Classical and first-order nonlocal beam theory are employed in this study to assess the thermal buckling performance of a small-scale conical, cylindrical beam. The beam is constructed from functionally graded (FG) porosity-dependent material and operates under the thermal conditions of the environment. Imperfections within the non-uniform beam vary along both the radius and length direction, with continuous changes in thickness throughout its length. The resulting structure is functionally graded in both radial and axial directions, forming a bi-directional configuration. Utilizing the energy method, governing equations are derived to analyze the thermal stability and buckling characteristics of a nanobeam across different beam theories. Subsequently, the extracted partial differential equations (PDE) are numerically solved using the generalized differential quadratic method (GDQM), providing a comprehensive exploration of the thermal behavior of the system. The detailed discussion of the produced results is based on various applied effective parameters, with a focus on the potential application of nanotubes in enhancing sports bikes performance.
Yazdani, Raziye;Mohammadimehr, Mehdi;Zenkour, Ashraf M.
Steel and Composite Structures
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v.33
no.1
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pp.93-109
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2019
In the present study, vibration analysis of double bonded micro sandwich cylindrical shells with saturated porous core and carbon/boron nitride nanotubes (CNT/BNNT) reinforced composite face sheets under multi-physical loadings based on Cooper-Naghdi theory is investigated. The material properties of the micro structure are assumed to be temperature dependent, and each of the micro-tubes is placed on the Pasternak elastic foundations, and mechanical, moisture, thermal, electrical, and magnetic forces are effective on the structural behavior. The distributions of porous materials in three distributions such as non-linear non-symmetric, nonlinear-symmetric, and uniform are considered. The relationship including electro-magneto-hydro-thermo-mechanical loadings based on modified couple stress theory is obtained and moreover the governing equations of motion using the energy method and the Hamilton's principle are derived. Also, Navier's type solution is also used to solve the governing equations of motion. The effects of various parameters such as material length scale parameter, temperature change, various distributions of nanotube, volume fraction of nanotubes, porosity and Skempton coefficients, and geometric parameters on the natural frequency of double bonded micro sandwich cylindrical shells are investigated. Increasing the porosity and the Skempton coefficients of the core in micro sandwich cylindrical shell lead to increase the natural frequency of the structure. Cylindrical shells and porous materials in the industry of filters and separators, heat exchangers and coolers are widely used and are generally accepted today.
In this research, a semi-analytical solution is presented for computing mechanical displacements and thermal stresses in rotating thick cylindrical pressure vessels made of functionally graded material (FGM). The modulus of elasticity, linear thermal expansion coefficient, and density of the cylinder are assumed to change along the axial direction as a power-law function. It is also assumed that Poisson's ratio and thermal conductivity are constant. This cylinder was subjected to non-uniform internal pressure and thermal loading. Thermal loading varies in two directions. The governing equations are derived by the first-order shear deformation theory (FSDT). Using the multilayer method, a functionally graded (FG) cylinder with variable thickness is divided into n homogenous disks, and n sets of differential equations are obtained. Applying the boundary conditions and continuity conditions between the layers, the solution of this set of equations is obtained. To the best of the researchers' knowledge, in the literature, there is no study carried out bi-directional thermoelastic analysis of clamped-clamped rotating FGM thick-walled cylindrical pressure vessels under variable pressure in the longitudinal direction.
The vibrations of bodies subjected to fluid flow can cause modifications in the flow conditions, giving rise to interaction forces that depend primarily on displacements and velocities of the body in question. In this paper the linearized equations of motion for bodies of arbitrary prismatic or cylindrical cross-section in two-dimensional cross-flow are presented, considering the three degrees of freedom of the body cross-section. By restraining the rotational motion, equations applicable to circular tubes, pipes or cables are obtained. These equations can be used to determine stability limits for such structural systems when subjected to non uniform cross-flow, or to evaluate, under the quasi static assumption, their response to vortex or turbulent excitation. As a simple illustration, the stability of a pipe subjected to a bidimensional flow in the direction normal to the pipe axis is examined. It is shown that the approach is extremely powerful, allowing the evaluation of fluid-structure interaction in unidimensional structural systems, such as straight or curved pipes, cables, etc, by means of either a combined experimental-numerical scheme or through purely numerical methods.
