This paper deals with the modal analysis of rotational shell structures by means of the numerical solution technique known as the Generalized Differential Quadrature (G. D. Q.) method. The treatment is conducted within the Reissner first order shear deformation theory (F. S. D. T.) for linearly elastic isotropic shells. Starting from a non-linear formulation, the compatibility equations via Principle of Virtual Works are obtained, for the general shell structure, given the internal equilibrium equations in terms of stress resultants and couples. These equations are subsequently linearized and specialized for the rotational geometry, expanding all problem variables in a partial Fourier series, with respect to the longitudinal coordinate. The procedure leads to the fundamental system of dynamic equilibrium equations in terms of the reference surface kinematic harmonic components. Finally, a one-dimensional problem, by means of a set of five ordinary differential equations, in which the only spatial coordinate appearing is the one along meridians, is obtained. This can be conveniently solved using an appropriate G. D. Q. method in meridional direction, yielding accurate results with an extremely low computational cost and not using the so-called "delta-point" technique.
This paper aims to investigate the transient vibration behavior of functionally graded carbon nanotube (FG-CNT) reinforced nanocomposite plate resting on Pasternak foundation under pulse excitation. The plate is considered to be composed of matrix material and multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) with distribution as per the functional grading concept. The functionally graded distribution patterns in nanocomposite plate are explained more appropriately with the layer-wise variation of carbon nanotubes weight fraction in the thickness coordinate. The layers are stacked up in such a way that it yields uniform and three other types of distribution patterns. The effective material properties of each layer in nanocomposite plate are obtained by modified Halpin-Tsai model and rule of mixtures. The governing equations of an illustrative case of simply-supported nanocomposite plate resting on the Pasternak foundation are derived from third order shear deformation theory and Navier's solution technique. A converge transient response of nanocompiste plate under uniformly distributed load with triangular pulse is obtained by varying number of layer in thickness direction. The validity and accuracy of the present model is also checked by comparing the results with those available in literature for isotropic case. Then, numerical examples are presented to highlight the effects of distribution patterns, foundation stiffness, carbon nanotube parameters and plate aspect ratio on the central deflection response. The results are extended with the consideration of proportional damping in the system and found that nanocomposite plate with distribution III have minimum settling time as compared to the other distributions.
A statistical thermodynamic theory of thermotropic main-chain polymeric liquid crystalline melts is developed within the framework of the lattice model by a generalization of the well-known procedure of Flory and DiMarzio. According to the results of Vasilenko et al., the theory of orientational ordering in melts of polymers containing rigid and flexible segments in the main chain is taken into account. When the ordering of flexible segments in the nematic melt is correlated with that of rigid mesogenic groups, the former is assumed to be given as a function of the ordering of rigid mesogenic cores. A free energy density that includes short-range packing contributions is formulated. The properties of the liquid-crystalline transiton are investigated for various cases of the system. The results calculated in this paper show not only the order-parameter values but also the first-order phase transition phenomena that are similar to those observed experimentally for the thermotropic liquid-crystalline polymers and show the transitional entropy terms which actually increase upon orientational ordering. In the orientational ordering values, it is shown that mesogenic groups, flexible segments, and gauche energy (temperature) may be quite substantial. Finally, by using the flexibility term, we predict the highly anisotropic mesophase which was shown by Vasilenko et al.
The propagation of plane waves in a linear, homogeneous and isotropic nonlocal generalized thermoelastic solid medium is considered in the framework of Lord and Shulman generalization. The governing field equations are formulated and specialized in a plane. Plane wave solutions of governing equations show that there exists three plane waves, namely, P, thermal and SV waves which propagate with distinct speeds. Reflection of P and SV waves from thermally insulated or isothermal boundary of a half-space is considered. The relevant boundary conditions are applied at stress free boundary and a non-homogeneous system of three equations in reflection coefficients is obtained. For incidence of both P and SV waves, the expressions for energy ratios of reflected P, thermal and SV waves are also obtained. The speeds and energy ratios of reflected waves are computed for relevant physical constants of a thermoelastic material. The speeds of plane waves are plotted against nonlocal parameter and frequency. The energy ratios of reflected waves are also plotted against the angle of incidence of P wave at a thermally insulated stress-free surface. The effect of nonlocal parameter is shown graphically on the speeds and energy ratios of reflected waves.
