Functionally graded material (FGM) illustrates a novel class of composites that consists of a graded pattern of material composition. FGM is engineered to have a continuously varying spatial composition profile. Current work focused on buckling analysis of beam made of stepwise linear and quadratic graded material in axial direction subjected to axial span-load with piecewise function and rested on shear layer based on classical beam theory. The various boundary and natural conditions including simply supported (S-S), pinned - clamped (P-C), axial hinge - pinned (AH-P), axial hinge - clamped (AH-C), pinned - shear hinge (P-SHH), pinned - shear force released (P-SHR), axial hinge - shear force released (AH-SHR) and axial hinge - shear hinge (AH-SHH) are considered. To the best of the author's knowledge, buckling behavior of this kind of Euler-Bernoulli beams has not been studied yet. The equilibrium differential equation is derived by minimizing total potential energy via variational calculus and solved analytically. The boundary conditions, natural conditions and deformation continuity at concentrated load insertion point are expressed in matrix form and nontrivial solution is employed to calculate first buckling loads and corresponding mode shapes. By increasing truncation order, the relative error reduction and convergence of solution are observed. Fast convergence and good compatibility with various conditions are advantages of the proposed method. A MATLAB code is provided in appendix to employ the numerical procedure based on proposed method.
The excessive settlement and deformation of disintegrated carbonaceous mudstone (DCM) embankments under dynamic loading have long been problems for engineers and technicians. In this work, the characteristics and mechanism of the plastic deformation of DCM under different degrees of compaction, water contents and confining pressures were studied by static triaxial, dynamic triaxial and scanning electron microscopy testing. The research results show that the axial stress increases with increasing confining pressure and degree of compaction and decreases with increasing water content when DCM failure. The axial strain at failure of the DCM decreases with increasing confining pressure and degree of compaction and increases with increasing water content. Under cyclic dynamic stress, the change in the axial stress level of the DCM can be divided into four stages: the stable stage, transition stage, safety reserve stage and unstable stage, respectively. The effects of compaction, water content and confining pressure on the critical axial stress level which means shakedown of the DCM are similar. However, an increase in confining pressure reduces the effects of compaction and water content on the critical axial stress level. The main deformation of DCM is fatigue cracking. Based on the allowable critical axial stress, a method for embankment deformation control was proposed. This method can determine the degree of compaction and fill range of the embankment fill material according to the equilibrium moisture content of the DCM embankment.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1997.10a
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pp.249-253
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1997
A numerical method for evaluating the equilibrium path of cylindrical shell subject to axial load and eccentrically axial load is presented. The effects of both material and geometric nonlinearities were also considered in the analysis. The nonlinear formulation was based on the total Lagrangian description and nonlinear equtions were solved by the Newton-Raphson method with load increment procedures. Degenerate shell elements with layered approach were employed for the analysis. The elasto-plastic deformation can be found in several examples and a large eccentricity of the axial load reduces the stress level at the time of the local buckling of the pipe considerably.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.18
no.9
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pp.2431-2442
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1994
In this paper the efficient space marching Viscous Shock Layer and Parabolized Navier-Stokes method have been applied to study the complex 3-D hypersonic equilibrium chemically reacting flowfilelds over sphere-cone($10^{\circ}$) vehicle at low angles of attack($0^{\circ}~5^{\circ}), Mach 20, and an altitude of 35km. The current bluntbody/afterbody space marching numerical method predicts the complex flowfields accurately and efficiently even on a small computer. The shock thickness from equilibrium air model is thinner than that from the perfect gas model. The windside wall heat-transfer rate, pressure and skin friction force were increased significantly when compared with those of leeside. The CA, CN, CM were increased almost linearly with the angle of attack in this region. The wall pressure, heat transfer, skin friction and axial force coeffient from equilibrium model were much higher than those from perfect gas model. The center of pressure moved forward with the increase of angle of attack.
Composite beams with web openings are vulnerable to Vierendeel bending failure. The available methods provide quite conservative estimates of Vierendeel bending resistance. An alternative design method to compute the resistance was proposed in this study, based on quadratic nonlinear interactions of normalized shear force, axial force and Vierendeel bending moment. The interactions of the top and bottom Tee section must satisfy mutual conditions to prevent the Vierendeel failure. The normalized shear force and Vierendeel bending moment of the composite part were used instead in the top Tee interaction. The top Tee axial force was computed based on force equilibrium. Based on a rigid-plastic model, the composite resistance is estimated using an effective slab width of the vertical shear resistance. On using the proposed method, nonlinear reductions due to shear loads and axial forces are not required, in contrast to prior methods. The proposed method was validated against experiments from literature. The method limitations and accuracy as well as the Vierendeel behavior were investigated by finite element simulations, with varied composite beam parameters. The proposed design loads are less conservative than earlier estimates and deviate less from the simulations.
Hamed, Mostafa A.;Mohamed, Salwa A;Eltaher, Mohamed A.
