The present paper deals with the nonlinear analysis of the functionally graded piezoelectric (FGP) annular plate with two smart layers as sensor and actuator. The normal pressure is applied on the plate. The geometric nonlinearity is considered in the strain-displacement equations based on Von-Karman assumption. The problem is symmetric due to symmetric loading, boundary conditions and material properties. The radial and transverse displacements are supposed as two dominant components of displacement. The constitutive equations are derived for two sections of the plate, individually. Total energy of the system is evaluated for elastic solid and piezoelectric sections in terms of two components of displacement and electric potential. The response of the system can be obtained using minimization of the energy of system with respect to amplitude of displacements and electric potential. The distribution of all material properties is considered as power function along the thickness direction. Displacement-load and electric potential-load curves verify the nonlinearity nature of the problem. The response of the linear analysis is investigated and compared with those results obtained using the nonlinear analysis. This comparison justifies the necessity of a nonlinear analysis. The distribution of the displacements and electric potential in terms of non homogenous index indicates that these curves converge for small value of piezoelectric thickness with respect to elastic solid thickness.
This study focused on evaluating the reliability of code formulas such as those of the current Korean Building Code(KBC 1988). UBC 1997, NBCC 1995. and BSLJ 1994 for estimating the fundamental period of RC apartment buildings with shear-wall dominant systems, representative of typical residential buildings in Korea. For this purpose, full-scale measurements were carried out on fifty RC apartment buildings, and these results were compared to those obtained by code formulas and also by dynamic analysis. Although these code formulas are based on the measured periods of buildings during various earthquakes and building period varies with the amplitude of structural deflection or strain level, ambient surveys should provide an effective tool for experimentally verifying the design period to the completed building. This comparison shows that comparatively large errors are likely to occure when the code formula of KBC 1988 is used, and all the other code formulas are not sufficient to estimate the fundamental period of apartment buildings with shear-wall dominant systems. An improved formula is proposed by regression analysis on the basis of the measured period data. The proposal is for the servicebility stress level, but it can also be applied for seismic code in the regions of low seismicity similar to Korea.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.41
no.4
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pp.271-277
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2017
In this paper, the amplitude and frequency dependent dynamic characteristics of the equivalent stiffness of a rubber bushing are investigated. A new mathematical model is proposed to explain the large deformation and size effect of a rubber bushing. The proposed model consists of elastic, viscous, and frictional stress components and the equivalent strain. The proposed model is verified using experimental results. The comparison shows that the proposed model can accurately predict the equivalent stiffness values of a rubber bushing under various magnitudes and frequencies. The developed model could be used to predict the dynamic equivalent stiffness of a rubber bushing in automotive engineering.
Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers
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v.29
no.5
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pp.13-18
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2015
In this paper, we implemented a polarimetric vibration sensor using a Sagnac birefringence interferometer composed of polarization-maintaining photonic crystal fiber(PM-PCF). By changing the amplitude and frequency of vibration applied to PM-PCF employed as the sensor head of the proposed sensor, sensor responses to various types of vibration were investigated. First, the vibration characteristic of the sensor was explored for a single frequency in a frequency range from 1 to 3000Hz with a cylindrical piezoelectric transducer, and then the sensor response to naturally damped vibration was examined by utilizing a metal cantilever. It was experimentally observed that the sensor output signal was deteriorated by more than 3dB at ~1900Hz in the single frequency vibration measurement with a minimum detectable strain perturbation of ${\sim}1.34n{\varepsilon}/Hz^{1/2}$ at 1500Hz and the peak value of the sensor output signal was proportional to the strength of initially applied stress in the naturally damped vibration measurement.
Jarali, Chetan S.;Madhusudan, M.;Vidyashankar, S.;Lu, Y. Charles
Smart Structures and Systems
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v.19
no.1
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pp.57-66
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2017
Nanocomposites reinforced with carbon nanotube fibers exhibit greater stiffness, strength and damping properties in comparison to conventional composites reinforced with carbon/glass fibers. Consequently, most of the nanocomposite research is focused in understanding the dynamic characteristics, which are highly useful in applications such as vibration control and energy harvesting. It has been observed that those nanocomposites show better stiffness when the geometry of nanotubes is straight as compared to curvilinear although nanotube agglomeration may exist. In this work the damping behavior of the nanocomposite is characterized in terms of loss factor under the presence of nanotube agglomerations. A micro stick-slip damping model is used to compute the damping properties of the nanocomposites with multiwall carbon nanotubes. The present formulation considers the slippage between the interface of the matrix and the nanotubes as well as the slippage between the interlayers in the nanotubes. The nanotube agglomerations model is also presented. Results are computed based on the loss factor expressed in terms of strain amplitude and nanotube agglomerations. The results show that although-among the various factors such as the material properties (moduli of nanotubes and polymer matrix) and the geometric properties (number of nanotubes, volume fraction of nanotubes, and critical interfacial shear stresses), the agglomeration of nanotubes significantly influences the damping properties of the nanocomposites. Therefore the full potential of nanocomposites to be used for damping applications needs to be analyzed under the influence of nanotube agglomerations.
