An analytical solution based on the neutral surface concept is developed to study the free vibration behavior of simply supported functionally graded plate reposed on the elastic foundation by taking into account the effect of transverse shear deformations. No transversal shear correction factors are needed because a correct representation of the transversal shearing strain obtained by using a new refined shear deformation theory. The foundation is described by the Winkler-Pasternak model. The Young's modulus of the plate is assumed to vary continuously through the thickness according to a power law formulation, and the Poisson ratio is held constant. The equation of motion for FG rectangular plates resting on elastic foundation is obtained through Hamilton's principle. Numerical examples are provided to show the effect of foundation stiffness parameters presented for thick to thin plates and for various values of the gradient index, aspect and side to thickness ratio. It was found that the proposed theory predicts the fundamental frequencies very well with the ones available in literature.
The optimum design of base isolation system considering model parameter uncertainty is usually performed by using the unconditional response of structure obtained by the total probability theory, as the performance index. Though, the probabilistic approach is powerful, it cannot be applied when the maximum possible ranges of variations are known and can be only modelled as uncertain but bounded type. In such cases, the interval analysis method is a viable alternative. The present study focuses on the bounded optimization of base isolation system to mitigate the seismic vibration effect of structures characterized by bounded type system parameters. With this intention in view, the conditional stochastic response quantities are obtained in random vibration framework using the state space formulation. Subsequently, with the aid of matrix perturbation theory using first order Taylor series expansion of dynamic response function and its interval extension, the vibration control problem is transformed to appropriate deterministic optimization problems correspond to a lower bound and upper bound optimum solutions. A lead rubber bearing isolating a multi-storeyed building frame is considered for numerical study to elucidate the proposed bounded optimization procedure and the optimum performance of the isolation system.
In this work, we present a theoretical framework to study the thermovisco-elastic responses of homogeneous, isotropic and perfectly conducting medium subjected to inclined load. Based on recently developed generalized thermoelasticity theory with fractional order strain, the two-dimensional governing equations are obtained in the context of generalized magnetothermo-viscoelasticity theory without energy dissipation. The Kelvin-Voigt model of linear viscoelasticity is employed to describe the viscoelastic nature of the material. The resulting formulation of the field equations is solved analytically in the Laplace and Fourier transform domain. On the application of inclined load at the surface of half-space, the analytical expressions for the normal displacement, strain, temperature, normal stress and tangential stress are derived in the joint-transformed domain. To restore the fields in physical domain, an appropriate numerical algorithm is used for the inversion of the Laplace and Fourier transforms. Finally, we have demonstrated the effect of magnetic field, viscosity, mechanical relaxation time, fractional order parameter and time on the physical fields in graphical form for copper material. Some special cases have also been deduced from the present investigation.
In this study, static bending of an edge cracked cantilever nanobeam composed of functionally graded material (FGM) subjected to transversal point load at the free end of the beam is investigated based on modified couple stress theory. Material properties of the beam change in the height direction according to exponential distributions. The cracked nanobeam is modelled using a proper modification of the classical cracked-beam theory consisting of two sub-nanobeams connected through a massless elastic rotational spring. The inclusion of an additional material parameter enables the new beam model to capture the size effect. The new non-classical beam model reduces to the classical beam model when the length scale parameter is set to zero. The considered problem is investigated within the Euler-Bernoulli beam theory by using finite element method. In order to establish the accuracy of the present formulation and results, the deflections are obtained, and compared with the published results available in the literature. Good agreement is observed. In the numerical study, the static deflections of the edge cracked FGM nanobeams are calculated and discussed for different crack positions, different lengths of the beam, different length scale parameter, different crack depths, and different material distributions. Also, the difference between the classical beam theory and modified couple stress theory is investigated for static bending of edge cracked FGM nanobeams. It is believed that the tabulated results will be a reference with which other researchers can compare their results.
The engine parts material used in gas turbines (GTs) should be resistant to high-temperature variations. Thermal barrier coatings (TBCs) for gas turbine blades are found to have a significant effect on prolonging the life cycle of turbine blades by providing additional heat resistance. This work is to study the performance of TBCs on the high-temperature environment of the turbine blades. It is understood that this coating will increase the lifecycles of blade parts and decrease maintainence and repair costs. Experiments were performed on the gas turbine blade to see the effect of TBCs in different combinations of materials through the air plasma method. Three-layered coatings using materials INCONEL 718 as base coating, NiCoCrAIY as middle coating, and La2Ce2O7 as the top coating was applied. Finite element analysis was performed using a two-dimensional method to optimize the suitable formulation of coatings on the blade. Temperature distributions for different combinations of coatings layers with different materials and thickness were studied. Additionally, three-dimensional thermal stress analysis was performed on the blade with a commercial code. Results on the effect of TBCs shows a significant improvement in thermal resistance compared to the uncoated gas turbine blade.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.13
no.3
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pp.1352-1358
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2012
The dynamic analysis of delaminated composite structures is carried out based on the higher order plate theory. In the finite element (FE) formulation, the seven degrees of freedom per each node are used with transformations in order to fit the displacement continuity conditions at the delamination region. The boundaries of the instability regions are determined using the method proposed by Bolotin. The numerical results obtained for skew plates are in good agreement with those reported by other investigators. The new results for delaminated skew plate structures in this study mainly show the effect of the interactions between the geometries and other various parameters.
