The collapse of structures due to snow loads on roofs occurs frequently for steel structures and rarely for reinforced concrete structures. Since the most significant difference between these structures is related to their ability to handle dead loads, dead loads are believed to play an important part in the collapse of structures by snow loads. As such, the effect of dead loads on displacements and stress couples produced by live loads is presented for plates with different edge conditions. The governing equation of plates that takes into account the effect of dead loads is formulated by means of Hamilton's principle. The existence and effect of dead loads are proven by numerical calculations based on the Galerkin method. In addition, a closed-form solution for simply supported plates is proposed by solving, in approximate terms, the governing equation that includes the effect of dead loads, and this solution is then examined. The effect of dead loads on static live loads can be explained explicitly by means of this closed-form solution. A method that reflects the effects of dead loads on live loads is presented as an example. The present study investigates an additional factor in lightweight roof structural elements, which should be considered due to their recent development.
Initial geometrical imperfection is an important factor affecting the structural characteristics of plate and shell structures. Studying the effect of geometrical imperfection on the structural characteristics of cylindrical shell is beneficial to explore the thermal post-buckling response characteristics of cylindrical shell. Therefore, we devote to investigating the thermal post-buckling behavior of graphene platelets reinforced mental foam (GPLRMF) cylindrical shells with geometrical imperfection. The properties of GPLRMF material with considering three types of graphene platelets (GPLs) distribution patterns are introduced firstly. Subsequently, based on Donnell nonlinear shell theory, the governing equations of cylindrical shell are derived according to Eulerian-Lagrange equations. Taking into account two different boundary conditions namely simply supported (S-S) and clamped supported (C-S), the Galerkin principle is used to solve the governing equations. Finally, the impact of initial geometrical imperfections, the GPLs distribution types, the porosity distribution types, the porosity coefficient as well as the GPLs mass fraction on the thermal post-buckling response of the cylindrical shells are analyzed.
Conical shell is a common engineering structure, which is widely used in machinery, civil and construction fields. Most of them are usually exposed to external environments, temperature is an important factor affecting its performance. If the external temperature is too high, the deformation of the conical shell will occur, leading to a decrease in stability. Therefore, studying the thermal-post buckling behavior of conical shells is of great significance. This article takes graphene platelets reinforced metal foams (GPLRMF) conical shells as the research object, and uses high-order shear deformation theory (HSDT) to study the thermal post-buckling behaviors. Based on general variational principle, the governing equation of a GPLRMF conical shell is deduced, and discretized and solved by Galerkin method to obtain the critical buckling temperature and thermal post-buckling response of conical shells under various influencing factors. Finally, the effects of cone angles, GPLs distribution types, GPLs mass fraction, porosity distribution types and porosity coefficient on the thermal post-buckling behaviors of conical shells are analyzed in detail. The results show that the cone angle has a significant impact on the nonlinear thermal stability of the conical shells.
The impact problem of imperfect beams is crucial in engineering fields such as water conservancy and transportation. In this paper, the low velocity impact of graphene reinforced metal foam beams with geometric defects is studied for the first time. Firstly, an improved Hertz contact theory is adopted to construct an accurate model of the contact force during the impact process, while establishing the initial conditions of the system. Subsequently, the classical theory was used to model the defective beam, and the motion equation was derived using Hamilton's principle. Then, the Galerkin method is applied to discretize the equation, and the Runge Kutta method is used for numerical analysis to obtain the dynamic response curve. Finally, convergence validation and comparison with existing literature are conducted. In addition, a detailed analysis was conducted on the sensitivity of various parameters, including graphene sheet (GPL) distribution pattern and mass fraction, porosity distribution type and coefficient, geometric dimensions of the beam, damping, prestress, and initial geometric defects of the beam. The results revealed a strong inhibitory effect of initial geometric defects on the impact response of beams.
