The effect of geometry factors on the combined mode stress intensity factor behaviors of a slant crack in a non-uniform thickness material was analysed by 2-dimensional theoretical analysis. The analysis is based on the Laurent's series expansions of complex potentials where the complex coefficients of the series are determined from the compatibility and the equilibrium conditions of the thickness interface and the stress free conditions of the crack surface. In numerical calculations the perturbation technique is employed. The expressions for the crack tip stress intensity factor are given in the form of power series of dimensionless crack length $\lamda$, and the function of crack slant angle $\alpha$ and thickness ratio $\beta$. The results of numerical calculations for each problems are represented as the correction factors F($\lamda$, $\alpha$, $\beta$). The results clearly show the following characteristics : The correction factors of the combined mode stress intensity factors for a non-uniform thickness material can be defined in the form of F($\lamda$, $\alpha$, $\beta$). The stress intensity factor values for a given crack length are decreased with increase of thickness ratio $\beta$.
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.
This paper focuses on post-buckling analysis of Timoshenko beams with various boundary conditions subjected to a non-uniform thermal loading by using the total Lagrangian Timoshenko beam element approximation. Six types of support conditions for the beams are considered. The considered highly non-linear problem is solved by using incremental displacement-based finite element method in conjunction with Newton-Raphson iteration method. As far as the authors know, there is no study on the post-buckling analysis of Timoshenko beams under uniform and non-uniform thermal loading considering full geometric non-linearity investigated by using finite element method. The convergence studies are made and the obtained results are compared with the published results. In the study, the relationships between deflections, end rotational angles, end constraint forces, thermal buckling configuration, stress distributions through the thickness of the beams and temperature rising are illustrated in detail in post-buckling case.
An approximate method for analyzing the bending problems of irregular-shaped plates is proposed. In this paper irregular-shaped plates are such plates as plate with opening, circular plate, semi-circular plate, elliptic plate, triangular plate, skew plate, rhombic plate, trapezoidal plate or the other polygonal plates which are not uniform rectangular plates. It is shown that these irregular-shaped plates can be considered finally as a kind of rectangular plates with non-uniform thickness. An opening in a plate can be considered as an extremely thin part of the plate, and a non-rectangular plate can be translated into a circumscribed rectangular plate whose additional parts are extremely thin or thick according to the boundary conditions of the original plate. Therefore any irregular-shaped plate can be replaced by the equivalent rectangular plate with non-uniform thickness. For various types of irregular-shaped plates the convergency and accuracy of numerical solution by proposed method are investigated.
The hygrothermal stresses in sandwich plate with composite faces due to through the thickness gradient temperature and (or) moisture content are investigated. The layer-wise theory is employed for formulation of the problem. The formulation is derived for sandwich plate with general layer stacking, subjected to uniform and non-uniform temperature and moisture content through the thickness of the plate. The governing equations are solved for free edge conditions and 3D stresses are investigated. The out of plane stresses are obtained by equilibrium equations of elasticity and by the constitutive law and the results for especial case are compared with the predictions of a 3D finite element solution in order to study the accuracy of results. The three-dimensional stresses especially the free edge effect on the distribution of the stresses is studied in various sandwich plates and the effect of uniform and non-uniform thermal and hygroscopic loading is investigated.
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.
To investigate the reliability of the MTJs on the roughness of insulating tunnel barrier, we prepared two MTJs with the different uniformity of barrier thickness. Namely, the one has uniform insulating barrier thickness; the other has non-uniform insulating barrier thickness as compared to different thing. As to depositing amorphous layer CoZrNb under the pinning layer IrMn, we achieved MTJ with uniform barrier thickness. Toinvestigate the reliability of the MTJs dependent on the bottom electrode, time-dependent dielectric breakdown (TDDB) measurements were carried out under constant voltage stress. The Weibull fit of out data shows clearly that $t_{BD}$ scales with the thickness uniformity of MTJs tunnel barrier. Assuming a linear dependence of log($t_{BD}$) on stress voltages, we obtained the lifetime of $10^4$years at a operating voltage of 0.4 V at MTJs comprising CoNbZr layers. This study shows that the reliabilityof new MTJs structure was improved due to the ultra smooth barrier, because the surface roughness of the bottom electrode influenced the uniformity of tunnel barrier.
This article presents the bending analysis of FGM rectangular plates resting on non-uniform elastic foundations in thermal environment. Theoretical formulations are based on a recently developed refined shear deformation theory. The displacement field of the present theory is chosen based on nonlinear variations in the in-plane displacements through the thickness of the plate. The present theory satisfies the free transverse shear stress conditions on the top and bottom surfaces of the plate without using shear correction factor. Unlike the conventional trigonometric shear deformation theory, the present refined shear deformation theory contains only four unknowns as against five in case of other shear deformation theories. The material properties of the functionally graded plates are assumed to vary continuously through the thickness, according to a simple power law distribution of the volume fraction of the constituents. The elastic foundation is modeled as non-uniform foundation. The results of the shear deformation theories are compared together. Numerical examples cover the effects of the gradient index, plate aspect ratio, side-to-thickness ratio and elastic foundation parameters on the thermo-mechanical behavior of functionally graded plates. Numerical results show that the present theory can archive accuracy comparable to the existing higher order shear deformation theories that contain more number of unknowns.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.33
no.3
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pp.865-873
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2013
This paper proposes a theoretical solution of elastic critical buckling load of infinitely long pipelines with non-uniform thickness under external pressure. The non-uniform cross section of pipelines can be considered as corroded or stiffened pipelines so that this paper can be a fundamental research of pipelines that are essential technology for offshore industries. The theoretical solution of pipelines with non-uniform thickness is derived with an assumption that a cylindrical shell under external pressure can be considered as a simple ring. The eigenfunctions are derived to obtain the critical buckling load. The reduced thickness and the reduced range are considered as variables in parametric analysis. The finite element analysis is performed to verify the theoretical solutions and the results of the analytic method and the finite element method are in good agreement.
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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