In this article, an analytical procedure is presented for static analysis of composite cylinders with the geometrically nonlinear behavior, and non-uniform thickness profiles under different loading conditions by considering moderately large deformation. The composite cylinder includes two inner and outer isotropic layers and one honeycomb core layer with adjustable Poisson's ratio. The Mirsky-Herman theory in conjunction with the von-Karman nonlinear theory is employed to extract the governing equations which are a system of nonlinear differential equations with variable coefficients. The governing equations are solved analytically using the matched asymptotic expansion (MAE) method of the perturbation technique and the effects of moderately large deformations are studied. The presented method obtains the results with fast convergence and high accuracy even in the regions near the boundaries. Highlights: • An analytical procedure based on the matched asymptotic expansion method is proposed for the static nonlinear analysis of composite cylindrical shells with a honeycomb core layer and non-uniform thickness. • The effect of moderately large deformation has been considered in the kinematic relations by assuming the nonlinear von Karman theory. • By conducting a parametric study, the effect of the honeycomb structure on the results is studied. • By adjusting the Poisson ratio, the effect of auxetic behavior on the nonlinear results is investigated.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers
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v.12
no.6
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pp.45-51
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2013
Friction stir welding using aluminum alloys has been widely applied for transportation vehicles because of the light specific weight, which can be used to obtain sound joint and high mechanical properties. This study shows the effects of rotation speed, welding speed, welding load, and tool shape on defect formation with extruded AA6005, which is used for railway vehicle structures of non-uniform thickness welded by friction stir welding using load control systems. Optical microscopy observations and liquid penetrant testing of each FSW joint were carried out in order to observe defect formation. Two kinds of defects, that of probe wear and that of lack of penetration in the bottom of the welded zone, were observed. In the case of using a taper shaped tool, the defect free zone is very narrow, within 100 kgf; however, in case of using a cylindrical shape tool, the defect free zone is wider.
At present, the time of easy oil and gas is over. Now, the largest part of fossil fuels is concentrated in the deepest levels of tectonic structures and in the sea shelves. One of the most cumbersome operations of their extraction is the bore-hole drilling. In connection with austere tectonic and climate conditions, their drivage every so often is associated with great and diversified technological difficulties causing emergencies on frequent occasions. As a rule, they are linked with drill string accidents. A key role in prediction of these situations should play methods of theoretical modelling. For this reason, there is a growing need for development and implementation of new numerical methods for computer simulation of critical and post-critical behavior of drill strings (DSs). In this paper, the processes of non-linear deforming of a DS in cylindrical cavity of a deep bore-hole are considered. On the basis of the theory of curvilinear flexible rods, non-linear constitutive differential equations are deduced. The effects of the longitudinal non-uniform preloading, action of torque and interaction between the DS and the bore-hole surface are taken into account. Owing to the use of curvilinear coordinates in the constraining cylindrical surface and a specially chosen concomitant reference frame, it became possible to separate the desired variables and to reduce the total order of the equation system. To solve it, the method of continuation the solution by parameter and the transfer matrix technique are applied. As a result of the completed numerical analysis, the critical states of the DS loading in the cylindrical channels of inclined bore-holes are found. It is shown that the modes of the post-critical deforming of the DS are associated with its irregular spiral curving prevailing in the zone of bottom-hole-assembly. The possibility of invariant state generation during post-critical deforming is established, condition of its bifurcation is formulated. It is shown that infinite variety of loads can correspond to one geometrical configuration of the DS. They differ each from other by contact force functions.
