Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.29
no.4
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pp.293-299
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2016
In this paper, a projection method is introduced which is used in topology design optimization. In the projection method, each active design variable is projected onto the design domain depending on the shape and size of the projection functions, and the finite element under this projection receives a solid material. Furthermore, the size of the projection function defines the minimum length scale of the structural members. Therefore, a designer can easily apply design constraints without complicated post-processing procedure. In addition, the projection method can be combined with the homogenization theory, and applied to material design problem for composite materials. Topology design optimization for the unit-cell of the periodic structures can maximize the effective material properties, which yields the optimal material distribution with maximum bulk or shear moduli under a given volume fraction.
The interlaminar problems near the free edge of composite laminates are analyzed in this paper. CFRP specimen ([+40/-40]s) and interleaved specimen ([+40//-40]s) with non-woven carbon tissue (NWCT) are discussed under tensile loading condition. The symbol “//”means that the NWCT is located between the CFRP interfaces. The NWCT has carbon short fibers which are discretely distributed with the in-plane random orientation. It was reported/sup 3)/ that the Mode Ⅱ interlaminar fracture toughness of CFRP laminates with NWCT is increased largely and the Mode I interlaminar fracture toughness is not changed significantly. Mode Ⅲ interlaminar fracture toughness is also an important factor in composite structures. But it is not easy to experimentally investigate the Mode Ⅲ interlaminar fracture toughness. The objective of this work is to study the effect of the NWCT and to fundamentally understand the Mode Ⅲ interlaminar shear characteristics of laminated composites with NWCT in the vicinity of a free edge by using finite element method analysis.
Drying shrinkage of concrete occurs due to the loss of moisture and thus, it is controlled by moisture diffusion process. On the other hand, the shrinkage causes cracking of concrete and affects its moisture diffusion properties. Therefore, moisture diffusion and drying shrinkage are two coupled processes and their interactive effect is important for the durability of concrete structures. In this paper, the two material parameters in the moisture diffusion equation, i.e., the moisture capacity and humidity diffusivity, are modified by two different methods to include the effect of drying shrinkage on the moisture diffusion. The effect of drying shrinkage on the humidity diffusivity is introduced by the scalar damage parameter. The effect of drying shrinkage on the moisture capacity is evaluated by an analytical model based on non-equilibrium thermodynamics and minimum potential energy principle for a two-phase composite. The mechanical part of drying shrinkage is modeled as an elastoplastic damage problem. The coupled problem of moisture diffusion and drying shrinkage is solved using a finite element method. The present model can predict that the drying shrinkage accelerates the moisture diffusion in concrete, and in turn, the accelerated drying process increases the shrinkage strain. The coupling effects are demonstrated by a numerical example.
In the present paper, a multilevel approach for the local nanobuckling analysis of carbon nanotube (CNT) based composite materials is proposed and described. The approach comprises four levels, all of them at nanoscale. The first level aims to propose the potential that describes the interatomic forces between carbon atoms. In the second level, molecular dynamics simulations are performed to extract the elastic properties of the CNT. The third level aims to determine the stiffness of the material that surrounds the CNT (matrix), using the annular membrane analysis. In the fourth level, finite strip analysis of the CNT elastically restrained by the matrix is performed to calculate the critical strain at which the CNT buckles locally. In order to achieve accurate results and take the CNT-matrix interaction into account, the $3^{rd}$ and $4^{th}$ steps may be repeated iteratively until convergence is achieved. The proposed multilevel approach is applied to several CNTs embedded in a cylindrical representative volume element and illustrated in detail. It shows that (i) the interaction between the CNT and the matrix should be taken into account and (ii) the buckling at nanoscale is sensitive to several types of local buckling modes.
Ataabadi, A. Kabiri;Ziaei-Rad, S.;Hosseini-Toudeshky, H.
Steel and Composite Structures
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v.12
no.1
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pp.53-72
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2012
In this study, the physically-based failure models for matrix and fibers in compression and tension loading are introduced. For the 3D stress based fiber kinking model a modification is proposed for calculation of the fiber misalignment angle. All of these models are implemented into the finite element code by using the advantage of damage variable and the numerical results are discussed. To investigate the matrix failure model, purely in-plane transverse compression experiments are carried out on the specimens made by Glass/Epoxy to obtain the fracture surface angle and then a comparison is made with the calculated numerical results. Furthermore, shear failure of $({\pm}45)_s$ model is investigated and the obtained numerical results are discussed and compared with available experimental results. Some experiments are also carried out on the woven laminated composites to investigate the fracture pattern in the matrix failure mode and shown that the presented matrix failure model can be used for the woven composites. Finally, the obtained numerical results for stress based fiber kinking model and improved ones (strain based model) are discussed and compared with each other and with the available results. The results show that these models can predict the kink band angle approximately.
Pour, H. Rahimi;Arani, A. Ghorbanpour;Sheikhzadeh, G.A.
