This research uses a numerical technique and a neural network process to investigate the stability management of non-uniform cylindrical constructions with varying sizes. The non-uniform or truncated conical shapes vary in axial length. This complicated geometry results in partial differential equations in the mathematical explanation of stability performance. Furthermore, material distributions vary in the radial direction in functionally graded materials such as metal and ceramic. The governing equations are obtained from beam theory using the energy technique and non-classical size-dependent theory, respectively. These equations are then solved using both a numerical and neural network methodology. This research can potentially be utilized in nanotechnology to build and evaluate size-dependent non-uniform cylindrical structures. As a consequence, it will help to develop sophisticated nanoscale materials and architectures.
The paper proposes to characterize the free vibration behaviour of non-uniform cylindrical shells using spline approximation under first order shear deformation theory. The system of coupled differential equations in terms of displacement and rotational functions are obtained. These functions are approximated by cubic splines. A generalized eigenvalue problem is obtained and solved numerically for an eigenfrequency parameter and an associated eigenvector which are spline coefficients. Four and two layered cylindrical shells consisting of two different lamination materials and plies comprising of same as well as different materials under two different boundary conditions are analyzed. The effect of length parameter, circumferential node number, material properties, ply orientation, number of lay ups, and coefficients of thickness variations on the frequency parameter is investigated.
Cylindrical steel tanks are important components of industrial facilities. Their safety becomes a crucial issue since any failure may cause catastrophic consequences. The aim of the paper is to show the results of comprehensive FEM numerical investigation focused on the response of cylindrical steel tanks under mining tremors and moderate earthquakes. The effects of different levels of liquid filling, the influence of non-uniform seismic excitation as well as the aspects of diagnosis of structural damage have been investigated. The results of the modal analysis indicate that the level of liquid filling is really essential in the structural analysis leading to considerable changes in the shapes of vibration modes with a substantial reduction in the natural frequencies when the level of liquid increases. The results of seismic and paraseismic analysis indicate that the filling the tank with liquid leads to the substantial increase in the structural response underground motions. It has also been observed that the peak structural response values under mining tremors and moderate earthquakes can be comparable to each other. Moreover, the consideration of spatial effects related to seismic wave propagation leads to a considerable decrease in the structural response under non-uniform seismic excitation. Finally, the analysis of damage diagnosis in steel tanks shows that different types of damage may induce changes in the free vibration modes and values of natural frequencies.
Buckling and free vibration behavior of a laminated cylindrical panel exposed to non-uniform thermal load is addressed in the present study. The approach comprises of three portions, in the first portion, heat transfer analysis is carried out to compute the non-uniform temperature fields, whereas second portion consists of static analysis wherein stress fields due to thermal load is obtained, and the last portion consists of buckling and prestressed modal analyzes to capture the critical buckling temperature as well as first five natural frequencies and associated mode shapes. Finite element is used to perform the numerical investigation. The detailed parametric study is carried out to analyze the effect of nature of temperature variation across the panel, laminate sequence and structural boundary constraints on the buckling and free vibration behavior. The relation between the buckling temperature of the panel under uniform temperature field and non-uniform temperature field is established using magnification factor. Among four cases considered in this study for position of heat sources, highest magnification factor is observed at the forefront curved edge of the panel where heat source is placed. It is also observed that thermal buckling strength and buckling mode shapes are highly sensitive to nature of temperature field and the effect is significant for the above-mentioned temperature field. Furthermore, it is also observed that the panel with antisymmetric laminate has better buckling strength. Free vibration frequencies and the associated mode shapes are significantly influenced by the non-uniform temperature variations.
Vibration analysis of embedded functionally graded (FG)-carbon nanotubes (CNT)-reinforced piezoelectric cylindrical shell subjected to uniform and non-uniform temperature distributions are presented. The structure is subjected to an applied voltage in thickness direction which operates in control of vibration behavior of system. The CNT reinforcement is either uniformly distributed or functionally graded (FG) along the thickness direction indicated with FGV, FGO and FGX. Effective properties of nano-composite structure are estimated through Mixture low. The surrounding elastic foundation is simulated with spring and shear constants. The material properties of shell and elastic medium constants are assumed temperature-dependent. The motion equations are derived using Hamilton's principle applying first order shear deformation theory (FSDT). Based on differential cubature (DC) method, the frequency of nano-composite structure is obtained for different boundary conditions. A detailed parametric study is conducted to elucidate the influences of external applied voltage, elastic medium type, temperature distribution type, boundary conditions, volume percent and distribution type of CNT are shown on the frequency of system. In addition, the mode shapes of shell for the first and second modes are presented for different boundary conditions. Numerical results indicate that applying negative voltage yields to higher frequency. In addition, FGX distribution of CNT is better than other considered cases.
