In this investigation, dynamic and bending behaviors of isolated protein microtubules are analyzed. Microtubules (MTs) can be considered as bio-composite structures that are elements of the cytoskeleton in eukaryotic cells and posses considerable roles in cellular activities. They have higher mechanical characteristics such as superior flexibility and stiffness. In the modeling purpose of microtubules according to a hollow beam element, a novel single variable sinusoidal beam model is proposed with the conjunction of modified strain gradient theory. The advantage of this model is found in its new displacement field involving only one unknown as the Euler-Bernoulli beam theory, which is even less than the Timoshenko beam theory. The equations of motion are constructed by considering Hamilton's principle. The obtained results are validated by comparing them with those given based on higher shear deformation beam theory containing a higher number of variables. A parametric investigation is established to examine the impacts of shear deformation, length scale coefficient, aspect ratio and shear modulus ratio on dynamic and bending behaviors of microtubules. It is remarked that when length scale coefficients are almost identical of the outer diameter of MTs, microstructure-dependent behavior becomes more important.
Khadir, Adnan I.;Daikh, Ahmed Amine;Eltaher, Mohamed A.
Advances in nano research
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v.11
no.6
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pp.621-640
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2021
Effect of thickness stretching on mechanical behavior of functionally graded (FG) carbon nanotubes reinforced composite (CNTRC) laminated nanoplates resting on elastic foundation is analyzed in this paper using a novel quasi 3D higher-order shear deformation theory. The key feature of this theoretical formulation is that, in addition to considering the thickness stretching effect, the number of unknowns of the displacement field is reduced to four, and which is more than five in the other models. Single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) are the reinforced elements and are distributed with four power-law functions which are, uniform distribution, V-distribution, O-distribution and X-distribution. To cover various boundary conditions, an analytical solution is developed based on Galerkin method to solve the governing equilibrium equations by considering the nonlocal strain gradient theory. A modified two-dimensional variable Winkler elastic foundation is proposed in this study for the first time. A parametric study is executed to determine the influence of the reinforcement patterns, power-law index, nonlocal parameter, length scale parameter, thickness and aspect ratios, elastic foundation, thermal environments, and various boundary conditions on stresses, displacements, buckling loads and frequencies of the CNTRC laminated nanoplate.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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2003.06a
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pp.1508-1512
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2003
In this study, retardation behavior of fatigue crack under single overloading of the mixed mode state was experimentally investigated. To produce single overload in the mixed mode I+II state, the compact tension shear (CTS) specimen and loading device were used. The propagation tests for fatigue crack were performed under mode I and mixed-mode loading overloading afterwards. We examined the observed deformation aspects, the variation of fatigue life and crack propagation rate, and the aspects of retardation behavior from tests. The retardation effect of mixed-mode single overload on fatigue crack propagation behavior was smaller than that of mode I single overload. Also the loading modes of variable and constant amplitude loads have influence on the retardation behavior of fatigue cracks.
Free vibration of cross-ply laminated plates using a higher-order shear deformation theory is studied. The arbitrary number of layers is oriented in symmetric and anti-symmetric manners. The plate kinematics are based on higher-order shear deformation theory (HSDT) and the vibrational behaviour of multi-layered plates are analysed under simply supported boundary conditions. The differential equations are obtained in terms of displacement and rotational functions by substituting the stress-strain relations and strain-displacement relations in the governing equations and separable method is adopted for these functions to get a set of ordinary differential equations in term of single variable, which are coupled. These displacement and rotational functions are approximated using cubic and quantic splines which results in to the system of algebraic equations with unknown spline coefficients. Incurring the boundary conditions with the algebraic equations, a generalized eigen value problem is obtained. This eigen value problem is solved numerically to find the eigen frequency parameter and associated eigenvectors which are the spline coefficients.The material properties of Kevlar-49/epoxy, Graphite/Epoxy and E-glass epoxy are used to show the parametric effects of the plates aspect ratio, side-to-thickness ratio, stacking sequence, number of lamina and ply orientations on the frequency parameter of the plate. The current results are verified with those results obtained in the previous work and the new results are presented in tables and graphs.
