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.
The nonlinear snap-through buckling of functionally graded (FG) carbon nanotube reinforced composite (CNTRC) curved tubes is analytically investigated in this research. It is assumed that the FG-CNTRC curved tube is supported on a three-parameter nonlinear elastic foundation and is subjected to the uniformly distributed pressure and thermal loads. Properties of the curved nanocomposite tube 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 tube are temperature-dependent. The governing equations of the curved tube 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 tube. The von Kármán type of geometrical non-linearity is included into the formulation to consider the large deflection in the curved tube. Equations of motion are solved using the two-step perturbation technique for nanocomposite curved tubes which are simply-supported and clamped. Closed-form expressions are provided to estimate the snap-buckling resistance of FG-CNTRC curved pipes rested on nonlinear elastic foundation in thermal environment. Numerical results are given to explore the effects of the distribution pattern and volume fraction of CNTs, thermal field, foundation stiffnesses, and geometrical parameters on the instability of the curved nanocomposite tube.
Mohamed A. Eltaher;A.A. Daikh;Amin Hamdi;Gamal S. Abdelhaffez; Azza M. Abdraboh
Advances in nano research
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v.17
no.4
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pp.335-350
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2024
This paper investigates the mechanical behavior of a new type of functionally graded graphene-reinforced nanocomposite (FG-GRNC) doubly-curved laminated shells, referred to as cosine FG-GRNC. The study employs a refined higher-order shear deformation shell theory combined with a modified continuum nonlocal strain gradient theory. The effective Young's modulus of the GRNC shell in the thickness direction is determined using the modified Halpin-Tsai model, while Poisson's ratio and mass density are calculated using the rule of mixtures. The analysis includes two graphene-reinforced distribution patterns-FG-A CNRCs and FG-B CNRCs-along with uniform UD CNRCs. An enhanced Galerkin method is used to solve the governing equilibrium equations for the GRNC nanoshell, yielding closed-form solutions for bending deflection and critical buckling loads. The nanoshell is supported by an orthotropic elastic foundation characterized by three parameters. A detailed parametric analysis is performed to evaluate how factors such as the length scale parameter, nonlocal parameter, distribution pattern, GPL weight fraction, shell thickness, and shell geometry influence deflections and critical buckling loads.
In this paper, an analytical solution for thermodynamic response of functionally graded (FG) sandwich plates resting on variable elastic foundation is performed by using a quasi 3D shear deformation plate theory. The displacement field used in the present study contains undetermined integral terms and involves only four unknown functions with including stretching effect. The FG sandwich plate is considered to be subject to a time harmonic sinusoidal temperature field across its thickness with any combined boundary conditions. Equations of motion are derived from Hamilton's principle. The numerical results are compared with the existing results of quasi-3D shear deformation theories and an excellent agreement is observed. Several numerical examples for fundamental frequency, deflection, stress and variable elastic foundation parameter's analysis of FG sandwich plates are presented and discussed considering different material gradients, layer thickness ratios, thickness-to-length ratios and boundary conditions. The results of the present study reveal that the nature of the elastic foundation, the boundary conditions and the thermodynamic loading affect the response of the FG plate especially in the case of a thick plate.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.35
no.1
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pp.153-164
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2015
The methods of design of mat foundation may be classified as the rigid method and the flexible method according to the assumptions used. In the rigid method, the mat is assumed to be infinitely rigid and the contact pressure is assumed planar distribution. However, the contact pressure is not planar but curved surface because the real mat is not rigid. Therefore, it is not precise to analyze the mat foundation using the rigid method, and so there is no choice but to accept an error. On the other hand, in the flexible method, the mat is considered as the plate on the elastic foundation. This elastic plate theory is for the infinite plate acting a concentrated load on the elastic foundation. However, the functions for the moment, shear, and the deflection by the flexible method are very complex, there are many difficulties for the designer to use them. Also, it is impossible to use the design aid figures as a substitute of the complex functions, because they do not cover the values at the critical sections for the moment and shear. Therefore, in this research, the simplified functions for the moment, shear, and the deflection are proposed by regression analysis for an designer to use easily the flexible method. The simplified functions are very accurate and very ease to use.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.15
no.4
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pp.639-647
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2002
A simplified analytical procedure is presented to estimate the reduction of elastic lateral stiffness of steel moment frames arising from the radius-cut dogbone weakening. With the original radius-cut dogbone shape, it is almost impossible or too complicated to integrate analytically the mathematical expressions encountered when applying the conjugate beam method to compute the beam deflection component. In this study, the problem is circumvented by replacing the original radius-cut dogbone with an equivalent dogbone of constant width. The equivalence between the two is established by imposing an equal dogbone elongation criterion. This approach is justified by using a calibrated finite clement analysis. Then, the elastic lateral deflection components from the column, panel zone, and beam are derived for a typical beam-column subassembly. The derived results can be used to evaluate the reduction of the frame lateral stiffness. Case studies conducted within some practical ranges of frame configurations show that the reduction in frame lateral stiffness due to the presence of dogbone cut is on the order of 1 to 2 percent and is reasonably negligible in practical sense.