This paper presents the combination resonances of FG porous (FGP) cylindrical shell under two-term excitation. The effect of structural damping on the system response is also considered. With regard to classical plate theory of shells, von-$K{\acute{a}}rm{\acute{a}}n$ equation and Hook law, the relations of stress-strain is derived for shell. According to the Galerkin method, the discretized motion equation is obtained. The combination resonances are obtained by using the method of multiple scales. Four types of FGP distributions consist of uniform porosity, non-symmetric porosity soft, non-symmetric porosity stiff and symmetric porosity distribution are considered. The influence of various porosity distributions, porosity coefficients of cylindrical shell and amplitude excitations on the combination resonances for FGP cylindrical shells is investigated.
Thermal stability of quasi-isotropic composite and polymeric structures is considered one of the most important criteria in predicting life span of building structures. The outdoor applications of these structures have raised some legitimate concerns about their durability including moisture resistance and thermal stability. Exposure of such quasi-isotropic composite/polymeric structures to various and severe climatic conditions such as heat flux and frigid climate would change the material behavior and thermal viability and may lead to the degradation of material properties and building durability. This paper presents an analytical model for the generalized problem. This model accommodates the non-linearity and the non-homogeneity of the internal heat generated within the structure and the changes, modification to the material constants, and the structural size. The paper also investigates the effect of the incorporation of the temperature and/or material constant sensitive internal heat generation with four encountered climatic conditions on thermal stability of infinite cylindrical quasi-isotropic composite/polymeric structures. This can eventually result in the failure of such structures. Detailed critical analyses for four case studies which consider the population of the internal heat generation, cylindrical size, material constants, and four different climatic conditions are carried out. For each case of the proposed boundary conditions, the critical thermal stability parameter is determined. The results of this paper indicate that the thermal stability parameter is critically dependent on the cylinder size, material constants/selection, the convective heat transfer coefficient, subjected heat flux and other constants accrued from the structure environment.
This paper presents the semi-analytical development of the dynamic instability behavior and the dynamic response of functionally graded (FG) cylindrical shallow shell panel subjected to different type of periodic axial compression. First, in prebuckling analysis, the stresses distribution within the panels are determined for respective loading type and these stresses are used to study the dynamic instability behavior and the dynamic response. The prebuckling stresses within the shell panel are the same as applied in-plane edge loading for the case of uniform and linearly varying loadings. However, this is not true for the case of parabolic loadings. The parabolic edge loading produces all the stresses (${\sigma}_{xx}$, ${\sigma}_{yy}$ and ${\tau}_{xy}$) within the FG cylindrical panel. These stresses are evaluated by minimizing the membrane energy via Ritz method. Using these stresses the partial differential equations of FG cylindrical panel are formulated by applying Hamilton's principal assuming higher order shear deformation theory (HSDT) and von-$K{\acute{a}}rm{\acute{a}}n$ non-linearity. The non-linear governing partial differential equations are converted into a set of Mathieu-Hill equations via Galerkin's method. Bolotin method is adopted to trace the boundaries of instability regions. The linear and non-linear dynamic responses in stable and unstable region are plotted to know the characteristics of instability regions of FG cylindrical panel. Moreover, the non-linear frequency-amplitude responses are obtained using Incremental Harmonic Balance (IHB) method.
Mohammad Mashhour;Mohammad Reza Barati;Hossein Shahverdi
Steel and Composite Structures
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v.46
no.5
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pp.611-619
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2023
In the present work, the flutter characteristics of porous nanocomposite cylindrical shells, reinforced with graphene platelets (GPLs) in supersonic airflow, have been investigated. Different distributions for GPLs and porosities have been considered which are named uniform and non-uniform distributions thorough the shell's thickness. The effective material properties have been determined via Halpin-Tsai micromechanical model. The cylindrical shell formulation considering supersonic airflow has been developed in the context of first-order shell and first-order piston theories. The governing equations have been solved using Galerkin's method to find the frequency-pressure plots. It will be seen that the flutter points of the shell are dependent on the both amount and distribution of porosities and GPLs and also shell geometrical parameters.
Kashkoli, Mosayeb Davoudi;Tahan, Khosro Naderan;Nejad, Mohammad Zamani
Steel and Composite Structures
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v.32
no.6
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pp.701-715
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2019
Using first-order shear deformation theory (FSDT), a semi-analytical solution is employed to analyze creep damage and remaining life assessment of 304L austenitic stainless steel thick (304L ASS) cylindrical pressure vessels with variable thickness subjected to the temperature gradient and internal non-uniform pressure. Damages are obtained in thick cylinder using Robinson's linear life fraction damage rule, and time to rupture and remaining life assessment is determined by Larson-Miller Parameter (LMP). The thermo-elastic creep response of the material is described by Norton's law. The novelty of the present work is that it seeks to investigate creep damage and life assessment of the vessels with variable thickness made of 304L ASS using LMP based on first-order shear deformation theory. A numerical solution using finite element method (FEM) is also presented and good agreement is found. It is shown that temperature gradient and non-uniform pressure have significant influences on the creep damages and remaining life of the vessel.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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