The current article proposed to develop a geometrical model for the analysis and modelling of the uniaxial functionally graded structure using the higher-order displacement kinematics with and without the presence of porosity including the distribution. Additionally, the formulation is capable of modelling three different kinds of grading patterns i.e., Power-law, sigmoid and exponential distribution of the individual constituents through the thickness direction. Also, the model includes the distribution of porosity (even and uneven kind) through the panel thickness. The structural governing equation of the porous graded structure is obtained (Hamilton's principle) and solved mathematically by means of the isoparametric finite element technique. Initially, the linear frequency parameters are obtained for different geometrical configuration via own computer code. The comparison and the corresponding convergence studies are performed for the unidirectional FG structure for the validation purpose. Finally, the impact of different influencing parameters like aspect ratio (O), thickness ratio (S), curvature ratio (R/h), porosity index (λ), type of porosity (even or uneven), power-law exponent (n), boundary condition on the free vibration characteristics are obtained for the FG panel and discussed in details.
The finite element solutions of thermal buckling load values of the graded sandwich curved shell structure are reported in this research using a higher-order kinematic model including the shear deformation effect. The numerical buckling temperature has been computed using an in-house specialized code (MATLAB environment) prepared in the framework of the current mathematical formulation. In addition, the mathematical model includes the excess structural distortion under the influence of elevated environment via Green-Lagrange nonlinear strain. The corresponding eigenvalue equation has been solved to predict the critical buckling temperature of the graded sandwich structure. The numerical stability and the accuracy of the current solution have been confirmed by comparing with the available published results. Thereafter, the model is extended to bring out the influences of structural parameters i.e. the curvature ratio, core-face thickness ratio, support conditions, power-law indices and sandwich types on the thermal buckling behavior of graded sandwich curved shell panels.
In the design and operation of robot arms with flexible links, the equations of motion are required to exactly model the interaction between rigid motion and elastic motion and to be formulated efficiently. Thus, the flexible link is represented on the basis of the D-H rigid link representation to measure the elastic deformation. The equations of motion of robot arms, which are configured by the generalized coordinates of elastic and rigid degrees of freedom, are formulated by using F.E.M. to model complex shaped links systematically and by eliminating elastic mode of higher order that does not largely affect motion to reduce the number of elastic degree of freedom. Finally, presented is the result of simulation to flexible robotic arm whose joints are controlled by direct or PD control,
Zakaria Belabed;Abdeldjebbar Tounsi;Abdelmoumen Anis Bousahla;Abdelouahed Tounsi;Khaled Mohamed Khedher;Mohamed Abdelaziz Salem
Computers and Concrete
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v.34
no.4
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pp.447-476
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2024
The current research proposes an innovative finite element model established within the context of higher-order beam theory to examine the bending and buckling behaviors of functionally graded carbon nanotube-reinforced composite (FG-CNTRC) beams resting on Winkler-Pasternak elastic foundations. This two-node beam element includes four degrees of freedom per node and achieves inter-element continuity with both C1 and C0 continuities for kinematic variables. The isoparametric coordinate system is implemented to generate the elementary stiffness and geometric matrices as a way to enhance the existing model formulation. The weak variational equilibrium equations are derived from the principle of virtual work. The mechanical properties of FG-CNTRC beams are considered to vary gradually and smoothly over the beam thickness. The current investigation highlights the influence of porosity dispersions through the beam cross-section, which is frequently omitted in previous studies. For this reason, this analysis offers an enhanced comprehension of the mechanical behavior of FG-CNTRC beams under various boundary conditions. Through the comparison of the current results with those published previously, the proposed finite element model demonstrates a high rate of efficiency and accuracy. The estimated results not only refine the precision in the mechanical analysis of FG-CNTRC beams but also offer a comprehensive conceptual model for analyzing the performance of porous composite structures. Moreover, the current results are crucial in various sectors that depend on structural integrity in specific environments.
In this paper, the higher order terms in the crack tip stress fields are investigated macroscopically for more realistic assessment of structural material behaviors. For reactor pressure vessel material of A533B ferritic steel, effects of crack size and temperature have been evaluated using 3-point SENB specimens through a series of finite element analyses, tensile tests and fracture toughness tests. The T-stress, Q-parameter and q-parameter as well as the K and J-integral are calculated and mutual relationships are investigated also. Based on the evaluation, it has proven that the effect of crack size from standard length (a/W=0.53) to shallow length (a/W=0.11) is remarkable whilst the effect of temperature from -20$^{\circ}C$ to -60$^{\circ}C$ is negligible. Finally, the cleavage fracture toughness loci as a function of the promising Q-parameter or q-parameter are developed using specific test results as well as finite element analysis results, which can be applicable for structural integrity evaluation considering constraint effects.
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures
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v.1
no.1
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pp.1-8
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2010
The dynamic instability analysis of delaminated composite structures subjected to in-plane pulsating forces is carried out based on the higher order shell theory of Sanders. In the finite element (FE) formulation, the seven degrees of freedom per each node are used with transformations in order to fit the displacement continuity conditions at the delamination region. The boundaries of the instability regions are determined using the method proposed by Bolotin. The numerical results obtained for skew plates and shells are in good agreement with those reported by other investigators. The new results for delaminated skew plate and shell structures in this study mainly show the effect of the interactions between the radius-length ratio and other various parameters, for example, skew angles, delamination size, the fiber angle of layer and location of delamination in the layer direction. The effect of the magnitude of the periodic in-plane load on the instability regions is also investigated.
