In this paper, geometric nonlinear bending characteristics of single wall carbon nanotube reinforced composite (SWCNTRC) doubly curved shell panels subjected to uniform transversely loadings are investigated. The nonlinear mathematical model is developed for doubly curved SWCNTRC shell panel on the basis of higher-order shear deformation theory and Green- Lagrange nonlinearity. All nonlinear higher order terms are included in the mathematical model. The effective material properties of SWCNTRC are estimated by using Eshelby-Mori-Tanaka micromechanical approach. The governing equation of the shell panel is obtained using the total potential energy principle and a Newton-Raphson iterative method is employed to compute the nonlinear displacement and stresses. The present results are compared with published literature. The effect of SWCNT volume fraction, width-to-thickness ratio, radius-to-width ratio (R/a), boundary condition, linear and nonlinear deflection, stresses and different types of shell geometry on nonlinear bending response is investigated.
In this article, nonlinear finite element solutions of bending responses of functionally graded spherical panels are presented. The material properties of functionally graded material are graded in thickness direction according to a power-law distribution of volume fractions. A general nonlinear mathematical shallow shell model has been developed based on higher order shear deformation theory by taking the geometric nonlinearity in Green-Lagrange sense. The model is discretised using finite element steps and the governing equations are obtained through variational principle. The nonlinear responses are evaluated through a direct iterative method. The model is validated by comparing the responses with the available published literatures. The efficacy of present model has also been established by demonstrating a simulation based nonlinear model developed in ANSYS environment. The effects of power-law indices, support conditions and different geometrical parameters on bending behaviour of functionally graded shells are obtained and discussed in detail.
This study explores the linear and nonlinear solutions of sigmoid functionally graded material (S-FGM) nanoplate with porous effects. A size-dependent numerical solution is established using the strain gradient theory and isogeometric finite element formulation. The nonlinear nonlocal strain gradient is developed based on the Reissner-Mindlin plate theory and the Von-Karman strain assumption. The sigmoid function is utilized to modify the classical functionally graded material to ensure the constituent volume distribution. Two different patterns of porosity distribution are investigated, viz. pattern A and pattern B, in which the porosities are symmetric and asymmetric varied across the plate's thickness, respectively. The nonlinear finite element governing equations are established for bending analysis of S-FGM nanoplates, and the Newton-Raphson iteration technique is derived from the nonlinear responses. The isogeometric finite element method is the most suitable numerical method because it can satisfy a higher-order derivative requirement of the nonlocal strain gradient theory. Several numerical results are presented to investigate the influences of porosity distributions, power indexes, aspect ratios, nonlocal and strain gradient parameters on the porous S-FGM nanoplate's linear and nonlinear bending responses.
This is the first attempt to consider the nonlinear bending analysis of porous functionally graded (FG) thick annular and circular nanoplates resting on Kerr foundation. The size effects are captured based on modified couple stress theory (MCST). The material properties of the porous FG nanostructure are assumed to vary smoothly through the thickness according to a power law distribution of the volume fraction of the constituent materials. The elastic medium is modeled by Kerr elastic foundation which consists of two spring layers and one shear layer. The governing equations are extracted based on Hamilton's principle and two variables refined plate theory. Utilizing generalized differential quadrature method (GDQM), the nonlinear static behavior of the nanostructure is obtained under different boundary conditions. The effects of various parameters such as material length scale parameter, boundary conditions, and geometrical parameters of the nanoplate, elastic medium constants, porosity and FG index are shown on the nonlinear deflection of the annular and circular nanoplates. The results indicate that with increasing the material length scale parameter, the nonlinear deflection is decreased. In addition, the dimensionless nonlinear deflection of the porous annular nanoplate is diminished with the increase of porosity parameter. It is hoped that the present work may provide a benchmark in the study of nonlinear static behavior of porous nanoplates.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.26
no.6
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pp.227-235
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2022
For a member model in nonlinear structural analysis, a lumped plastic model that idealizes its flexural bending, shear, and axial behaviors by springs with the nonlinear hysteretic model is widely adopted because of its simplicity and transparency compared to the other rigorous finite element methods. On the other hand, a challenging task in its numerical solution is to satisfy the equilibrium condition between nonlinear flexural bending and shear springs connected in series. Since the local forces between flexural and shear springs are not balanced when one or both springs experience stiffness changes (e.g., cracking, yielding, and unloading), the additional unbalanced force due to overshooting or undershooting each spring force is also generated. This paper introduces an iterative scheme for numerical solutions satisfying the equilibrium conditions between flexural bending and shear springs. The effect of equilibrium iteration on analysis results is shown by comparing the results obtained from the proposed method to those from the conventional scheme, where the equilibrium condition is not perfectly satisfied.
