The main objective of this paper is to develop the finite element study on the nonlinear free vibration of functionally graded nanocomposite spherical shells reinforced with graphene platelets under the first-order shear deformation shell theory and von Kármán nonlinear kinematic relations. The governing equations are presented by introducing the full asymmetric nonlinear strain-displacement relations followed by the constitutive relations and energy functional. The extended Halpin-Tsai model is utilized to specify the overall Young's modulus of the nanocomposite. Then, the finite element formulation is derived and the quadrilateral 8-node shell element is implemented for finite element discretization. The nonlinear sets of dynamic equations are solved by the use of the harmonic balance technique and iterative method to find the nonlinear frequency response. Several numerical examples are represented to highlight the impact of involved factors on the large-amplitude vibration responses of nanocomposite spherical shells. One of the main findings is that for some geometrical and material parameters, the fundamental vibrational mode shape is asymmetric and the axisymmetric formulation cannot be appropriately employed to model the nonlinear dynamic behavior of nanocomposite spherical shells.
Moon, Jiho;Ko, Hee-Jung;Sung, Ik Hyun;Lee, Hak-Eun
Steel and Composite Structures
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v.18
no.1
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pp.255-271
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2015
This paper presents the natural frequency of a composite girder with corrugated steel web (CGCSW). A corrugated steel web has negligible in-plane axial stiffness, due to the unique characteristic of corrugated steel webs, which is called the accordion effect. Thus, the corrugated steel web only resists shear force. Further, the shear buckling resistance and out-of-plane stiffness of the web can be enhanced by using a corrugated steel web, since the inclined panels serve as transverse stiffeners. To take these advantages, the corrugated steel web has been used as an alternative to the conventional pre-stressed concrete girder. However, studies about the dynamic characteristics, such as the natural frequency of a CGCSW, have not been sufficiently reported, and it is expected that the natural frequency of a CGCSW is different from that of a composite girder with flat web due to the unique characteristic of the corrugated steel web. In this study, the natural frequency of a CGCSW was investigated through a series of experimental studies and finite element analysis. An experimental study was conducted to evaluate the natural frequency of CGCSW, and the results were compared with those from finite element analysis for verification purpose. A parametric study was then performed to investigate the effect of the geometric characteristics of the corrugated steel web on the natural frequency of the CGCSW. Finally, a simplified beam model to predict the natural frequency of a CGCSW was suggested.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.31
no.4
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pp.44-52
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2003
Shape memory alloys (SMA) are often used in smart structures as active components. Their ability to provide large recovery forces and displacements has been useful in many applications, including devices for artificial muscles, active structural acoustic control, and shape control. Based on the 3-dimensional SMA constitutive equation in this paper, the radial displacement control of externally pressurized circular and semicircular composite cylinders under external pressure with a thin SMA layer bonded on its inner surface or inserted between composite layers in investigated using 3-dimensional finite element analysis. Upon actuation through resistive heating, SMAs start to transform from martensitic into austenitic state, simultaneously recover the prestrain, and thus cause the composite cylinders to go back to their original shapes of the cylinder cross-sections.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.11
no.12
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pp.5199-5206
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2010
In this paper, we investigate the buckling analysis of laminated composite plates, using a improved assumed natural strain shell element. In order to overcome membrane and shear locking phenomena, the assumed natural strain method is used. The eigenvalues of the laminated composite plates are calculated by varying the width-thickness ratio and angle of fiber. To improve an shell element for buckling analysis, the new combination of sampling points for assumed natural strain method was applied and the refined first-order shear deformation theory which allows the shear deformation without shear correction factor. In order to validate the present solutions, the reference solutions are used and discussed. The results of laminated composite plates under the in-plane shear loading may be the benchmark test for the buckling analysis.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.44
no.8
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pp.649-656
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2016
Thick composite disks are utilized in the fast-rotating machines such as turbine disks, flywheels, and so on. The effects of rotating speed on the dynamic characteristics of thick composite disks are deeply studied in this paper. The dynamic governing equations of a rotating composite disk including transverse shear and rotary inertia are derived and then formulated into the finite element equation. Isotropic, circumferentially reinforced disk, and radially reinforced disk are selected for the numerical analysis. The inclusion of the transverse shear and rotary inertia into the governing equation of the rotating disks makes the natural frequency reduced as well as the critical speed. The present results show that the rotation of a thick disk may not reduce the effect of transverse shear and rotary inertia depending on anisotropy, thickness ratio and mode, unlike the results reported in other studies.