In the present study, the third-order shear deformation theory (TSDT) is presented to investigate time-dependent thermo-elastic creep behavior and life assessment of rotating thick cylindrical shells with variable thickness made of 304L austenitic stainless steel (304L SS). The cylindrical shells are subjected to non-uniform internal pressure, distributed temperature field, and a centrifugal body force due to rotating speed. Norton's law is used to describe the material creep constitutive model. A system of differential equations in terms of displacement and boundary conditions is derived by employing the minimum total potential energy principle based on TSDT. Then, the resulting equations are solved as semi-analytically using the multilayered method (MLM), which leads to an accurate solution. Subsequently, an iterative procedure is also proposed to investigate the stresses and deformations at different creep times. Larson-Miller Parameter (LMP) and Robinson's linear life fraction damage rule are employed to estimate the creep damages and the remaining life of cylindrical shells. In this research, the creep model uses Norton's law, LMP, and Robinson's approach which is the most accurate and reasonable model. To the best of the researcher's knowledge, in the previous studies, there is no study carried out on third-order shear deformation theory for thermo-elastic creep analysis and life assessment of thick cylinders with variable thickness. The results obtained from the multilayered approach are compared and validated with those determined from the finite element method (FEM) to confirm the accuracy of the suggested method based on TSDT and very good agreement is found. The results indicate that the present analysis is accurate and computationally efficient.
Byunyoung Chung ;Jonghwan Kim ;Daesic Jang;Sunjin Kim;Youngchul Choi
Nuclear Engineering and Technology
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v.55
no.3
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pp.947-957
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2023
Curved cylindrical structures such as elbows have a non-uniform thickness distribution due to their fabrication process, and as a result have a number of complex mode shapes, including circumferential and axial nodal patterns. In nuclear power plants, material degradation is induced in pipes by flow accelerated erosion and corrosion, causing the wall thickness of carbon steel elbows to gradually thin. The corresponding frequencies of each mode shape vary according to the wall thinning state. Therefore, the thinning state can be estimated by monitoring the varying modal characteristics of the elbow. This study investigated the varying modal characteristics of artificially thinned carbon steel elbows for each thinning state using numerical simulation and experimental methods (MRIT, Multiple Reference Impact Test). The natural frequencies of specified mode shapes were extracted, and results confirmed they linearly decreased with increasing thinning. In addition, by comparing single FRF (Frequency Response Function) data with the results of MRIT, a concise and cost effective thinning estimation method was suggested.
Tohidi, H.;Hosseini-Hashemi, S.H.;Maghsoudpour, A.;Etemadi, S.
Wind and Structures
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v.25
no.2
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pp.131-156
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2017
This paper deals with the dynamic stability of embedded functionally graded (FG)-carbon nanotubes (CNTs)-reinforced micro cylindrical shells. The structure is subjected to harmonic non-uniform temperature distribution and 2D magnetic field. The CNT reinforcement is either uniformly distributed or FG along the thickness direction where the effective properties of nano-composite structure are estimated through Mixture low. The viscoelastic properties of structure are captured based on the Kelvin-Voigt theory. The surrounding viscoelastic medium is considered nonhomogeneous with the spring, orthotropic shear and damper constants. The material properties of cylindrical shell and the viscoelastic medium constants are assumed temperature-dependent. The first order shear deformation theory (FSDT) or Mindlin theory in conjunction with Hamilton's principle is utilized for deriving the motion equations where the size effects are considered based on Eringen's nonlocal theory. Based on differential quadrature (DQ) and Bolotin methods, the dynamic instability region (DIR) of structure is obtained for different boundary conditions. The effects of different parameters such as volume percent and distribution type of CNTs, mode number, viscoelastic medium type, temperature, boundary conditions, magnetic field, nonlocal parameter and structural damping constant are shown on the DIR of system. Numerical results indicate that the FGX distribution of CNTs is better than other considered cases. In addition, considering structural damping of system reduces the resonance frequency.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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