This article investigates the nonlinear behavior of two-directional functionally graded materials (TDFGM) doubly curved panels with porosities for the first time. An improved and effectual approach is established based on the improved first-order shear deformation shell theory (IFSDST) and von Karman's type nonlinearity. The IFSDST considers the effects of shear deformation without the need for a shear correction factor. The composition of TDFGM constitutes four different materials, and the modified power-law function is employed to vary the material properties continuously in both thickness and longitudinal directions. A nonlinear finite element method in conjunction with Hamilton's principle is used to obtain the governing equations. Then, the direct iterative method is incorporated to accomplish the numerical results using the frequency-amplitude, nonlinear central deflection relations. Finally, the influence of volume fraction grading indices, porosity distributions, porosity volume, curvature ratio, thickness ratio, and aspect ratio provides a thorough insight into the linear and nonlinear responses of the porous curved panels. Meanwhile, this study emphasizes the influence of the volume fraction gradation profiles in conjunction with the various material and geometrical parameters on the linear frequency, nonlinear frequency, and deflection of the TDFGM porous shells. The numerical analysis reveals that the frequencies and nonlinear deformations can be significantly regulated by changing the volume fraction gradation profiles in a specified direction with an appropriate combination of materials. Hence, TDFGM panels can overcome the drawbacks of the functionally graded materials with a gradation of properties in a single direction.
The super convergent laminated composite beam element is newly derived for the lateral stability analysis. For this, a theoretical model of the laminated composite beams is developed based on the first-order shear deformation beam theory. The present laminated beam takes into account the transverse shear and the restrained warping induced shear deformation. The second-order coupling torque resulting from the geometric nonlinearity is rigorously derived. From the principle of minimum total potential energy, the stability equations and force-displacement relationships are derived and the explicit expressions for the displacement parameters are presented by applying the power series expansions of displacement components to simultaneous ordinary differential equations. Finally, the member stiffness matrix is determined using the force-displacement relationships. In order to show accuracy and superiority of the beam element developed by this study, the critical lateral buckling moments for bisymmetric and monosymmetric I-beams are presented and compared with other results available in the literature, the isoparametric beam elements, and shell elements from ABAQUS.
In this paper free linear vibration of lattice composite conical shells will be investigated. Lattice composite conical shell consists of composite helical ribs and thin outer skin. A smeared method is employed to obtain the variable coefficients of stiffness of conical shell. The ribs are modeled as a beam and in addition to the axial loads, endure shear loads and bending moments. Therefore, theoretical formulations are based on first-order shear deformation theory of shell. For verification of the obtained results, comparison is made with those available in open literature. Also, using FEM software the 3D finite element model of composite lattice conical shell is built and analyzed. Comparing results of analytical and numerical analyses show a good agreement between them. Some special cases as variation of geometric parameters of lattice part, effect of the boundary conditions and influence of the circumferential wave numbers on the natural frequencies of the conical shell are studied. It is concluded, when mass and the geometrical ratio of the composite lattice conical shell do not change, increment the semi vertex angle of cone leads to increase the natural frequencies. Moreover for shell thicknesses greater than a specific value, the presence of the lattice structure has not significant effect on the natural frequencies. The obtained results have novelty and can be used for further and future researches.
Eipakchi, H.R.;Rahimi, G.H.;Esmaeilzadeh Khadem, S.
Structural Engineering and Mechanics
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v.16
no.6
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pp.731-748
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2003
In this paper a thick cylindrical shell with varying thickness which is subjected to static non-uniform internal pressure is analyzed. At first, equilibrium equations of the shell have been derived by the energy principle and by considering the first order theory of Mirsky-Herrmann which includes transverse shear deformation. Then the governing equations which are, a system of differential equations with varying coefficients have been solved analytically with the boundary layer technique of the perturbation theory. In spite of complexity of modeling the conditions near the boundaries, the method of this paper is very capable of providing a closed form solution even near the boundaries. Displacement predictions are in a good agreement with the calculated finite elements and other analytical results. The convergence of solution is very fast and the amount of calculations is less than the Frobenius method.
The objective of this paper is to investigate buckling behavior of composite laminated cylinders by using semi-analytical finite strip method. The shell is subjected to deformation-dependent loads which remain normal to the shell middle surface throughout the deformation process. The load stiffness matrix, which is responsible for variation of load direction, is also throughout the deformation process. The shell is divided into several closed strips with alignment of their nodal lines in the circumferential direction. The governing equations are derived based on the first-order shear deformation theory with Sanders-type of kinematic nonlinearity. Displacements and rotations of the shell middle surface are approximated by combining polynomial functions in the meridional direction and truncated Fourier series along with an appropriate number of harmonic terms in the circumferential direction. The load stiffness matrix, which is responsible for variation of load direction, is also derived for each strip and after assembling, global load stiffness matrix of the shell is formed. The numerical illustrations concern the pressure stiffness effect on buckling pressure under various conditions. The results indicate that considering pressure stiffness causes buckling pressure reduction which in turn depends on various parameters such as geometry and lay-ups of the shell.