This paper aims to simulate the isotropic elastic damage theory of Liu Jun (2012) using the self-programmed UMAT subroutine in the interface of ABAQUS. Liu Jun (2012)'s method based on the mechanic theory can not be used interactively with the currently commonly used finite element software ABAQUS. The advantage of this method in the paper is that it can interact with ABAQUS and provide a constitutive program framework that can be modified according to user need. The model retains the two scalar damage variables and the corresponding two energy dissipation mechanisms and damage criteria for considering the tensile and compressive asymmetry of concrete. Taking C45 concrete as an example, the relevant damage evolution parameters of its tensile and compressive constitutive model are given. The study demonstrates that the uniaxial tensile stress calculated by the subroutine is almost the same as the Chinese Concrete Design Specification (GB50010) before the peak stress, but ends soon after the peak stress. The stress-strain curve of uniaxial compression calculated by the subroutine is in good agreement with the peak stress in Chinese Concrete Design Specification (GB50010), but there is a certain deviation in the descending stage. In addition, this paper uses the newly compiled subroutine to simulate the shear bearing capacity of the shear key in a new structural system, namely the open-web sandwich slab. The results show that the damage constitutive subroutine has certain reliability.
In this article, an analytical procedure is presented for static analysis of composite cylinders with the geometrically nonlinear behavior, and non-uniform thickness profiles under different loading conditions by considering moderately large deformation. The composite cylinder includes two inner and outer isotropic layers and one honeycomb core layer with adjustable Poisson's ratio. The Mirsky-Herman theory in conjunction with the von-Karman nonlinear theory is employed to extract the governing equations which are a system of nonlinear differential equations with variable coefficients. The governing equations are solved analytically using the matched asymptotic expansion (MAE) method of the perturbation technique and the effects of moderately large deformations are studied. The presented method obtains the results with fast convergence and high accuracy even in the regions near the boundaries. Highlights: • An analytical procedure based on the matched asymptotic expansion method is proposed for the static nonlinear analysis of composite cylindrical shells with a honeycomb core layer and non-uniform thickness. • The effect of moderately large deformation has been considered in the kinematic relations by assuming the nonlinear von Karman theory. • By conducting a parametric study, the effect of the honeycomb structure on the results is studied. • By adjusting the Poisson ratio, the effect of auxetic behavior on the nonlinear results is investigated.
Arjun Siddharth Mangalasseri;Vinyas Mahesh;Sriram Mukunda;Vishwas Mahesh;Sathiskumar A Ponnusami;Dineshkumar Harursampath;Abdelouahed Tounsi
Advances in nano research
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제14권1호
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pp.27-43
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2023
This article investigates the energy harvesting characteristics of a magneto-electro-elastic (MEE) cantilever beam reinforced with carbon nanotubes (CNT) under transverse vibration. To this end, the well-known lumped parameter model is used to represent the coupled multiphysics problem mathematically. The proposed system consists of the MEE-CNT layer on top and an inactive substrate layer at the bottom. The substrate is considered to be made of either an isotropic or composite material. Basic laws such as Gauss's Law, Newton's Law and Faraday's Law are used to arrive at the governing equations. Surface electrodes across the beam are used to harvest the electric potential produced, together with a wound coil, for the generated magnetic potential. The influence of various distributions of the CNT and its volume fraction, substrate material, length-to-thickness ratio, and thickness ratio of substrate to MEE layer on the energy harvesting behaviour is thoroughly discussed. Further, the effect of external resistances and changes in substrate material on the response is analysed and reported. The article aims to explore smart material-based energy harvesting systems, focusing on their behaviour when reinforced with carbon nanotubes. The results of this study may lead to an improved understanding of the design and analysis of CNT-based smart structures.
