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.
Park, Heui-Joo;Lee, Hansoo;Kang, Hee-Suk;Park, Yong-Ho;Lee, Chang-Woo
Nuclear Engineering and Technology
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v.34
no.3
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pp.242-249
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2002
The relationship between the tritium release rate from the nuclear power plant and tritium concentration in the environment around the Kori site was modeled. The tritium concentration in the atmosphere was calculated by multiplying the release rates and $\chi$/Q values, and the d3V deposition rate at each sector according to the direction and the distance was obtained using a dry deposition velocity. The area around Kori site was divided into 6 zones according to the deposition rate. The six zones were divided into 14 compartments for the numerical simulation. Transfer coefficients between the compartments were derived using site characterization data. Source terms were calculated from the dry deposition rates. Tritium concentration in surface soil water and groundwater was calculated based upon a compartment model. The semi-analytical solution of the compartment model was obtained with a computer program, AMBER. The results showed that most of tritium deposited onto the land released into the atmosphere and the sea. Also, the estimated concentration in the top soil agreed well to that measured. Using the model, tritium concentration was predicted in the case that the tritium release rates were doubled.
In this study, continuous contact problem in the functionally graded (FG) layer loaded with a FG flat punch resting on the elastic semi-infinite plane was analyzed by the finite element method (FEM). It was assumed that the shear modulus and density of the layer and punch varied according to exponentially throughout their depth. FG layer's weight was included to the problem and additionally all surfaces were considered as frictionless. Analysis of FG materials was performed with a special macro which was added to the ANSYS program. Firstly, the shear modulus of the punch was considered to be very rigid and the results of initial separation load (λcr) and distance (xcr) were compared with the analytical solution. Afterwards, results obtained from the contact analysis made according to the inhomogeneity parameters (β, γ) between FG punch-FG layer which had been unprecedented in the literature were discussed. As a result, FG punch's stress values at the punch edges where stress accumulations occurred were found to be smaller than the rigid punch. The security of the structure, longer life of the material and ease of production are directly related to the reduction of the stress values. The results obtained in this study are important in this respect. Also this work is the first study that investigates the effect of FG punch on the FG layer.
The major objective of this paper is to study the receding contact problem between two functional graded layers under a flat indenter. The gravity is assumed negligible, and the shear moduli of both layers are assumed to vary exponentially along the thickness direction. In the absence of body forces, the problem is reduced to a system of Fredholm singular integral equations with the contact pressure and contact size as unknowns via Fourier integral transform, which is transformed into an algebraic one by the Gauss-Chebyshev quadratures and polynomials of both the first and second kinds. Then, an iterative speediest descending algorithm is proposed to numerically solve the system of algebraic equations. Both semi-analytical and finite element method, FEM solutions for the presented problem validate each other. To improve the accuracy of the numerical result of FEM, a graded FEM solution is performed to simulate the FGM mechanical characteristics. The results reveal the potential links between the contact stress/size and the indenter size, the thickness, as well as some other material properties of FGM.
Multiple studies conducted in the past evaluated the conductor response under one tornado wind field, while the performance of transmission lines under different tornado wind fields still remains unknown. Thus, the objective of this paper is to estimate the variation in the conductor's critical longitudinal and transverse reactions under different tornado wind fields, as well as providing the corresponding critical tornado configurations. The considered full-scale tornadoes are the Spencer, South Dakota, 1998, the Stockton, Kansas, 2005 and the Goshen County, Wyoming, 2009. Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations were previously conducted to develop these wind fields. All tornadoes have been rescaled to have a common velocity matching the upper limit of the F2 Fujita scale. Eight conductor systems, each including six spans, are considered in this paper. For each conductor, parametric studies are conducted by varying the location of the three tornado wind fields relative to the tower of interest, therefore the peak reactions associated with each tornado are determined. A semi-analytical closed-form solution, previously developed and validated, is used to calculate the reactions. The study conducted in this paper can be divided into two parts: In the first part, a parametric study considering a wide range of tornado locations is conducted. In the second part, the parametric study focuses on the tornado location leading to the critical tangential velocity on the tower. Based on this extensive parametric study, a critical tornado defined as the Design Tornado and its critical locations, tornado distance R = 125 m, tornado angle 𝜃 = 15° and 30°, are recommended for design purposes.
Sunil S. Yadav;Keshav K. Sangle;Mandar U. Kokane;Sandeep S. Pendhari;Yuwaraj M. Ghugal
Advances in aircraft and spacecraft science
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v.10
no.3
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pp.281-302
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2023
In this paper, bending analysis of exponentially varying functionally graded (FG) plate is presented using trigonometric shear deformation theory (TSDT) considering both transverse shear and normal deformation effects. The in-plane displacement field consists of sinusoidal functions in thickness direction to include transverse shear strains and transverse displacement include the effect of transverse normal strain using the cosine function in thickness coordinate. The governing equations and boundary conditions of the theory are derived using the virtual work principle. System of governing equations, for simply supported conditions, Navier's solution technique is used to obtain results. Plate material properties vary across thickness direction according to exponential distribution law. In the current theory, transverse shear stresses are distributed accurately through the plate thickness, hence obviates the need for a shear correction factor. TSDT results are compared with those from other theories to ensure the accuracy and effectiveness of the present theory. The current theory is in excellent agreement with the semi-analytical theory.