In the present article, functionally graded small-scaled plates based on modified strain gradient theory (MSGT) are studied for analyzing the nonlinear bending and post-buckling responses. Von-Karman's assumptions are applied to incorporate geometric nonlinearity and the first-order shear deformation theory is used to model the plates. Modified strain gradient theory includes three length scale parameters and is reduced to the modified couple stress theory (MCST) and the classical theory (CT) if two or all three length scale parameters become zero, respectively. The Ritz method with Legendre polynomials are used to approximate the unknown displacement fields. The solution is found by the minimization of the total potential energy and the well-known Newton-Raphson technique is used to solve the nonlinear system of equations. In addition, numerical results for the functionally graded small-scaled plates are obtained and the effects of different boundary conditions, material gradient index, thickness to length scale parameter and length to thickness ratio of the plates on nonlinear bending and post-buckling responses are investigated and discussed.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.8
no.3
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pp.1-10
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1988
A higher order plate bending finite element using cubic in-plane displacement profiles is proposed for geometrically nonlinear analysis of thin and thick plates. The higher order plate bending element has been derived from the three dimensional plate-like continuum by discretization of the equations of motion by Galerkin weighted residual method, together with enforcing higher order plate assumptions. Total Lagrangian formulation has been used for geometrically nonlinear analysis of plates and consistent linearization by Newton-Raphson method has been performed to solve the nonlinear equations. The element characteristics have been computed by, selective reduced integration technique using Gauss quadrature to avoid shear locking phenomenon in case of extremely thin plates. Several numerical examples were solved with FEAP macro program to demonstrate versatility and accuracy of the present higher order plate bending element.
We in this paper study nonlinear bending of a functionally graded porous nanobeam subjected to multiple physical load based on the nonlocal strain gradient theory. For more reasonable analysis of nanobeams made of porous functionally graded magneto-thermo-electro-elastic materials (PFGMTEEMs), both constituent materials and the porosity appear gradient distribution in the present expression of effective material properties, which is much more suitable to the actual compared with the conventional expression of effective material properties. Besides the displacement function regarding physical neutral surface is introduced to analyze mechanical behaviors of beams made of FGMs. Then we derive nonlinear governing equations of PFGMTEEMs beams using the principle of Hamilton. To obtain analytical solutions, a two-step perturbation method is developed in nonuniform electric field and magnetic field, and then we use it to solve nonlinear equations. Finally, the analytical solutions are utilized to perform a parametric analysis, where the effect of various physical parameters on static bending deformation of nanobeams are studied in detail, such as the nonlocal parameter, strain gradient parameter, the ratio of nonlocal parameter to strain gradient parameter, porosity volume fraction, material volume fraction index, temperature, initial magnetic potentials and external electric potentials.
In this paper, the nonlinear cylindrical bending behavior of functionally graded nanocomposite plates reinforced by single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) is studied using an efficient and simple refined theory. This theory is based on assumption that the in-plane and transverse displacements consist of bending and shear components in which the bending components do not contribute toward shear forces and, likewise, the shear components do not contribute toward bending moments. The material properties of SWCNTs are assumed to be temperature-dependent and are obtained from molecular dynamics simulations. The material properties of functionally graded carbon nanotube-reinforced composites (FG-CNTCRs) are assumed to be graded in the thickness direction, and are estimated through a micromechanical model. The fundamental equations for functionally graded nanocomposite plates are obtained using the Von-Karman theory for large deflections and the solution is obtained by minimization of the total potential energy. The numerical illustrations concern the nonlinear bending response of FG-CNTRC plates under different sets of thermal environmental conditions, from which results for uniformly distributed CNTRC plates are obtained as comparators.
A numerical study using nonlinear finite element analysis is performed to investigate the behavior of isolated reinforced concrete walls subjected to combined axial force and in-plane and out-of-plane bending moments. For a nonlinear finite element analysis, a computer program addressing material and geometric nonlinearities was developed. Through numerical studies, the internal force distribution in the cross-section is idealized, and then a new design method, different from the existing methods based on the plane section hypothesis was developed. According to the proposed method, variations in the interaction curve of the in-plane bending moment and axial force depends on the range of the permissible axial force per unit length, that is determined by a given amount of out-of-plane bending moment. As the out-of-plane bending moment increases, the interaction curve shrinks, indicating a decrease in the ultimate strength. The proposed method is then compared with an existing method, using the plane section hypothesis. Compared with the proposed method, the existing method overestimates the ultimate strength for the walls subjected to low out-of-plane bending moments, while it underestimates the ultimate strength for walls subject to high out-of-plane bending moments. The proposed method can address the out-of-plane local behavior of the individual wall segments that may govern the ultimate strength of the entire wall.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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