A $C^{\circ}$ continuous finite element formulation of a higher order displacement theory is presented for predicting linear and geometrically non-linear in the sense of von Karman transient responses of composite and sandwich plates. The displacement model accounts for non-linear cubic variation of tangential displacement components through the thickness of the laminate and the theory requires no shear correction coefficients. In the time domain, the explicit central difference integrator is used in conjunction with the special mass matrix diagonalization scheme which conserves the total mass of the element and included effects due to rotary inertia terms. The parametric effects of the time step, finite element mesh, lamination scheme and orthotropy on the linear and geometrically non-linear responses are investigated. Numerical results for central transverse deflection, stresses and stress resultants are presented for square/rectangular composite and sandwich plates under various boundary conditions and loadings and these are compared with the results from other sources. Some new results are also tabulated for future reference.
Applications of membrane mechanisms are widely found in nano-devices and nano-sensor technologies nowadays. An alternative approach for large deflection analysis of the orthotropic, elliptic membranes - subject to gravitational, uniform pressures often found in nano-sensors - is described in this paper. The material properties of membranes are assumed to be orthogonally isotropic and linearly elastic, while the principal directions of elasticity are parallel to the coordinate axes. Formulating the potential energy functional of the orthotropic, elliptic membranes involves the strain energy that is attributed to inplane stress resultant and the potential energy due to applied pressures. In the solution method, Rayleigh-Ritz method can be used successfully to minimize the resulting total potential energy generated. The set of equilibrium equations was solved subsequently by Newton-Raphson. The unparalleled model formulation capable of analyzing the large deflections of both circular and elliptic membranes is verified by making numerical comparisons with existing results of circular membranes as well as finite element solutions. The results are found in excellent agreements at all cases. Then, the parametric investigations are given to delineate the impacts of the aspect ratios and orthotropic elasticity on large static tensions and deformations of the orthotropic, elliptic membranes.
A rational three-dimensional nonlinear finite element model is described and implemented for evaluating the behavior of high strength concrete slabs under transverse load. The concrete was idealized by using twenty-nodded isoparametric brick elements with embedded reinforcements. The concrete material modeling allows for normal (NSC) and high strength concrete (HSC), which was calibrated based on experimental data. The behavior of concrete in compression is simulated by an elastoplastic work-hardening model, and in tension a suitable post-cracking model based on tension stiffening and shear retention models are employed. The nonlinear equations have been solved using the incremental iterative technique based on the modified Newton-Raphson method. The FE formulation and material modeling is implemented into a finite element code in order to carry out the numerical study and to predict the behavior up to ultimate conditions of various slabs under transverse loads. The validity of the theoretical formulations and the program used was verified through comparison with available experimental data, and the agreement has proven to be very good. A parametric study has been also carried out to investigate the influence of different material and geometric properties on the behavior of HSC slabs. Influencing factors, such as concrete strength, steel ratio, aspect ratio, and support conditions on the load-deflection characteristics, concrete and steel stresses and strains were investigated.
Gulsan, Mehmet Eren;Albegmprli, Hasan M.;Cevik, Abdulkadir
Structural Engineering and Mechanics
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v.66
no.4
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pp.423-438
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2018
This pioneer study focuses on finite element modeling and numerical modeling of three types of Reinforced Concrete Haunched Beams (RCHBs). Firstly, twenty RCHBs, consisting of three types, and four prismatic beams which had been tested experimentally were modeled via a nonlinear finite element method (NFEM) based software named as, ATENA. The modeling results were compared with experimental results including load capacity, deflection, crack pattern and mode of failure. The comparison showed a good agreement between the results and thus the model used can be effectively used for further studies of RCHB with high accuracy. Afterwards, new mechanism modes and design code equations were proposed to improve the shear design equation of ACI-318 and to predict the critical effective depth. These equations are the first comprehensive formulas in the literature involving all types of RCHBs. The statistical analysis showed the superiority of the proposed equation to their predecessors where the correlation coefficient, $R^2$ was found to be 0.89 for the proposed equation. Moreover, the new equation was validated using parametric and reliability analyses. The parametric analysis of both experimental and predicted results shows that the inclination angle and the compressive strength were the most influential parameters on the shear strength. The reliability analysis indicates that the accuracy of the new formulation is significantly higher as compared to available design equations and its reliability index is within acceptable limits.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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