Piezoelectric nanobeams are used in several nano electromechanical systems. The first step in designing these systems is conducting a vibration analysis. In this research, the free vibration of a piezoelectric nanobeam is analyzed by using the nonlocal elasticity theory. The nanobeam is modeled based on Euler-Bernoulli beam theory. Hamilton's principle is used to derive the equations of motion and also the boundary conditions of the system. The obtained equations of motion are solved by using both Galerkin and the Differential Quadrature (DQ) methods. The clamped-clamped and cantilever boundary conditions are analyzed and the effects of the applied voltage and nonlocal parameter on the natural frequencies and mode shapes are studied. The results show the success of Galerkin method in determining the natural frequencies. The results also show the influence of the nonlocal parameter on the natural frequencies. Increasing a positive voltage decreases the natural frequencies, while increasing a negative voltage increases them. It is also concluded that for the clamped parts of the beam and also other parts that encounter higher values of stress during free vibrations of the beam, anti-nodes in voltage mode shapes are observed. On the contrary, in the parts of the beam that the values of the induced stress are low, the values of the amplitude of the voltage mode shape are not significant. The obtained results and especially the mode shapes can be used in future studies on the forced vibrations of piezoelectric nanobeams based on Galerkin method.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.26
no.3
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pp.514-520
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2002
A new non-linear modelling of a straight pipe conveying fluid is presented for vibration analysis when the pipe is fixed at both ends. Using the Euler-Bernoulli beam theory and the non-linear Lagrange strain theory, from the extended Hamilton's principle are derived the coupled non-linear equations of motion for the longitudinal and transverse displacements. These equations of motion are discretized by using the Galerkin method. After the discretized equations are linearized in the neighbourhood of the equilibrium position, the natural frequencies are computed from the linearized equations. On the other hand, the time histories for the displacements are also obtained by applying the generalized-$\alpha$ time integration method to the non-linear discretized equations. The validity of the new modelling is provided by comparing results from the proposed non-linear equations with those from the equations proposed by Paidoussis.
A new non-linear of a straight pipe conveying fluid is presented for vibration analysis when the pipe is fixed at both ends. Using the Euler-Bernoulli beam theory and the non-linear Lagrange strain theory, from the extended Hamilton's principle are derived the coupled non-linear equations of motion for the longitudinal and transverse displacements. These equations of motion for are discretized by using the Galerkin method. After the discretized equations are linearized in the neighbourhood of the equilibrium position, the natural frequencies are computed from the linearized equations. On the other hand, the time histories for the displacements are also obtained by applying the $generalized-{\alpha}$ time integration method to the non-linear discretized equations. The validity of the new modeling is provided by comparing results from the proposed non-linear equations with those from the equations proposed by $Pa{\ddot{i}}dousis$.
In this work, limit elastic speed analysis of functionally graded porous rotating disks has been reported. The work proposes an effective approach for modeling the mechanical properties of a porous functionally graded rotating disk. Four different types of porosity models namely: uniform, symmetric, inner maximum, and outer maximum distribution are considered. The approach used is the variational principle, and the solution has been achieved using Galerkin's error minimization theory. The study aims to investigate the effect of grading indices, aspect ratio, porosity volume fraction, and porosity types on limit angular speed for uniform and variable disk geometries of constant mass. To validate the current study, finite element analysis has been used, and there is good agreement between the two methods. The study yielded a decrease in limit speed as grading indices and aspect ratio increase. The porosity volume fraction is found to be more significant than the aspect ratio effect. The research demonstrates a range of operable speeds for porous and non-porous disk profiles that can be used in industries as design data. The results show a significant increase in limit speed for an exponential disk when compared to other disk profiles, and thus, the study demonstrates a range of FG-based structures for applications in industries that will not only save material (lightweight structures) but also improve overall performance.
An analytical approach for the free vibration behavior of a sandwich cylindrical shell with a functionally graded (FG) core is presented. It is considered that the FG distribution is in the direction of thickness. The material properties are temperature-dependent. The sandwich cylindrical shell with a FG core is considered with two cases. In the first model, i.e., Ceramic-FGM-Metal (CFM), the interior layer of the cylindrical shell is rich metal while the exterior layer is rich ceramic and the FG material is located between two layers and for the second model i.e., Metal-FGM-Ceramic (MFC), the material distribution is in reverse order. This study develops Carrera's Unified Formulation (CUF) to analyze sandwich cylindrical shell with an FG core for the first time. Considering the Principle of Virtual Displacements (PVDs) according to the CUF, the dependent boundary conditions and governing equations are obtained. The coupled governing equations are derived using Galerkin's method. In order to validate the present results, comparisons are made with the available solutions in the previous researches. The effects of different geometrical and material parameters on the free vibration behavior of a sandwich cylindrical shell with an FG core are examined.
At present, the research on wave propagation in graphene platelet reinforced composite plates focuses on the propagation behavior of bulk waves, in which the effect of boundary condition is ignored, there is no literature report on propagation behaviors of guided waves in graphene platelet reinforced metal foams (GPLRMF) plates. In fact, wave propagation is affected by boundary conditions, so it is necessary to study the propagation characteristics of guided waves. The aim of this paper is to solve this problem. The effective performance of the material was calculated using the mixing law. Equations of motion of GPLRMF plate is derived by using Hamilton's principle. Then, the eigenvalue method is used to obtain the expressions of bending wave, shear wave and longitudinal wave, and the degradation verification is carried out. Finally, the effects of graphene platelets (GPLs) volume fraction, elastic foundation, porosity coefficient, GPLs distribution types and porosity distribution types on the dispersion relations are studied. We find that these factors play an important role in the propagation characteristics and phase velocity of guided waves.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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