposed numerical model takes into account time-varying thermal loads, convection and radiation affected heat fluctuation, and temperature-dependent material properties. Although, this study considered standard fire scenario for reinforced concrete slabs, other time versus temperature relationship can be easily incorporated.
This thesis deals with a method to solve a two-and-one-half-dimensional ($2\frac12$ D) problem, which means that the ocean environment is two-dimensional whereas the source is fully three-dimensionally propagating, including three-dimensional refraction phenomena and three-dimensional back-scattering, using two-dimensional two-way parabolic equation method combined with Fourier synthesis. Two dimensional two-way parabolic equation method uses Galerkin's method for depth and Crank-Nicolson method and alternating direction for range and provides a solution available to range-dependent problem with wave-field back-scattered from discontinuous interface. Since wavenumber, k, is the function of depth and vertical or horizontal range, we can reduce a dimension of three-dimensional Helmholtz equation by Fourier transforming in the range direction. Thus transformed two-dimensional Helmholtz equation is solved through two-way parabolic equation method. Finally, we can have the $2\frac12$ D solution by inverse Fourier transformation of the spectral solution gained from in the last step. Numerical simulation has been carried out for a canonical ocean environment with stair-step bottom in order to test its accuracy using the present analysis. With this spectral parabolic equation method, we have examined three-dimensional acoustic propagation properties in a specified site in the Korean Straits.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.26
no.5A
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pp.861-872
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2006
The element free Galerkin method is extended by the local partition of unity method to model the cohesive cracks in two dimensional continuum. The shape function of a particle whose domain of influence is completely cut by a crack is enriched by the step enrichment function. If the domain of influence contains a crack tip inside, it is enriched by a branch enrichment function which does not have the LEFM stress singularity. The discrete equations are obtained directly from the standard Galerkin method since the enrichment is only for the displacement field, which satisfies the local partition of unity. Because only particles whose domains of influence are influenced by a crack are enriched, the system matrix is still sparse so that the increase of the computational cost is minimized. The condition for crack growth in dynamic problems is obtained from the material instability; when the acoustic tensor loses the positive definiteness, a cohesive crack is inserted to the point so as to change the continuum to a discontiuum. The crack speed is naturally obtained from the criterion. It is found that this method is more accurate and converges faster than the classical meshless methods which are based on the visibility concept. In this paper, several well-known static and dynamic problems were solved to verify the method.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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