This paper deals with the free vibration behavior of rotating composite beams reinforced with carbon nanotubes (CNTs) under uniform thermal loads. The temperature-dependent beam material is assumed to be a mixture of single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) in an isotropic matrix and five different functionally graded (FG) distributions of CNTs are considered according to the variation along the thickness, namely the UD-uniform, FG-O, FG-V, FG-Λ and FG-X distributions where FG-V and FG-Λ are unsymmetrical patterns. Considering the Timoshenko beam theory (TBT), a new finite element formulation of functionally graded carbon nanotube reinforced composite (FGCNTRC) beam is created for the first time. And the effects of several essential parameters including rotational speed, hub radius, effective material properties, slenderness ratio, boundary conditions, thermal force and moments due to temperature variation are considered in the formulation. By implementing different boundary conditions, some new results of both symmetric and non-symmetrical distribution patterns are presented in tables and figures to be used as benchmark for further validation. In addition, as an alternative advanced composite application for rotating systems exposed to thermal load, the positive effects of CNT addition in improving the dynamic performance of the system have been observed and the results are presented in several tables and figures.
M.D. Nurul Izyan;K.K. Viswanathan;D.S. Sankar;A.K. Nor Hafizah
Structural Engineering and Mechanics
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제90권6호
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pp.601-610
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2024
Free vibration of layered conical shell frusta of thickness filled with fluid is investigated. The shell is made up of isotropic or specially orthotropic materials. Three types of thickness variations are considered, namely linear, exponential and sinusoidal along the radial direction of the conical shell structure. The equations of motion of the conical shell frusta are formulated using Love's first approximation theory along with the fluid interaction. Velocity potential and Bernoulli's equations have been applied for the expression of the pressure of the fluid. The fluid is assumed to be incompressible, inviscid and quiescent. The governing equations are modified by applying the separable form to the displacement functions and then it is obtained a system of coupled differential equations in terms of displacement functions. The displacement functions are approximated by cubic and quintics splines along with the boundary conditions to get generalized eigenvalue problem. The generalized eigenvalue problem is solved numerically for frequency parameters and then associated eigenvectors are calculated which are spline coefficients. The vibration of the shells with the effect of fluid is analyzed for finding the frequency parameters against the cone angle, length ratio, relative layer thickness, number of layers, stacking sequence, boundary conditions, linear, exponential and sinusoidal thickness variations and then results are presented in terms of tables and graphs.
The deep sea camera system could render it possible to obtain the detailed information of the nodule distribution, but difficult to estimate nodule abundance quantitatively. In order to estimate nodule abundance quantitatively from deep seabed photographs, the nodule abundance equation was derived from the box core data obtained in KODOS area(long.: $154^{\circ}{\sim}151^{\circ}W$, lat.: $9^{\circ}{\sim}12^{\circ}N$) during two survey cruises carried out in 1989 and 1990. The regression equation derived by considering extent of burial of nodule to Handa's equation compensates for the abundance error attributable to partial burial of some nodules by sediments. An average long axis and average extent of burial of nodules in photographed area are determined according to the surface textures of nodules, and nodule coverage is calculated by the image analysis method. Average nodule abundance estimated from seabed photographs by using the equation is approximately 92% of the actual average abundance in KODOS area. The measured sampling points by box core or free fall grab are in general very sparse and hence nodule abundance distribution should be interpolated and extrapolated from measured data to uncharacterized areas. The another goal of this study is to depict continuous distribution of nodule abundance in KODOS area by using PC-version of geostatistical model in which several stages are systematically proceeded. Geostatistics was used to analyse spatial structure and distribution of regionalized variable(nodule abundance) within sets of real data. In order to investigate the spatial structure of nodule abundance in KODOS area, experimental variograms were calculated and fitted to a spherical models in isotropy and anisotropy, respectively. The spherical structure models were used to map out distribution of the nodule abundance for isotropic and anisotropic models by using the kriging method. The result from anisotropic model is much more reliable than one of isotropic model. Distribution map of nodule abundance produced by PC-version of geostatistical model indicates that approximately 40% of KODOS area is considered to be promising area(nodule abundance > $5kg/m^2$) for mining in case of anisotropy.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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