A graded harmonic finite element formulation based on three-dimensional elasticity theory is developed for the structural analysis of 2D functionally graded axisymmetric structures. The mechanical properties of the axisymmetric solid structures composed of two different metals and ceramics are assumed to vary in radial and axial directions according to power law variations as a function of the volume fractions of the constituents. The material properties of the graded element are calculated at the integration points. Effects of material distribution profile on the static deformation, natural frequency and dynamic response analyses of particular axisymmetric solid structures are investigated by changing the power law exponents. It is observed that the displacements, stresses and natural frequencies are severely affected by the variation of axial and radial power law exponents. Good accuracy is obtained with fewer elements in the present study since Fourier series expansion eliminates the need of finite element mesh in circumferential direction and continuous material property distribution within the elements improves accuracy without refining the mesh size in axial and radial directions.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.16
no.12
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pp.2241-2251
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1992
This work is concerned with the investigation of end effects of a cylinder on a structure where a circular plate is attached to a solid circular cylinder. Three-dimensional elasticity solutions are used in a cylinder whereas the classical thin plate theory is employed for a plate. The end effect of the cylinder on the flexibility and the structural response is demonstrated by several numerical examples.
Abdollahi, Mahdieh;Saidi, Ali Reza;Bahaadini, Reza
Structural Engineering and Mechanics
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v.84
no.4
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pp.437-452
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2022
For the first time, the higher-order shear and normal deformable plate theory (HOSNDPT) is used for the vibration and flutter analyses of the multilayer functionally graded graphene platelets reinforced composite (FG-GPLRC) plates under supersonic airflow. For modeling the supersonic airflow, the linear piston theory is adopted. In HOSNDPT, Legendre polynomials are used to approximate the components of the displacement field in the thickness direction. So, all stress and strain components are encountered. Either uniform or three kinds of non-uniform distribution of graphene platelets (GPLs) into polymer matrix are considered. The Young modulus of the FG-GPLRC plate is estimated by the modified Halpin-Tsai model, while the Poisson ratio and mass density are determined by the rule of mixtures. The Hamilton's principle is used to obtain the governing equations of motion and the associated boundary conditions of the plate. For solving the plate's equations of motion, the Galerkin approach is applied. A comparison for the natural frequencies obtained based on the present investigation and those of three-dimensional elasticity theory shows a very good agreement. The flutter boundaries for FG-GPLRC plates based on HOSNDPT are described and the effects of GPL distribution patterns, the geometrical parameters and the weight fraction of GPLs on the flutter frequencies and flutter aerodynamic pressure of the plate are studied in detail. The obtained results show that by increasing 0.5% of GPLs into polymer matrix, the flutter aerodynamic pressure increases approximately 117%, 145%, 166% and 196% for FG-O, FG-A, UD and FG-X distribution patterns, respectively.
The goal of this study is to fill this apparent gap in the area about vibration analysis of multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs) curved panels by providing 3-D vibration analysis results for functionally graded multiwalled carbon nanotubes (FG-MWCNTs) sandwich structure with power-law distribution of nanotube. The effective material properties of the FG-MWCNT structures are estimated using a modified Halpin-Tsai equation. Modified Halpin-Tsai equation was used to evaluate the Young's modulus of MWCNT/epoxy composite samples by the incorporation of an orientation as well as an exponential shape factor in the equation. The exponential shape factor modifies the Halpin-Tsai equation from expressing a straight line to a nonlinear one in the MWCNTs wt% range considered. Also, the mass density and Poisson's ratio of the MWCNT/phenolic composite are considered based on the rule of mixtures. Parametric studies are carried out to highlight the influence of MWCNT volume fraction in the thickness, different types of CNT distribution, boundary conditions and geometrical parameters on vibrational behavior of FG-MWCNT thick curved panels. Because of using two-dimensional generalized differential quadrature method, the present approach makes possible vibration analysis of cylindrical panels with two opposite axial edges simply supported and arbitrary boundary conditions including Free, Simply supported and Clamped at the curved edges. For an overall comprehension on 3-D vibration analysis of sandwich panel, some mode shape contour plots are reported in this research work.
The coefficient of consolidation has been evaluated using the conventional oedometer tests based on the one-dimensional consolidation theory. In the field, however, the actual response of the soil will be subject to the three-dimensional condition during consolidation. In this research, a new method f3r estimating the coefficient of consolidation for various stress-deformation conditions was proposed. The good agreement between the computed dissipation of pore pressure and the measured data confirms the usefulness and the applicability of the proposed method to predict the exact rate of consolidation.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.11
no.2
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pp.15-26
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1991
The lateral forces such as the earthquake and wind my cause the torsion to be coupled with the lateral bending in the gider, the cross-section of wich has only one axis of symmetry. This induces additional stresses especially in cables arranged in double-planes. Since this effect cannot be considered by using the conventional frame elements, the stiffness and the mass matrices of the geometrically nonlinear thin-walled frame element are developed in this study to model the girder. The equivalent modulus of elasticity proposed by Ernst is used for the cable elements. Verification of the present theory is made through a numerical example. Then, the free vibration of a three dimensional cable-stayed bridge is analyzed to study the coupled flexural-torsional behavior.
