This paper examines the thermal post-buckling behaviors of graphene-reinforced metal matrix composite (GRMMC) laminated cylindrical panels which possess in-plane negative Poisson's ratio (NPR) and rest on an elastic foundation. A panel consists of GRMMC layers of piece-wise varying graphene volume fractions to obtain functionally graded (FG) patterns. Based on the MD simulation results, the GRMMCs exhibit in-plane NPR as well as temperature-dependent material properties. The governing equations for the thermal post-buckling of panels are based on the Reddy's third order shear deformation shell theory. The von Karman nonlinear strain-displacement relationship and the elastic foundation are also included. The nonlinear partial differential equations for GRMMC laminated cylindrical panels are solved by means of a singular perturbation technique in associate with a two-step perturbation approach and in the solution process the boundary layer effect is considered. The results of numerical investigations reveal that the thermal post-buckling strength for (0/90)5T GRMMC laminated cylindrical panels can be enhanced with an FG-X pattern. The thermal post-buckling load-deflection curve of 6-layer (0/90/0)S and (0/90)3T panels of FG-X pattern are higher than those of 10-layer (0/90/0/90/0)S and (0/90)5T panels of FG-X pattern.
In the current research, the nonlinear free vibrations of curved pipes made of functionally graded (FG) carbon nanotube reinforced composite (CNTRC) materials are investigated. It is assumed that the FG-CNTRC curved pipe is supported on a three-parameter nonlinear elastic foundation and is subjected to a uniform temperature rise. Properties of the curved nanocomposite pipe are distributed across the radius of the pipe and are given by means of a refined rule of mixtures approach. It is also assumed that all thermomechanical properties of the nanocomposite pipe are temperature-dependent. The governing equations of the curved pipe are obtained using a higher order shear deformation theory, where the traction free boundary conditions are satisfied on the top and bottom surfaces of the pipe. The von Kármán type of geometrical non-linearity is included into the formulation to consider the large deflection in the curved nanocomposite pipe. For the case of nanocomposite curved pipes which are simply supported in flexure and axially immovable, the motion equations are solved using the two-step perturbation technique. The closed-form expressions are provided to obtain the small- and large-amplitude frequencies of FG-CNTRC curved pipes rested on a nonlinear elastic foundation in thermal environment. Numerical results are given to explore the effects of CNT distribution pattern, the CNT volume fraction, thermal environment, nonlinear foundation stiffness, and geometrical parameters on the fundamental linear and nonlinear frequencies of the curved nanocomposite pipe.
Alaa A. Abdelrahman;Ismail Esen;Mohammed Y. Tharwan;Amr Assie;Mohamed A Eltaher
Advances in nano research
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v.16
no.4
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pp.395-412
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2024
This article develops a nonclassical size dependent nanoplate model to study the dynamic response of functionally graded carbon nanotube (FGCNT) nanoplates under a moving load. Both nonlocal and microstructure effects are incorporated through the nonlocal strain gradient elasticity theory. To investigate the effect of reinforcement orientation of CNT, four different configurations are studied and analysed. The FGM gradation thorough the thickness direction is simulated using the power law. In the context of the first order shear deformation theory, the dynamic equations of motion and the associated boundary conditions are derived by Hamilton's principle. An analytical solution of the dynamic equations of motion is derived based on the Navier methodology. The proposed model is verified and compared with the available results in the literature and good agreement is found. The numerical results show that the dynamic performance of FGCNT nanoplates could be governed by the reinforcement pattern and volume fraction in addition to the non-classical parameters and the moving load dimensionless parameter. Obtained results are reassuring in design and analysis of nanoplates reinforced with CNTs.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.14
no.6
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pp.11-21
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2010
This study presents seismic responses of 5-story reinforced concrete structures retrofitted with the buckling-restrained braces using a time-dependent element. The time-dependent element having birth and death times can freely be activated within the user defined time intervals during the time history analysis. The buckling-restrained brace that showed the largest energy dissipation capacity among the test specimens in previous research was used for retrofitting the RC buildings in this study. It was assumed that the first story of the damaged building under the first earthquake was retrofitted with the buckling-restrained braces considered as the time-dependent element before the second of the successive earthquakes occurs. Under this assumption, this paper compares seismic responses of the RC structures with the time-dependent element subjected to the successive earthquake. Subjected to the second earthquake, it was observed that activation of the BRB systems largely decreases deformation of the moment frame where the damage was concentrated under the first earthquake. However, damages to the shear wall systems were increased after activation of the BRB systems. Since the cumulative damages of the shear wall systems were infinitesimal compared with the retrofit effect of the moment frame, the BRB system was effective under the successive earthquake.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.12