Steel and Composite Structures
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v.34
no.1
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pp.75-89
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2020
The current paper illustrates the effect of in-plane varying compressive force on critical buckling loads and buckling modes of sandwich composite laminated beam rested on elastic foundation. To generalize a proposed model, unified higher order shear deformation beam theories are exploited through analysis; those satisfy the parabolic variation of shear across the thickness. Therefore, there is no need for shear correction factor. Winkler and Pasternak elastic foundations are presented to consider the effect of any elastic medium surrounding beam structure. The Hamilton's principle is proposed to derive the equilibrium equations of unified sandwich composite laminated beams. Differential quadrature numerical method (DQNM) is used to discretize the differential equilibrium equations in spatial direction. After that, eigenvalue problem is solved to obtain the buckling loads and associated mode shapes. The proposed model is validated with previous published works and good matching is observed. The numerical results are carried out to show effects of axial load functions, lamination thicknesses, orthotropy and elastic foundation constants on the buckling loads and mode shapes of sandwich composite beam. This model is important in designing of aircrafts and ships when non-uniform compressive load and shear loading is dominated.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.26
no.6
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pp.227-235
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2022
For a member model in nonlinear structural analysis, a lumped plastic model that idealizes its flexural bending, shear, and axial behaviors by springs with the nonlinear hysteretic model is widely adopted because of its simplicity and transparency compared to the other rigorous finite element methods. On the other hand, a challenging task in its numerical solution is to satisfy the equilibrium condition between nonlinear flexural bending and shear springs connected in series. Since the local forces between flexural and shear springs are not balanced when one or both springs experience stiffness changes (e.g., cracking, yielding, and unloading), the additional unbalanced force due to overshooting or undershooting each spring force is also generated. This paper introduces an iterative scheme for numerical solutions satisfying the equilibrium conditions between flexural bending and shear springs. The effect of equilibrium iteration on analysis results is shown by comparing the results obtained from the proposed method to those from the conventional scheme, where the equilibrium condition is not perfectly satisfied.
Park, Yong Myung;Yun, Jae Sun;Cho, Hyun Jun;Park, Chung Gon
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.19
no.2
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pp.191-199
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2007
This paper presents a closing method for a cable-stayed bridge erected by the free cantilever method to produce the initial equilibrium configuration at the final construction stage. To realize the initial equilibrium condition in cable-stayed bridge by the cantilever method, compatibility conditions for vertical displacements, rotational angles, and axial displacements at the closing section of both side girders should be satisfied. In this paper, it was shown that it can be accomplished by using some applicable loads during construction such as the pull-up force of the derrick crane, some cable tension forces, and jacking force at the pylon. The proposed method was applied to a construction stage analysis of a sample bridge to demonstrate its validity, and it was acknowledged that the tower was considerably affected by the compatibility condition for axial displacement in the closing step.
A close form solution of the maximum deflection for cracked columns with rectangular cross-sections was developed and thus the elastic buckling behavior and ultimate bearing capacity were studied analytically. First, taking into account the effect of the crack in the potential energy of elastic systems, a trigonometric series solution for the elastic deflection equation of an arbitrary crack position was derived by use of the Rayleigh-Ritz energy method and an analytical expression of the maximum deflection was obtained. By comparison with the rotational spring model (Okamura et al. 1969) and the equivalent stiffness method (Sinha et al. 2002), the advantages of the present solution are that there are few assumed conditions and the effect of axial compression on crack closure was considered. Second, based on the above solutions, the equilibrium paths of the elastic buckling were analytically described for cracked columns subjected to both axial and eccentric compressive load. Finally, as examples, the influence of crack depth, load eccentricity and column slenderness on the elastic buckling behavior was investigated in the case of a rectangular column with a single-edge crack. The relationship of the load capacity of the column with respect to crack depth and eccentricity or slenderness was also illustrated. The analytical and numerical results from the examples show that there are three kinds of collapse mechanisms for the various states of cracking, eccentricity and slenderness. These are the bifurcation for axial compression, the limit point instability for the condition of the deeper crack and lighter eccentricity and the fracture for higher eccentricity. As a result, the conception of critical transition eccentricity $(e/h)_c$, from limit-point buckling to fracture failure, was proposed and the critical values of $(e/h)_c$ were numerically determined for various eccentricities, crack depths and slenderness.
Kim, Minjun;Chang, Sehyun;Lee, Byungrim;Park, Youngdae;Cho, Hyunseok
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.22
no.3
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pp.130-135
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2014
In this paper, a new estimation method is proposed to calculate steering rack axial force using a 3 dimensional tire mesh model when a car is standing on the road. This model is established by considering changes of camber angle and contact patch between the tires and the ground according to steering angle. The steering rack bar axial force is estimated based on the static equilibrium equations of forces and moments. A tire friction force is supposed to act on the center point of the contact patch, and the proportional coefficient of friction depending on contact patch is suggested. Using the proposed estimation method, rack axial force sensitivity analysis is evaluated according to changes of suspension geometry. Then optimal motor power of Motor Driven Power Steering(MDPS) is evaluated using suggested rack forces.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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