Yaghoobi, Hessameddin;Valipour, Mohammad Sadegh;Fereidoon, Abdolhossein;Khoshnevisrad, Pooria
Steel and Composite Structures
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v.17
no.5
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pp.753-776
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2014
In this paper, nonlinear vibration and post-buckling analysis of beams made of functionally graded materials (FGMs) resting on nonlinear elastic foundation subjected to thermo-mechanical loading are studied. The thermo-mechanical material properties of the beams are assumed to be graded in the thickness direction according to a simple power law distribution in terms of the volume fractions of the constituents, and to be temperature-dependent. The assumption of a small strain, moderate deformation is used. Based on Euler-Bernoulli beam theory and von-Karman geometric nonlinearity, the integral partial differential equation of motion is derived. Then this PDE problem which has quadratic and cubic nonlinearities is simplified into an ODE problem by using the Galerkin method. Finally, the governing equation is solved analytically using the variational iteration method (VIM). Some new results for the nonlinear natural frequencies and buckling load of the FG beams such as the influences of thermal effect, the effect of vibration amplitude, elastic coefficients of foundation, axial force, end supports and material inhomogenity are presented for future references. Results show that the thermal loading has a significant effect on the vibration and post-buckling response of FG beams.
Mohamed, Nazira;Eltaher, Mohamed A.;Mohamed, Salwa A.;Seddek, Laila F.
Structural Engineering and Mechanics
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v.70
no.6
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pp.737-750
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2019
This paper investigates the static and dynamic behaviors of imperfect single walled carbon nanotube (SWCNT) modeled as a beam structure by using energy-equivalent model (EEM), for the first time. Based on EEM Young's modulus and Poisson's ratio for zigzag (n, 0), and armchair (n, n) carbon nanotubes (CNTs) are presented as functions of orientation and force constants. Nonlinear Euler-Bernoulli assumptions are proposed considering mid-plane stretching to exhibit a large deformation and a small strain. To simulate the interaction of CNTs with the surrounding elastic medium, nonlinear elastic foundation with cubic nonlinearity and shearing layer are employed. The equation governed the motion of curved CNTs is a nonlinear integropartial-differential equation. It is derived in terms of only the lateral displacement. The nonlinear integro-differential equation that governs the buckling of CNT is numerically solved using the differential integral quadrature method (DIQM) and Newton's method. The linear vibration problem around the static configurations is discretized using DIQM and then is solved as a linear eigenvalue problem. Numerical results are depicted to illustrate the influence of chirality angle and imperfection amplitude on static response, buckling load and dynamic behaviors of armchair and zigzag CNTs. Both, clamped-clamped (C-C) and simply supported (SS-SS) boundary conditions are examined. This model is helpful especially in mechanical design of NEMS manufactured from CNTs.
The paper presents an investigation of the widely varying mechanical performance and behaviour of steel and Glass Fibre Reinforced Polymer (GFRP) reinforced concrete beams using non-destructive techniques of Acoustic Emission (AE) and Digital Image Correlation (DIC) under four-point bending. Laboratory experiments are performed on both differently reinforced concrete beams with 0.33%, 0.52% and 1.11% of tension reinforcement against balanced section. The results show that the ultimate load-carrying capacity increases with an increase in tensile reinforcement in both cases. In addition to that, AE waveform parameters of amplitude and number of AE hits successfully correlates and picks up the divergent mechanism of cracking initiation and progression of failure in steel reinforced and GFRP reinforced concrete beams. AE activity is about 20-30% more in GFRP-RC beams as compared to steel-RC beams. It was primarily due to the lower modulus of elasticity of GFRP bars leading to much larger ductility and deflections as compared to steel-RC beams. Furthermore, AE XY event plots and longitudinal strain profiles using DIC gives an online and real-time visual display of progressive AE activity and strains respectively to efficaciously depict the crack evolution and their advancement in steel-RC and GFRP-RC beams which show a close matching with the micro-and macro-cracks visually observed in the actual beams at various stages of loading.
The article is about the theoretical analysis of the transmission and reflection of elastic waves through the interface of perfectly connected materials. The solid continuum mediums considered are piezoelectric semiconductors and transversely isotropic in nature. The connection among the mediums is considered in such a way that it holds the continuity property of field variables at the interface. The concept of strain and stress introduced by non-local theory is also being involved to make the study more applicable It is found that, the incident wave results in the generation of four reflected and three transmitted waves including the thermal and elastic waves. The thermal waves generated in the medium are encountered by using the concept of three phase lag heat model along with fractional ordered time thermoelasticity. The results obtained are calculated graphically for a ZnO material with piezoelectric semiconductor properties for medium M1 and CdSc material with transversely isotropic elastic properties for medium M2. The influence of fractional order parameter, non-local parameter, and steady carrier density parameter on the amplitude ratios of reflected and refraction waves are studied graphically by MATLAB.
The geometrical nonlinear vibrations of the gold nanoscale rod are investigated for the first time by considering the internal modals interactions using different nonlinear beam theories. This phenomenon is usually one of the important features of nonlinear vibration systems. For a more detailed analysis, the von-Karman effects, preserving all the nonlinear terms in the strain-displacement relationships of gold nanoscale rods in three displacement directions, are considered to analyze the nonlinear axial vibrations of gold nanoscale rods. It uses highly accurate analytical-numerical solutions for the clamped-clamped and clamped-free boundary conditions of nanoscale gold rods. Also, with the help of Hamilton's principle, the governing equation and boundary conditions are derived based on Eringen's theory. The influence of nonlinear and nonlocal factors on axial vibrations was investigated separately for all three theories: Simple (ST), Rayleigh (RT) and Bishop (BT). Using different theories, the effects of inertia and shear on the internal resonances of gold nanorods were studied and compared in terms of twoto-one and three-to-one internal resonances. As the nonlocal parameter of the gold nanorod increases, the maximum nonlinear amplitude occurs. So, by adding nonlocal effects in a gold nanorod, the internal modal interactions resulting from the unique structure can be enhanced. It is worth noting that shear and inertial analysis have a significant effect on internal modal interactions in gold nanorods.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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