Pasolini, P.;Dowell, E.H.;Rosa, S. De;Franco, F.;Savino, R.
Advances in aircraft and spacecraft science
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v.4
no.4
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pp.449-465
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2017
The aim of the present work is to present a computational study of the non-linear aero-elastic behavior of a multi-layered Thermal Protection System (TPS). The severity of atmospheric re-entry conditions is due to the combination of high temperatures, high pressures and high velocities, and thus the aero-elastic behavior of flexible structures can be difficult to assess. In order to validate the specific computational model and the overall strategy for structural and aerodynamics analyses of flexible structures, the simplified TPS sample tested in the 8' High Temperature Tunnel (HTT) at NASA LaRC has been selected as a baseline for the validation of the present work. The von $K{\acute{a}}rm{\acute{a}}n^{\prime}s$ three dimensional large deflection theory for the structure and a hybrid Raleigh-Ritz-Galerkin approach, combined with the first order Piston Theory to describe the aerodynamic flow, have been used to derive the equations of motion. The paper shows that a good description of the physical behavior of the fabric is possible with the proposed approach. The model is further applied to investigate structural and aero-elastic influence of the number of the layers and the stitching pattern.
The present paper studies the influence of the inhomogeneous initial stresses in the bi-layered hollow cylinder and it is assumed that these stresses are caused by the hydrostatic pressures acting on the interior and outer free surfaces of the cylinder. The study is made by utilizing the version of the three-dimensional linearized theory of elastic waves in bodies with initial stresses for which the initial stress-strain state in bodies is determined within the scope of the classical linear theory of elasticity. For the solution to the corresponding eigenvalue problem, the discrete-analytical method is employed. Numerical results are presented and analyzed for concrete selected pairs of materials. According to these results and their analyses, it is established that, unlike homogeneous initial stresses, the influence of the inhomogeneous initial stresses on the torsional wave dispersion has not only quantitative but also qualitative character. For instance, in particular, it is established that as a result of the initial stresses caused by the hydrostatic pressure acting in the interior free surface of the cylinder, the cut-off frequency appears for the fundamental dispersive mode and the values of this frequency increase with the intensity of this pressure.
Saeed I. Tahir;Abdelbaki Chikh;Ismail M. Mudhaffar;Abdelouahed Tounsi;Mohammed A. Al-Osta
Geomechanics and Engineering
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v.33
no.3
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pp.271-277
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2023
This article investigates the effect of viscoelastic foundations on the waves' dispersion in a beam made of ceramic-metal functionally graded material (FGM) with microstructural defects. The beam is considered to be shear deformable, and a simple three-unknown sinusoidal integral higher-order shear deformation beam theory is applied to represent the beam's displacement field. Novel to this study is the investigation of the impact of viscosity damping on imperfect FG beams, utilizing a few-unknowns theory. The stresses and strains are obtained using the two-dimensional elasticity relations of FGM, neglecting the normal strain in the beam's depth direction. The variational operation is employed to define the dispersion relations of the FGM beam. The influences of the material gradation exponent, the beam's thickness, the porosity, and visco-Pasternak foundation parameters are represented. Results showed that phase velocity was inversely proportional to the damping and porosity of the beams. Additionally, the foundation viscous damping had a stronger influence on wave velocity when porosity volume fractions were low.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.19
no.4
s.74
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pp.407-418
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2006
In this paper, an efficient yet accurate stress analysis based on the first-order shear deformation theory (FSDT) is presented. The transverse shear strain energy is modified via the mixed variational theorem, so that the shear correction factors are automatically involved in the formulation. In the mixed variational formulation, the transverse stresses are taken to be functions subject to variations. The transverse shear stresses based on an efficient higher order plate theory (EHOPT, Cho and Parmerter, 1993) are utilized and modified, while the transverse normal stress is assumed to be the third-order polynomial of thickness coordinates, which satisfies both zero transverse shear stresses and prescribed surface fractions in top and bottom surfaces. On the other hand, the displacements are assumed to be those of the FSDT Resulting strain energy expressions are referred to as an EFSDTM3D that stands for an enhanced first-order shear deformation theory based on the mixed formulation for three dimensional elasticity, The developed EFSDTM3D preserves the computational advantage of the classical FSDT while allowing for important local through-the-thickness variations of displacements and stresses through the recovery procedure that is based on the least square minimization of in-plane stresses. Comparisons of displacements and stresses of both laminated and sandwich plates using the present theory are made with the classical FSDT, three-dimensional exact solutions, and available data in the literature.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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