The nonlinear snap-through buckling of functionally graded (FG) carbon nanotube reinforced composite (CNTRC) curved tubes is analytically investigated in this research. It is assumed that the FG-CNTRC curved tube is supported on a three-parameter nonlinear elastic foundation and is subjected to the uniformly distributed pressure and thermal loads. Properties of the curved nanocomposite tube are distributed across the radius of the pipe and are given by means of a refined rule of mixtures approach. It is also assumed that all thermomechanical properties of the nanocomposite tube are temperature-dependent. The governing equations of the curved tube are obtained using a higher-order shear deformation theory, where the traction free boundary conditions are satisfied on the top and bottom surfaces of the tube. The von Kármán type of geometrical non-linearity is included into the formulation to consider the large deflection in the curved tube. Equations of motion are solved using the two-step perturbation technique for nanocomposite curved tubes which are simply-supported and clamped. Closed-form expressions are provided to estimate the snap-buckling resistance of FG-CNTRC curved pipes rested on nonlinear elastic foundation in thermal environment. Numerical results are given to explore the effects of the distribution pattern and volume fraction of CNTs, thermal field, foundation stiffnesses, and geometrical parameters on the instability of the curved nanocomposite tube.
The static response of a finite beam resting on a tensionless Pasternak foundation and subjected to a concentrated vertical load is assessed in this study. The concentrated vertical load may be applied at the center of the beam, or it may be offset from the center. The tensionless character of the foundation results in the creation of lift-off regions between the beam and the foundation. An analytical/ numerical solution is obtained from the governing equations of the contact and lift-off regions to determine the extent of the contact region. Although there is no nonlinear term in the equations, the problem shows a nonlinear character since the contact region is not known in advance. Due to that nonlinearity, the essentials of the problem (the coordinates of the lift-off points) are calculated numerically using the Newton-Raphson technique. The numerical results are presented in figures to illustrate the behaviours of the free-free and pinned-pinned beams under symmetric or asymmetric loading. The figures illustrate the effects of the shear foundation parameter and the symmetric and asymmetric loading options on the variation of the contact lengths and the displacement of the beam.
Non-linear vibration characteristics of functionally graded CNT-reinforced composite (FG-CNTRC) cylindrical shell panel on elastic foundation have not been sufficiently examined. In this situation, this study aims at the profound numerical investigation of the non-linear vibration response of FG-CNTRC cylindrical panels on Winkler-Pasternak foundation by introducing an accurate and effective 2-D meshfree-based non-linear numerical method. The large-amplitude free vibration problem is formulated according to the first-order shear deformation theory (FSDT) with the von Karman non-linearity, and it is approximated by Laplace interpolation functions in 2-D natural element method (NEM) and a non-linear partial derivative operator HNL. The complex and painstaking numerical derivation on the curved surface and the crucial shear locking are overcome by adopting the geometry transformation and the MITC3+ shell elements. The derived nonlinear modal equations are iteratively solved by introducing a three-step iterative solving technique which is combined with Lanczos transformation and Jacobi iteration. The developed non-linear numerical method is estimated through the benchmark test, and the effects of foundation stiffness, CNT volume fraction and functionally graded pattern, panel dimensions and boundary condition on the non-linear vibration of FG-CNTRC cylindrical panels on elastic foundation are parametrically investigated.
In this study, the nonlinear vibration analysis of the composite nanoplate is studied. The composite nanoplate is fabricated by the functional graded (FG) core and lipid face sheets. The material properties in the FG core vary in three directions. The Kelvin-Voigt model is used to study the viscoelastic effect of the lipid layers. By using the Von-Karman assumptions, the nonlinear differential equation of the vibration analysis of the composite nanoplate is obtained. The foundation of the system is modeled by the nonlinear Pasternak foundation. The Bubnov-Galerkin method and the multiple scale method are used to solve the nonlinear differential equation of the composite nanoplate. The free and force vibration analysis of the composite nanoplate are studied. A comparison between the presented results and the reported results is done and good achievement is obtained. The reported results are verified by the results which are obtained by the Runge-Kutta method. The effects of different parameters on the nonlinear vibration frequencies, the primary, the super harmonic and subharmonic resonance cases are investigated. This work will be useful to design the nanosensors with high biocompatibility.
Ola Ragb;Mohamed Abd Elkhalek;M.S. Matbuly;Mohamed Salah;Mohamed Eltaher;Tharwat Osman
Steel and Composite Structures
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제53권1호
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pp.1-27
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2024
This work presents the effectiveness of differential quadrature shape functions (i.e., Lagrange interpolation polynomial, Cardinal sine function, Delta Lagrange kernel and Regularized Shannon kernel) in the solution of nonlinear vibration of multilayers piezoelectric plates with nonlinear elastic support. A piezoelectric composite laminated plate is rested on nonlinear Winkler and Visco-Pasternak elastic foundations problems. Based on 3D elasticity theory and piezoelectricity, the governing equations of motion are derived. Differential quadrature methods based on four shape functions are presented as numerical techniques for solving this problem. The perturbation method is implemented to solve the obtained nonlinear eigenvalue problem. A MATLAB code is written for each technique for solving this problem and extract the numerical results. To validate these methods, the computed results are we compare with the previous exact results. In addition, parametric analyses are offered to investigate the influence of length to thickness ratio, elastic foundation parameters, various boundary conditions, and piezoelectric layers thickness on the natural frequencies and mode shapes. Consequently, it is discovered that the obtained results via the proposed schemes can be applied in structural health monitoring.