In this paper an energy method is presented for the linear buckling analysis of first order shear deformable plates. The displacement fields are defined in terms of the shape functions, which correspond to a set of predefined points and are composed of significantly high order polynomials. The locations of these points are found by mapping the geometry using the naturalized coordinates and bilinear shape functions. In order to evaluate the method, fully clamped and simply supported rectangular plates subjected to uniform uniaxial compressive loading on two opposite edges of the plate are investigated thoroughly and the results are compared with the exact solution given in the monograph of Timoshenko and Gere (1961). The method is extended to the analysis of perforated plates, wherein the negative stiffness computed over the opening area from in-plane and out-of-plane deformation modes is superimposed to the stiffness of the full plate. Numerical results are then favorably compared with those obtained by finite element methods. Other cases such as; rectangular plates with eccentrically located openings of different shapes are studied and reported in this paper with regards to the effect of aspect ratio, hole size, and hole position on the buckling. For a square plate with a large circular opening at the center, diameter being 80 percent of the length, the present method yields buckling coefficient 12.5 percent higher than the one from the FEM.
The present work deals with second order statistics of post buckling response of piezoelectric laminated composite cylindrical shell panel subjected to hygro-thermo-electro-mechanical loading with random system properties. System parameters such as the material properties, thermal expansion coefficients and lamina plate thickness are assumed to be independent of the temperature and electric field and modeled as random variables. The piezoelectric material is used in the forms of layers surface bonded on the layers of laminated composite shell panel. The mathematical formulation is based on higher order shear deformation shell theory (HSDT) with von-Karman nonlinear kinematics. A efficient $C^0$ nonlinear finite element method based on direct iterative procedure in conjunction with a first order perturbation approach (FOPT) is developed for the implementation of the proposed problems in random environment and is employed to evaluate the second order statistics (mean and variance) of the post buckling load of piezoelectric laminated cylindrical shell panel. Typical numerical results are presented to examine the effect of various environmental conditions, amplitude ratios, electrical voltages, panel side to thickness ratios, aspect ratios, boundary conditions, curvature to side ratios, lamination schemes and types of loadings with random system properties. It is observed that the piezoelectric effect has a significant influence on the stochastic post buckling response of composite shell panel under various loading conditions and some new results are presented to demonstrate the applications of present work. The results obtained using the present solution approach is validated with those results available in the literature and also with independent Monte Carlo Simulation (MCS).
A resistivity method has been applied to wide range of engineering and environmental problems with the help of automatic and precise data acquisition. Thus, more accurate modeling and inversion of time-lapse monitoring data are required since resistivity monitoring has been introduced to quantitatively find out subsurface changes With respect to time. Here, we used the finite element method (FEM) for 3D resistivity modeling since the method is easy to realize complex topography and arbitrary shaped anomalous bodies. In the FEM, the linear elements, also referred to as first order elements, have certain advantages of simple formulation and narrow bandwidth of system equation. However, the linear elements show the poor accuracy and slow convergence of the solution with respect to the number of elements or nodes. To achieve the higher accuracy of finite element solution, high order elements are generally used. In this study, we developed a 3D resistivity modeling program using high order Serendipity elements. Comparing the Serendipity element solutions for a cube model with the linear element solutions, we assured that the Serendipity element solutions are more accurate than the linear element solutions in the 3D resistivity modeling.
Kumar, K. Varun;Saravanan, T. Jothi;Sreekala, R.;Gopalakrishnan, N.;Mini, K.M.
Geomechanics and Engineering
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v.12
no.1
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pp.161-183
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2017
This paper investigates the damage identification of the concrete pile element through axial wave propagation technique using computational and experimental studies. Now-a-days, concrete pile foundations are often common in all engineering structures and their safety is significant for preventing the failure. Damage detection and estimation in a sub-structure is challenging as the visual picture of the sub-structure and its condition is not well known and the state of the structure or foundation can be inferred only through its static and dynamic response. The concept of wave propagation involves dynamic impedance and whenever a wave encounters a changing impedance (due to loss of stiffness), a reflecting wave is generated with the total strain energy forked as reflected as well as refracted portions. Among many frequency domain methods, the Spectral Finite Element method (SFEM) has been found suitable for analysis of wave propagation in real engineering structures as the formulation is based on dynamic equilibrium under harmonic steady state excitation. The feasibility of the axial wave propagation technique is studied through numerical simulations using Elementary rod theory and higher order Love rod theory under SFEM and ABAQUS dynamic explicit analysis with experimental validation exercise. Towards simulating the damage scenario in a pile element, dis-continuity (impedance mismatch) is induced by varying its cross-sectional area along its length. Both experimental and computational investigations are performed under pulse-echo and pitch-catch configuration methods. Analytical and experimental results are in good agreement.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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