no.4
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pp.295-306
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2010
Contrary to an intact rock, the jointed rock mass shows strain-dependent deformation characteristics (elastic modulus and damping ratio). The maximum elastic modulus of a rock mass can be obtained from an elastic wave-based exploration in a small strain level and applied to seismic analyses. However, the assessment and application of the non-linear characteristics of rock masses in a small to medium strain level ($10^{-4}{\sim}0.5%$) have not been carried out yet. A non-linear dynamic analysis module is newly developed for FLAC3D to simulate strain-dependent shear modulus degradation and damping ratio amplification characteristics. The developed module is verified by analyzing the change of the Ricker wave propagation. Strain-dependent non-linear characteristics are obtained from disks of cored samples using a rock mass dynamic testing apparatus which can evaluate wave propagation characteristics in a jointed rock column. Using the experimental results and the developed non-linear dynamic module, seismic analyses are performed for the intersection of a shaft and an inclined tunnel. The numerical results show that vertical and horizontal displacements of non-linear analyses are larger than those of linear analyses. Also, non-linear analyses induce bigger bending compressive stresses acting on the lining. The bending compressive stress concentrates at the intersection part. The fundamental understanding of a strain-dependent jointed rock mass behavior is achieved in this study and the analytical procedure suggested can be effectively applied to field designs and analyses.
Ji, Cheong-Il;Cho, Sueng-Mock;Yun, Young-Soo;Kim, Seon-Bong
Fisheries and Aquatic Sciences
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v.10
no.3
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pp.103-112
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2007
High prices, overfishing, and contamination have limited the availability of natural caviar as a food product. We attempted to apply encapsulation by calcium-alginate gel membranes to caviar analog preparation in an effort to produce a high-quality replacement for natural caviar. Physical conditions of stirring speed $(X_1,\;rpm)$ and gelation time $(X_2,\;min)$ as the independent variables for gelation were optimized by response surface methodology. Sphericity $(Y_1,\;%)$, diameter $(Y_2,\;mm)$, membrane thickness $(Y_3,\;mm)$, rupture strength $(Y_4,\;g)$, and rupturing deformation $(Y_5,\;mm)$ were used as the dependent variables to compare characteristics of the capsules for caviar analogs with natural caviar. The values of the independent variables as evaluated by multiple response optimization were $X_1=-0.1271 (278 rpm) and $X_2=0.4436$ (12.2 min), respectively. Predicted values of the four dependent variables were $Y_1=97.7%,\;Y_2=2.97mm,\;Y_4=1,465g,\;and\;Y_5=1.15mm$. Membrane thickness $(Y_3)$ was eliminated from the dependent variables for multiple response optimization because it could not be measured with an image analyzer. The experimental values prepared under the optimal conditions for verification nearly coincided with the predicted values and satisfied the conditions of natural caviar.
In this paper, the first-order shear deformation theory (FSDT) (Mindlin) for continuum incorporating surface energy is exploited to study the static behavior of ultra-thin functionally graded (FG) plates. The size-dependent mechanical response is very important while the plate thickness reduces to micro/nano scales. Bulk stresses on the surfaces are required to satisfy the surface balance conditions involving surface stresses. Unlike the classical continuum plate models, the bulk transverse normal stress is preserved here. By incorporating the surface energies into the principle of minimum potential energy, a series of continuum governing differential equations which include intrinsic length scales are derived. The modifications over the classical continuum stiffness are also obtained. To illustrate the application of the theory, simply supported micro/nano scaled rectangular films subjected to a transverse mechanical load are investigated. Numerical examples are presented to present the effects of surface energies on the behavior of functionally graded (FG) film, whose effective elastic moduli of its bulk material are represented by the simple power law. The proposed model is then used for a comparison between the continuum analysis of FG ultra-thin plates with and without incorporating surface effects. Also, the transverse shear strain effect is studied by a comparison between the FG plate behavior based on Kirchhoff and Mindlin assumptions. In our analysis the residual surface tension under unstrained conditions and the surface Lame constants are expected to be the same for the upper and lower surfaces of the FG plate. The proposed model is verified by previous work.