In the present investigation, by using the two numerical methods, free vibration analysis of laminated annular and annular sector plates have been studied. In order to obtain the main equations two different shell theories such as Love's shell theory and first-order shear deformation theory (FSDT) have been used for modeling. After obtaining the fundamental equations in briefly, the methods of harmonic differential quadrature (HDQ) and discrete singular convolution (DSC) are used to solve the equation of motion. Accuracy, convergence and reliability of the present HDQ and DSC methods were tested by comparing the existing results obtained by different methods in the literature. The effects of some geometric and material properties of the plates are investigated via these two methods. The advantages and accuracy of the HDQ and DSC methods have also been examined with different grid numbers and shell theory. Some results for laminated annular plates and laminated circular plates were also been supplied.
In this work, the bending and free vibration analysis of multilayered plates and shells is presented by utilizing a new higher order shear deformation theory (HSDT). The proposed involves only four unknowns, which is even less than the first shear deformation theory (FSDT) and without requiring the shear correction coefficient. Unlike the conventional HSDTs, the present one presents a novel displacement field which incorporates undetermined integral variables. The equations of motion are derived by using the Hamilton's principle. These equations are then solved via Navier-type, closed form solutions. Bending and vibration results are found for cylindrical and spherical shells and plates for simply supported boundary conditions. Bending and vibration problems are treated as individual cases. Panels are subjected to sinusoidal, distributed and point loads. Results are presented for thick to thin as well as shallow and deep shells. The computed results are compared with the exact 3D elasticity theory and with several other conventional HSDTs. The proposed HSDT is found to be precise compared to other several existing ones for investigating the static and dynamic response of isotropic and multilayered composite shell and plate structures.
Khayat, Majid;Dehghan, Seyed Mehdi;Najafgholipour, Mohammad Amir;Baghlani, Abdolhossein
Steel and Composite Structures
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v.28
no.6
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pp.735-748
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2018
In this study, the semi-analytical finite strip method is adopted to examine the free vibration of cylindrical shells made up of functionally graded material. The properties of functionally graded shells are assumed to be temperature-dependent and vary continuously in the thickness direction according to a simple power law distribution in terms of the volume fraction of ceramic and metal. The material properties of the shells and stiffeners are assumed to be continuously graded in the thickness direction. Theoretical formulations based on the smeared stiffeners technique and the classical shell theory with first-order shear deformation theory which accounts for through thickness shear flexibility are employed. The finite strip method is applied to five different shell theories, namely, Donnell, Reissner, Sanders, Novozhilov, and Teng. The approximate procedure is compared favorably with three-dimensional finite elements. Finally, a detailed numerical study is carried out to bring out the effects of power-law index of the functional graded material, stiffeners, and geometry of the shells on the difference between various shell theories. Finally, the importance of choosing the shell theory in simulating the functionally graded cylindrical shells is addressed.
Hajmohammad, Mohammad Hadi;Zarei, Mohammad Sharif;Farrokhian, Ahmad;Kolahchi, Reza
Advances in nano research
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v.6
no.4
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pp.299-321
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2018
A layerwise shear deformation theory is applied in this paper for buckling analysis of piezoelectric truncated conical shell. The core is a multiphase nanocomposite reinforced by carbon nanotubes (CNTs) and carbon fibers. The top and bottom face sheets are piezoelectric subjected to 3D electric field and external voltage. The Halpin-Tsai model is used for obtaining the effective moisture and temperature dependent material properties of the core. The proposed layerwise theory is based on Mindlin's first-order shear deformation theory in each layer and results for a laminated truncated conical shell with three layers considering the continuity boundary condition. Applying energy method, the coupled motion equations are derived and analyzed using differential quadrature method (DQM) for different boundary conditions. The influences of some parameters such as boundary conditions, CNTs weight percent, cone semi vertex angle, geometrical parameters, moisture and temperature changes and external voltage are investigated on the buckling load of the smart structure. The results show that enhancing the CNTs weight percent, the buckling load increases. Furthermore, increasing the moisture and temperature changes decreases the buckling load.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.17
no.2
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pp.151-160
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2004
In the present study, Loop scheme is applied to generate smooth surfaces. To be consistent with the limit points of target surface, the initial sampling points are properly rearranged. The pointwise errors of curvature and position in the sequence of subdivision process are evaluated in the Loop subdivision scheme. A first-order shear deformable Loop subdivision triangular element which can handle transverse shear deformation of moderately thick shell are developed. The developed element is more general than the previous one based on classical shell theory, since the new one includes the effect of transverse shear deformation and has standard six degrees of freedom per node. The quartic box spline function is used as interpolation basis function. Numerical examples for the benchmark static shell problems are analyzed to assess the performance of the developed subdivision shell element and locking trouble.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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