In this paper, an analytical approach for the free vibration analysis of spiral stiffened functionally graded (SSFG) cylindrical shells is investigated. The SSFG shell is resting on linear and non-linear elastic foundation with damping force. The elastic foundation for the linear model is according to Winkler and Pasternak parameters and for the non-linear model, one cubic term is added. The material constitutive of the stiffeners is continuously changed through the thickness. Using the Galerkin method based on the von $K\acute{a}rm\acute{a}n$ equations and the smeared stiffeners technique, the non-linear vibration problem has been solved. The effects of different geometrical and material parameters on the free vibration response of SSFG cylindrical shells are adopted. The results show that the angles of stiffeners and elastic foundation parameters strongly effect on the natural frequencies of the SSFG cylindrical shell.
Sayed Mohammad Hossein Izadi;Mahdi Fakoor;Babak Mirzavand
Steel and Composite Structures
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제53권1호
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pp.91-101
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2024
A cost-effective fabrication method suitable for research purposes is proposed in this study. The elastic modulus of the fabricated functionally graded materials is evaluated and compared using two experimental methods: the three-point bending test and the tensile test, with a focus on the fiber volume fraction of the FGM layers. New methods for computing the elastic modulus are introduced, which are based on Castigliano's theorem and the secant modulus concept, incorporating the non-linear behavior of the material. Additionally, the mode I fracture toughness of the FGM layers is measured accurately using the three-point bending test and finite element analysis, and the influence of varying fiber volume fractions on this parameter is investigated through statistical analysis. Results indicate that while an increase in fiber volume fraction correlates with a rise in elastic modulus, it does not necessarily lead to an enhancement in mode I fracture toughness, highlighting the complex interactions between material composition and mechanical properties.
PMN-PT, a piezoelectric single crystal, has many useful applications such as sensors and actuators. In this paper, all the elastic, piezoelectric, and dielectric constants of the PMN-32%PT single crystals were measured by the resonance method. For the rhombohedral symmetry, a total of twelve independent material constants were measured such as six elastic compliance constants at constant electric field, two dielectric constants at constant stress, and four piezoelectric constants d. Seven sets of crystal samples of each different geometry were prepared for the measurement of length-thickness extensional, thickness extensional, radial, length extensional and thickness shear modes of vibration, respectively. In order to check the validity of the measurement, experimental impedance spectrum of the PMN-PT crystal was compared with numerical data spectrum calculated with the measured material constants. The good agreement between the two spectra confirmed validity of the results in this paper.
The structural behavior of a worn tire, attached to carbon fiber steel pile by current and wave forces, has been investigated through the numerical method. The finite element model has been developed, by considering that the composite material of rubber and cord is orthotropic, the rubber is isotropic, and that all the material behaves as linear elastic. The pressure distribution by wave and current, around the worn tire, has been estimated through the adjustment for the concept of flow separation. Also, the structural behavior of the worn tire has been examined, by comparing the situation wherein the space between the pile is reinforced, and tire as elastic and isotropic material, with the one left empty. Through this comparison, it is determined that the space between pile and tire has to be filled with elastic and isotropic material, in order to avoid the failure by wave and current action.
SG-365 steel is an important material and used for manufacturing a pressure vessel which the gas piping. In this investigation, the elastic plastic fracture toughness of this material is evaluated by the unloading compliance method according to the ASTM E813-97 and E1152-97 method on the smooth and side groove 1CT specimens. The effect of smooth and side groove is studied on the elastic plastic fracture toughness. The side grooved specimen is very useful in estimation of the $J_{IC}$. It is much easier than the smooth specimen to the onset of the ductile tearing by the R curve method. Besides, it improves the accuracy of toughness values, decreases a phenomenon of the tunneling and shear lip by the side groove.
Silicate glass is usually a brittle and plate-like material, and it is difficult to measure the elastic modulus by the traditional method. This paper develops a test method for the glass elastic modulus based on the fundamental frequency of the cantilever beam with an elastic support and a free end. The method installs the beam-type specimen on a semi-rigid support to form an elastic support-free end beam. The analytic solution of the stiffness coefficients of the elastic support is developed by the fundamental frequency of the two specimens with known elastic modulus. Then, the glass elastic modulus is measured by the fundamental frequency of the specimens. The method significantly improves the measurement accuracy and is suitable for the elastic modulus with the beam-type specimen whether the glass is homogeneous or not. Several tests on the elastic modulus measurement are conducted to demonstrate the reliability and validity of the test method.