The thermal eigenvalue responses of the graded sandwich shell structure are evaluated numerically under the variable thermal loadings considering the temperature-dependent properties. The polynomial type rule-based sandwich panel model is derived using higher-order type kinematics considering the shear deformation in the framework of the equivalent single-layer theory. The frequency values are computed through an own home-made computer code (MATLAB environment) prepared using the finite element type higher-order formulation. The sandwich face-sheets and the metal core are discretized via isoparametric quadrilateral Lagrangian element. The model convergence is checked by solving the similar type published numerical examples in the open domain and extended for the comparison of natural frequencies to have the final confirmation of the model accuracy. Also, the influence of each variable structural parameter, i.e. the curvature ratios, core-face thickness ratios, end-support conditions, the power-law indices and sandwich types (symmetrical and unsymmetrical) on the thermal frequencies of FG sandwich curved shell panel model. The solutions are helping to bring out the necessary influence of one or more parameters on the frequencies. The effects of individual and the combined parameters as well as the temperature profiles (uniform, linear and nonlinear) are examined through several numerical examples, which affect the structural strength/stiffness values. The present study may help in designing the future graded structures which are under the influence of the variable temperature loading.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2006.11a
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pp.801-804
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2006
The purpose of this paper is to investigate the stability of stepped cantilever columns with a tip mass of rotatory inertia and a translational spring at one end. The column model is based on the Bernoulli-Euler theory which neglects the effects of rotatory inertia and shear deformation. The governing differential equation for the free vibration of columns with stepwise variable cross-section and subjected to a subtangential follower force is solved numerically using the corresponding boundary conditions. And the bisection method is used to calculate the critical divergence/flutter load. The frequency and critical divergence/flutter load for the stepped column with a single step are presented as functions of various non-dimensional system parameters: the segmental length parameter, the section ratio, the subtangential parameter, the mass, the moment of inertia of the mass, and the spring parameter.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.30
no.2
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pp.111-117
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2017
In this paper, a local deformation effect in thin-walled box beams is investigated via a finite element modal analysis. The analysis is carried out for single-cell and multi-cell box beam configurations. The single-cell box beam with and without a neck, which mimics a simple wind-turbine blade, is analyzed first. The results obtained by shell elements are compared to those of one-dimensional(1D) beam elements. It is observed that the wall thickness plays a crucial role in the natural frequencies of the beam. The 1D beam analysis deviates from the shell analysis when the wall thickness is either thin or thick. The shell modes(local deformations) are dominant as it becomes thin, whereas the shear deformation effects are significant as it does thick. The analysis is extended to the single-cell box beam with a neck, in which the shell modes are confined to near the neck. Finally the multi-cell box beam with a taper, which is quite similar to real wind-turbine blade configuration, is considered to investigate the local deformation effect. The results reveal that the 1D beam analysis cannot match with the shell analysis due to the local deformation, especially for the lagwise frequencies. There are approximately 5~7% errors even if the number of segments is increased.
This paper, presents the dynamic and stability analysis of the simply supported single walled Carbon Nanotubes (SWCNT) reinforced concrete beam on elastic-foundation using an integral first-order shear deformation beam theory. The condition of the zero shear-stress on the free surfaces of the beam is ensured by the introduction of the shear correction factors. The SWCNT reinforcement is considered to be uniform and variable according to the X, O and V forms through the thickness of the concrete beam. The effective properties of the reinforced concrete beam are calculated by employing the rule of mixture. The analytical solutions of the buckling and free vibrational behaviors are derived via Hamilton's principle and Navier method. The analytical results of the critical buckling loads and frequency parameters of the SWCNT-RC beam are presented in the form of explicit tables and graphs. Also the diverse parameters influencing the dynamic and stability behaviors of the reinforced concrete beam are discussed in detail.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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