In this paper, we evaluate structural integrity of the wearable robot by using finite element analysis, which is made of CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) composite materials to be lightened. On the basis of the ASTM(American Standard Test Method), mechanical tests of the material are carried out in tensile, compressive and shear test for analytical evaluation. With the tested composite material, the main frame and two femoral frames of the robot is redesigned to satisfy the lightening design requirements. It is verified with the structural analysis that the redesigned frames are good for the part of the wearable robot.
In this study, tests and finite element analyses were performed regarding compression after impact strength for laminated composite structures of unidirectional carbon fiber reinforced plastic widely used in structural materials. Two lay-up sequences of composite laminates were selected as test specimens and four impact energy conditions were applied respectively. Impact and compressive strength tests were conducted in accordance with ASTM standards. Impact damages in test specimens were analyzed by using non-destructive inspection method of C-Scan, and compression after impact strengths were calculated with compressive test results. Progressive failure analysis method that can progressively simulate damages and fractures of fiber/matrix/lamina/laminate level was used for impact and compressive strength analyses. All analysis results including contact force, deflection, impact damages, compressive strengths, etc. were compared to test results, and the validity of analysis method was verified.
In this paper, the equivalent elastic properties of fiber reinforced plastic laminar are investigated using various homogenization schemes. Although there are several methods for predicting the equivalent elastic properties such as analytical formula or semi-empirical formula, most of them have some limitations or are not much accurate when handling new composite material consisting of various fiber, matrix and fiber-volume fraction ratio. To resolve the issues, computational homogenization scheme is adopted with a representative volume element (RVE) comprised of a set of finite elements. Finally, the equivalent elastic properties are obtained by applying periodic boundary conditions. The obtained results are compared with those by the existing methods and test results. Also its effect on structural analysis results of the composite satellite panel is investigated.
Kim, Yo-Sik;Bae, Ki-Hyoung;Yu, Byung-Gil;Kim, Min-Sung;Park, Chan-Yik
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.41
no.10
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pp.820-826
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2013
In this paper, a compact and wideband CLAS(Conformal Load bearing Antenna Structure) was studied using smart skin technique. In order to satisfy the electrical performance of the CLAS antenna, the proposed CLAS antenna is composed of conductive mesh, face-sheet, radiator, honeycomb, housing. Especially, radiator is composed of composite magneto-dielectric material and radiating element etched on the PCB (Printed Circuit Board). The radiating element is inserted into the composite magneto-dielectric material and has sloted Folded LP(Log Periodic) structure. By fabricated composite magneto-dielectric, the resonance frequency is decreased and the impedance matching characteristics is improved. We verified that the antenna has wideband characteristics and compact size using the antenna test results.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.14
no.11
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pp.5979-5986
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2013
This study carried out a geometrical nonlinear dynamic analysis of laminated composite shell structures. Based on the first-order shear deformation shell theory and nonlinear formulation of Sanders, the Newmark method and Newton-Raphson iteration are used for dynamic solution considering nonlinear effects. The effects of radius, fiber angles, and layup sequences on the nonlinear dynamic response for various parameters are studied using a nonlinear dynamic finite element program developed for this study. The several numerical results were in good agreement with those reported by other investigators for square composite plates, and the new results reported in this paper show the significant interactions between the radius, fiber angles and layup sequence in the laminate. Key observation points are discussed and a brief design guideline of laminated composite shells is given.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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