Results from nonlinear time-history analyses of wall-frame structural models indicate that the condition of vulnerable foundations -for which uplifting and reaching the bearing capacity of the supporting soil can occur before yielding at the base of the shear walls- may not be necessarily detrimental to the drift response of buildings under strong ground motions. Analyses also show that a soil-foundation system can inherently have deformation capacity well in excess of the demand and thus act as a source of energy dissipation that protects the structural integrity of the shear walls.
This papers studies nonlinear stability and post-buckling behaviors of geometrically imperfect metal foam doubly-curved shells with eccentrically stiffeners resting on elastic foundation. Metal foam is considered as porous material with uniform and non-uniform models. The doubly-curved porous shell is subjected to in-plane compressive loads as well as a transverse pressure leading to post-critical stability in nonlinear regime. The nonlinear governing equations are analytically solved with the help of Airy stress function to obtain the post-buckling load-deflection curves of the geometrically imperfect metal foam doubly-curved shell. Obtained results indicate the significance of porosity distribution, geometrical imperfection, foundation factors, stiffeners and geometrical parameters on post-buckling characteristics of porous doubly-curved shells.
지반-구조물의 상호작용은 구조물의 동적 해석 및 기초 설계에 있어 지대한 영향을 미침에도 불구하고 그 중요성이 간과되어 왔다. 이는 모델링 과정의 복잡성으로 인해 실무자를 위한 적절한 절차가 미비 하다는 점에서 상당부분 그 이유를 찾을 수 있을 것이다. 본 연구에서는 먼저 구조물의 동적 해석이 필수적으로 요구되는 강진지역인 미국 캘리포니아에 위치한 Cal(IT)2 건물을 대상으로 지반 경계조건을 달리했을 시 해석상의 차이가 어느 정도 나는지를 검토해 보았다. 기초 모델링 기법의 하나인 Beam on Nonlinear Winkler Foundation Model을 Linear Matrix Inequalities Model Reduction 기법을 활용하여 보다 간략하게 사용할 수 있도록 하였다. 이렇게 하여 만들어진 대상 건물의 유한요소 모델과 실재 얻어진 가속도 데이터를 비교하여 제시된 방식을 통해 매우 우수한 해석 결과를 얻을 수 있음을 보였다.
In offshore structures, fire is one of the most important hazardous events. The concern of fires has recently been reflected in the rules and quantified risk assessment based design practice. Within the framework of quantified risk assessment and the management of offshore installations, therefore, more refined computations of the consequences or hazardous action effects due to fire are required. To mitigate fire risk, passive fire protection(PFP) is widely used on offshore structures. This study presents methods for a nonlinear structural response analysis considering the PFP effects under fires. It is found that a structural response analysis is most likely to use valuable technology for the optimization and design of offshore structures with PFP. Thermal and structural response analyses have been performed using LS-DYNA and FAHTS/USFOS. The results of these structural response analyses are compared with each other.
This paper is motivated by the lack of studies relating to vibration and nonlinear resonance of fluid-conveying cantilever porous GPLR pipes with fractional viscoelastic model resting on nonlinear foundations. A dynamical model of cantilever porous Graphene Platelet Reinforced (GPLR) pipes conveying fluid and resting on nonlinear foundation is proposed, and the vibration, natural frequencies and primary resonant of such system are explored. The pipe body is considered to be composed of GPLR viscoelastic polymeric pipe with porosity in which Halpin-Tsai scheme in conjunction with fractional viscoelastic model is used to govern the construction relation of the nanocomposite pipe. Three different porosity distributions through the pipe thickness are introduced. The harmonic concentrated force is also applied on pipe and excitation frequency is close to the first natural frequency. The governing equation for transverse motion of the pipe is derived by the Hamilton principle and then discretized by the Galerkin procedure. In order to obtain the frequency-response equation, the differential equation is solved with the assumption of small displacement, damping coefficient, and excitation amplitude by the multiple scale method. A parametric sensitivity analysis is carried out to reveal the influence of different parameters, such as nanocomposite pipe properties, fluid velocity and nonlinear viscoelastic foundation coefficients, on the primary resonance and linear natural frequency. Results indicate that the GPLs weight fraction porosity coefficient, fractional derivative order and the retardation time have substantial influences on the dynamic response of the system.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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