A unified formulation of finite layer methods (FLMs), based on the Reissner mixed variational theorem (RMVT), is developed for the three-dimensional (3D) coupled electro-elastic analysis of simply-supported, functionally graded piezoelectric material (FGPM) plates with open- and closed-circuit surface conditions and under electro-mechanical loads. In this formulation, the material properties of the plate are assumed to obey an exponent-law varying exponentially through the thickness coordinate, and the plate is divided into a number of finite rectangular layers, in which the trigonometric functions and Lagrange polynomials are used to interpolate the in- and out-of-plane variations of the primary field variables of each individual layer, respectively, such as the elastic displacement, transverse shear and normal stress, electric potential, and normal electric displacement components. The relevant orders used for expanding these variables in the thickness coordinate can be freely chosen as the linear, quadratic and cubic orders. Four different mechanical/electrical loading conditions applied on the top and bottom surfaces of the plate are considered, and the corresponding coupled electro-elastic analysis of the loaded FGPM plates is undertaken. The accuracy and convergence rate of the RMVT-based FLMs are assessed by comparing their solutions with the exact 3D piezoelectricity ones available in the literature.
본 연구에서는 비선형 유한요소 해석을 수행하여 굴곡도에 따른 유연직물복합재료의 등가 탄성계수를 예측하였다. 해석은 상용 유한요소 해석 프로그램인 ABAQUS를 사용하여 수행되었다. 해석에서는 섬유다발의 재료적 비선형성과 대변형 시 발생하는 기하학적 비선형성이 고려되었으며, 섬유다발의 대 전단 변형으로 발생하는 기하학적 비선형성을 고려하기 위하여 사용자 부프로그램을 작성하여 이를 ABAQUS내에 삽입하였다. 결과에서는 일축하중 상태에 있는 유연직물복합재료의 응력-변형률 거동을 예측하여 이로부터 계산된 등가탄성계수를 시험결과와 비교하였으며, 다양한 섬유 굴곡도를 갖는 유연직물복합재료에 대한 등가탄성계수를 계산하였다.
Employment of the wave propagation approach with the combination of Pasternak foundation equation gives birth to the shell frequency equation. Mathematically, the integral form of the Lagrange energy functional is converted into a set of three partial differential equations. A cylindrical shell is placed on the elastic foundation of Pasternak. For isotropic materials, the physical properties are same everywhere, whereas the laminated and functionally graded materials, they vary from point to point. Here the shell material has been taken as functionally graded material. The influence of the elastic foundation, wave number, length and height-to-radius ratios is investigated with different boundary conditions. The frequencies of length-to-radius and height-to-radius ratio are counter part of each other. The frequency first increases and gain maximum value in the midway of the shell length and then lowers down for the variations of wave number. It is found that due to inducting the elastic foundation of Pasternak, the frequencies increases. It is also exhibited that the effect of frequencies is investigated by varying the surfaces with stainless steel and nickel as a constituent material. MATLAB software is utilized for the vibration of functionally graded cylindrical shell with elastic foundation of Pasternak and the results are verified with the open literature.
This study presents an analytical approach to investigate the thermodynamic behavior of functionally graded beam resting on elastic foundations. The formulation is based on a refined deformation theory taking into consideration the stretching effect and the type of elastic foundation. The displacement field used in the present refined theory contains undetermined integral forms and involves only three unknowns to derive. The mechanical characteristics of the beam are assumed to be varied across the thickness according to a simple exponential law distribution. The beam is supposed simply supported and therefore the Navier solution is used to derive analytical solution. Verification examples demonstrate that the developed theory is very accurate in describing the response of FG beams subjected to thermodynamic loading. Numerical results are carried out to show the effects of the thermodynamic loading on the response of FG beams resting on elastic foundation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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