Steel and Composite Structures
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v.23
no.6
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pp.691-714
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2017
Rotating fluid induced vibration and instability of embedded piezoelectric nano-composite separators subjected to magnetic and electric fields is the main contribution of present work. The separator is modeled with cylindrical shell element and the structural damping effects are considered by Kelvin-Voigt model. Single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) are used as reinforcement and effective material properties are obtained by mixture rule. The perturbation velocity potential in conjunction with the linearized Bernoulli formula is used for describing the rotating fluid motion. The orthotropic surrounding elastic medium is considered by spring, damper and shear constants. The governing equations are derived on the bases of classical shell theory (CST), first order shear deformation theory (FSDT) and sinusoidal shear deformation theory (SSDT). The nonlinear frequency and critical angular fluid velocity are calculated by differential quadrature method (DQM). The detailed parametric study is conducted, focusing on the combined effects of the external voltage, magnetic field, visco-Pasternak foundation, structural damping and volume percent of SWCNTs on the stability of structure. The numerical results are validated with other published works as well as comparing results obtained by three theories. Numerical results indicate that with increasing volume fraction of SWCNTs, the frequency and critical angular fluid velocity are increased.
The present article reported the thermal buckling strength of the sandwich shell panel structure and subsequent improvement of the same by embedding shape memory alloy (SMA) fibre via a general higher-order mathematical model in conjunction with finite element method. The geometrical distortion of the panel structure due to the temperature is included using Green-Lagrange strain-displacement relations. In addition, the material nonlinearity of SMA fibre due to the elevated thermal environment also incorporated in the current analysis through the marching technique. The final form of the equilibrium equation is obtained by minimising the total potential energy functional and solved computationally with the help of an original MATLAB code. The convergence and the accuracy of the developed model are demonstrated by solving similar kind of published numerical examples including the necessary input parameter. After the necessary establishment of the newly developed numerical solution, the model is extended further to examine the effect of the different structural parameters (side-to-thickness ratios, curvature ratios, core-to-face thickness ratios, volume fractions of SMA fibre and end conditions) on the buckling strength of the SMA embedded sandwich composite shell panel including the different geometrical configurations.
Seddighi, Mehdi;Barkhordari, Mohammad A.;Hosseinzadeh, S.A.A.
Steel and Composite Structures
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v.33
no.5
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pp.729-746
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2019
The nonlinear behavior of single- and multi-story steel plate shear walls (SPSWs) strengthened with three different patterns of fiber reinforced polymer (FRP) laminates (including single-strip, multi-strip and fully FRP-strengthened models) is studied using the finite element analysis. In the research, the effects of orientation, width, thickness and type (glass or carbon) of FRP sheets as well as the system aspect ratio and height are investigated. Results show that, despite an increase in the system strength using FRP sheets, ductility of reinforced SPSWs is decreased due to the delay in the initiation of yielding in the infill wall, while their initial stiffness does not change significantly. The content/type/reinforcement pattern of FRPs does affect the nonlinear behavior characteristics and also the mode and pattern of failure. In the case of multi-strip and fully FRP-strengthened models, the use of FPR sheets almost along the direction of the infill wall tension fields can maximize the effectiveness of reinforcement. In the case of single-strip pattern, the effectiveness of reinforcement is decreased for larger aspect ratios. Moreover, a relatively simplified and approximate theoretical procedure for estimating the strength of SPSWs reinforced with different patterns of FRP laminates is presented and compared with the analytical results.
Serviceability rather than strength is the most critical design requirement for vibration-vulnerable floor constructions. Annoying vibrations due to normal walking activity have been observed more frequently on long-span lightweight floor systems in office and commercial retail buildings, raising the need for the development of floor vibration design procedures. This paper highlights some limitations of one of the most commonly used guidelines AISC/CISC DG11, and proposes improvements to this method. Design charts and approximate closed form formulas to estimate the walking response are developed in which various factors relating to the dynamic characteristics of both the floor and the excitation are considered. The accuracy of the proposed formulas and other proposals found in the literature is examined. The proposed modifications would be significant, especially with long-span floors where vibration levels may be underestimated by the current design procedure. The application of the proposed prediction method is illustrated by worked examples that reveal a good agreement with results obtained from finite element analyses and experiments. The presented work would enhance the accuracy and maintain the simplicity and convenience of the design guideline.
Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology
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v.16
no.4
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pp.405-413
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2013
During the land operations, the enemy's gunnery is the primary threat. For the military vehicle, the bulletproof effect is the one of the important issues regarding the safety of soldiers on duty. Recently, the advanced military vehicles have planned to install armor plates. However, due to the budget problem, it is difficult to equip the protection systems. Hence, the optimum approach to increase bulletproof capability is essential. In this paper, the optimum thickness and component of the armor of military vehicles were evaluated by using finite element analysis for bullet impact effects. To achieve this aim, 7.62mm NATO bullet, 1.6mm steel and Kevlar-29 composite have been modeled and the simulations were conducted with various thickness cases by using MSC Nastran sol 700. Consequently, it was revealed that Kevlar-29 45 Layer is appropriate thickness for 7.62 bulletproof. Furthermore, Kevlar-29 in front of steel was effective by comparison with the back of steel for bulletproof.
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