In this study, contact analysis in a functionally graded (FG) layer loaded with two circular punches is solved using the finite element method (FEM). The problem is consisted of a functionally graded layer that resting on an elastic semi-infinite plane and is loaded with two rigid punches of circular geometry. External loads P and Q are transferred to the layer via two rigid punches. The finite element model of the functionally graded layer is created using the ANSYS package program and a 2-dimensional analysis of the problem is analyzed. The contact lengths, obtained as a result of the analysis are compared with the analytical solution in the literature. In the study, the effects of parameters such as distances between punches, loads, inhomogenity parameter on contact zones, initial separation loads and distances, normal stresses, stresses across depth and contact stresses are investigated. As a result, in this study, it can be said that the magnitude of the stresses occurring in the FG layer is less than the homogeneous layer, therefore the life of FG materials will be longer than the homogeneous layer. When the distance between the punches is 2.25, the initial separation distance is 6.98, and when the distance between the punches is 4, the initial separation distance decreases to 6.10. In addition, when the load increased in the second punch, the initial separation load decreased from 55 to 18. The obtained results are presented in the form of graphs and tables.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.22
no.1
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pp.117-124
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2009
The p-convergent boundary element method has been proposed to analyze two-dimensional potential problem on the basis of high order Legendre shape functions that have different property comparing with the shape functions in conventional boundary element method. The location of nodes corresponding to high order shape function are not defined along the boundary, called by nodeless node, similar to the p-convergent finite element method. As the order of shape function increases, the collocation point method is used to solve linear simultaneous equations. The collocation patterns of p-convergent boundary element method consist of non-symmetric hierarchial or symmetric non-hierarchical. As the order of shape function increases, the number of collocation point increases. The singular integral that appears in p-convergent boundary element has been calculated by special numeric quadrature technique and semi-analytical integration technique. The L-shape domain problem including singularity in the vicinity of reentrant comer is analyzed and the numerical results show that the relative error is smaller than $10^{-2}%$ range as compared with other results in literatures. In case of same condition, the symmetric p-collocation point pattern shows high accuracy of solution.
With the wide application of urban subway tunnels, the foundation pits of new stations and existing subway tunnels are becoming increasingly close, and even zero-distance close-fitting construction has taken place. To optimize the construction support scheme, the existing tunnel's vertical displacement is theoretically analyzed using the two-stage analysis method to understand the action mechanism of the construction of zero-distance deep large foundation pits on both sides of the existing stations; a three-dimensional numerical calculation is also performed for further analysis. First, the additional stress field on the existing tunnel caused by the unloading of zero-distance foundation pits on both sides of the tunnel is derived based on the Mindlin stress solution of a semi-infinite elastic body under internal load. Then, considering the existing subway tunnel's joints, shear stiffness, and shear soil deformation effect, the tunnel is regarded as a Timoshenko beam placed on the Kerr foundation; a sixth-order differential control equation of the tunnel under the action of additional stress is subsequently established for solving the vertical displacement of the tunnel. These theoretical calculation results are then compared with the numerical simulation results and monitoring data. Finally, an optimized foundation pit support scheme is obtained considering the pit corner effect and external corner failure mode. The research shows a high consistency between the monitoring data,analytical and numerical solution, and the closer the tunnel is to the foundation pit, the more uplift deformation will occur. The internal corner of the foundation pit can restrain the deformation of the tunnel and the retaining structure, while the external corner can cause local stress concentration on the diaphragm wall. The proposed optimization scheme can effectively reduce construction costs while meeting the safety requirements of foundation pit support structures.
Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers
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v.49
no.9
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pp.3-10
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2012
In this paper, CDD(Cyclic Delay Diversity)-DSF(decode-and-selectively forward) relay schemes are proposed for MC-CDMA(multicarrier-code division multiple access) systems over multipath Rayleigh fading channels. On the contrary to general DSF schemes, each relay equipped a CDD method can transmit on single channel. Therefore, all link channels between destination and relays can be considered as a single channel which is widely delay spread. The cooperative diversity of relay networks can be obtained as the frequency diversity for MC-CDMA systems with proposed CDD schemes. Furthermore, a semi-analytical approach for the averaged bit error rare(BER) performance evaluation is proposed for the proposed CDD-DSF-Relay schemes. By simulation and numerical results, it is confirmed that the proposed one can be a possible solution to achieve cooperative diversity gain without a reduction of spectral efficiency.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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