Bulletin of the Society of Naval Architects of Korea
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v.13
no.1
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pp.17-23
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1976
Some methods of analysis of rectangular plates under distributed load of various intensity with interior supports are presented herein. Analysis of many structures such as bottom, side shell, and deck plate of ship hull and flat slab, with or without internal supports, Floor systems of bridges, included crthotropic bridges is a problem of plate with elastic supports or continuous edges. When the four edges of rectangular plate is simply supported, the double Fourier series solution developed by Navier can represent an exact result of this problem. If two opposite edges are simply supported, Levy's method is available to give an "exact" solution. When the loading condition and supporting condition of a plate does not fall into these cases, no simple analytic method seems to be feasible. Analysis of a simply supported rectangular plate under irregularly distributed loads of various intensity with internal supports is carried out by applying Navier solution well as the "Principle of Superposition." Finite difference technique is used to solve plates under irregularly distributed loads of various intensity with internal supports and with various boundary conditions. When finite difference technique is applied to the Lagrange's plate bending equation, any of fourth order derivative term in this equation produces at least five pivotal points leading to some troubles when the resulting linear algebraic equations are to be solved. This problem was solved by reducing the order of the derivatives to two: the fourth order partial differential equation with one dependent variable, namely deflection, is changed to an equivalent pair of second order partial differential equations with two dependent variables. Finite difference technique is then applied to transform these equations to a set of simultaneous linear algebraic equations. Principle of Superposition is then applied to handle the problems caused by concentrated loads and interior supports. This method can be used for the cases of plates under irregularly distributed loads of various intensity with arbitrary conditions such as elastic supports, or continuous edges with or without interior supports, and this method can also be solve the influence values of deflection, moment and etc. at arbitrary position of plates under the live load.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.6
no.4
s.22
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pp.53-61
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2006
In th is paper, to predicting the large deformation and cyclic plastic behavior of steel members under loading, 3-Dimensional elastic-plastic FE analysis method is developed by using finite deformation theory and proposed cyclic plasticity model. finite deformation theory, described the large deformation, is formulated by using Updated-lagrangian formulation and Green's strain tensor, Jaumann's derivative of Kirchoff stress. Also, cyclic plasticity model proposed by author is applied to developed analysis method. To verification of developed analysis method, analysis result of steel plate specimen compare to the analysis result using infinitesimal deformation theory and test result. Also, load-displacement and deflection shape, analysis result of pipe-section steel column, compare to test result. The good agreement between analysis result and experiment result shown that developed 3-dimensional finite element analysis can be predict the large deformation and cyclic plastic behavior of steel members.
Acharya, Raju;Han, Jie;Parsons, Robert L.;Brennan, James J.
Geomechanics and Engineering
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v.11
no.5
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pp.625-638
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2016
This paper presents field study and numerical modeling results for a single-cell low-fill concrete box culvert under a flexible pavement subjected to traffic loading. The culvert in the field test was instrumented with displacement transducers to capture the deformations resulting from different combinations of static and traffic loads. A low-boy truck with a known axle configuration and loads was used to apply seven static load combinations and traffic loads at different speeds. Deflections under the culvert roof were measured during loading. Soil and pavement samples were obtained by drilling operation on the test site. The properties of the soil and pavement layers were determined in the laboratory. A 3-D numerical model of the culvert was developed using a finite difference program FLAC3D. Linear elastic models were used for the pavement layers and soil. The numerical results with the material properties determined in the laboratory were compared with the field test results. The observed deflections in the field test were generally smaller under moving loads than static loads. The maximum deflections measured during the static and traffic loads were 0.6 mm and 0.41 mm respectively. The deflections computed by the numerical method were in good agreement with those observed in the field test. The deflection profiles obtained from the field test and the numerical simulation suggest that the traffic load acted more like a concentrated load distributed over a limited area on the culvert. Elastic models for culverts, pavement layers, and surrounding soil are appropriate for numerical modeling of box culverts under loading for load rating purposes.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.20
no.5
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pp.66-72
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2003
In case of hollow cylinder extrusion using porthole die, the effects of extrusion parameters-temperature, the speed of extrusion, the shape of the die and mandrel-on metal flow in porthole die extrusion of aluminum have been investigated. However, there have been few studies about condenser tube extruded by porthole die. Original metal flow of condenser tube by porthole die extrusion is similar to hollow cylinder extrusion but the estimation of metal flow for extrusion parameters is different. For example, variation of chamber length in hollow extrusion only affects the welding pressure, however, the welding chamber length in condenser tube extrusion influences to the welding pressure as well as the deflection of mandrel. This study was designed to evaluate metal flow, welding pressure, extrusion load, tendency of mandrel deflection according to angular variation in the bottom of chamber in porthole die. Estimation was carried out using finite element method in as non-steady state. Analytical results can provide useful information the optimal design of porthole die.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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