Chaht, Fouzia Larbi;Kaci, Abdelhakim;Houari, Mohammed Sid Ahmed;Tounsi, Abdelouahed;Beg, O. Anwar;Mahmoud, S.R.
Steel and Composite Structures
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v.18
no.2
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pp.425-442
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2015
This paper addresses theoretically the bending and buckling behaviors of size-dependent nanobeams made of functionally graded materials (FGMs) including the thickness stretching effect. The size-dependent FGM nanobeam is investigated on the basis of the nonlocal continuum model. The nonlocal elastic behavior is described by the differential constitutive model of Eringen, which enables the present model to become effective in the analysis and design of nanostructures. The present model incorporates the length scale parameter (nonlocal parameter) which can capture the small scale effect, and furthermore accounts for both shear deformation and thickness stretching effects by virtue of a sinusoidal variation of all displacements through the thickness without using shear correction factor. The material properties of FGM nanobeams are assumed to vary through the thickness according to a power law. The governing equations and the related boundary conditions are derived using the principal of minimum total potential energy. A Navier-type solution is developed for simply-supported boundary conditions, and exact expressions are proposed for the deflections and the buckling load. The effects of nonlocal parameter, aspect ratio and various material compositions on the static and stability responses of the FGM nanobeam are discussed in detail. The study is relevant to nanotechnology deployment in for example aircraft structures.
Fakhar, Mohammad Hosein;Fakhar, Ahmad;Tabatabaei, Hamidreza
Steel and Composite Structures
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v.30
no.3
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pp.281-292
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2019
In this paper, analysis of critical fluid velocity and heat transfer in the nanocomposite pipes conveying nanofluid is presented. The pipe is reinforced by carbon nanotubes (CNTs) and the fluid is mixed by $AL_2O_3$ nanoparticles. The material properties of the nanocomposite pipe and nanofluid are considered temperature-dependent and the structure is subjected to magnetic field. The forces of fluid viscosity and turbulent pressure are obtained using momentum equations of fluid. Based on energy balance, the convection of inner and outer fluids, conduction of pipe and heat generation are considered. For mathematical modeling of the nanocomposite pipes, the first order shear deformation theory (FSDT) and energy method are used. Utilizing the Lagrange method, the coupled pipe-nanofluid motion equations are derived. Applying a semi-analytical method, the motion equations are solved for obtaining the critical fluid velocity and critical Reynolds and Nusselt numbers. The effects of CNTs volume percent, $AL_2O_3$ nanoparticles volume percent, length to radius ratio of the pipe and shell surface roughness were shown on the critical fluid velocity, critical Reynolds and Nusselt numbers. The results are validated with other published work which shows the accuracy of obtained results of this work. Numerical results indicate that for heat generation of $Q=10MW/m^3$, adding 6% $AL_2O_3$ nanoparticles to the fluid increases 20% the critical fluid velocity and 15% the Nusselt number which can be useful for heat exchangers.
Optimum reaction conditions for gel formation of rapeseed, Brassica napus, protein catalyzed by microbial TGase(transglutaminase) were evaluated by measuring breaking strength and deformation of gel. The polymerization of the protein gel was ascertained by SDS-PAGE and content of GL crosslinking$[{\varepsilon}-({\gamma}-glutamyl)lysine]$. In the reaction between rapeseed protein and TGase at $45^{\circ}C$ for 60 min, the breaking strength and deformation of the gel was the maximum at the ratio of 1 : 40 of enzyme to substrate. 10%(w/v) of rapeseed protein concentrate was optimum for gel production. The maximum breaking strength and deformation was shown at $45^{\circ}C$ The breaking strength increased linearly up to 90 min of the reaction time and remained unchanged. The breaking strength and deformation by TGase treatment was pH dependent and pH 7 was optimum for 10% rapeseed protein solution. SDS-PAGE analysis indicated that new band of highmolecular polymers were formed by the enzyme reaction, with disappearing the original bands of rapeseed protein. According to HPLC analysis. the content of GL crosslinking was increased from 0 to $7.14\;{\mu}mol/g$ gel for 90 min of the reaction time.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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