Isavand, S.;Bodaghi, M.;Shakeri, M.;Mohandesi, J. Aghazadeh
Steel and Composite Structures
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v.18
no.1
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pp.1-28
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2015
In this paper, the dynamic response of functionally gradient steel (FGS) composite cylindrical panels in steady-state thermal environments subjected to impulsive loads is investigated for the first time. FGSs composed of graded ferritic and austenitic regions together with bainite and martensite intermediate layers are analyzed. Thermo-mechanical material properties of FGS composites are predicted according to the microhardness profile of FGS composites and approximated with appropriate functions. Based on the three-dimensional theory of thermo-elasticity, the governing equations of motionare derived in spatial and time domains. These equations are solved using the hybrid Fourier series expansion-Galerkin finite element method-Newmark approach for simply supported boundary conditions. The present solution is then applied to the thermo-elastic dynamic analysis of cylindrical panels with three different arrangements of material compositions of FGSs including ${\alpha}{\beta}{\gamma}M{\gamma}$, ${\alpha}{\beta}{\gamma}{\beta}{\alpha}$ and ${\gamma}{\beta}{\alpha}{\beta}{\gamma}$ composites. Benchmark results on the displacement and stress time-histories of FGS cylindrical panels in thermal environments under various pulse loads are presented and discussed in detail. Due to the absence of similar results in the specialized literature, this paper is likely to fill a gap in the state of the art of this problem, and provide pertinent results that are instrumental in the design of FGS structures under time-dependent mechanical loadings.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.16
no.3
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pp.251-260
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2003
A three dimensional (3-D) method of analysis is presented for determining the free vibration frequencies and mode shapes of deep, tapered rods and beams with circular cross section. Unlike conventional rod and beam theories, which are mathematically one-dimensional (1-D), the present method is based upon the 3-D dynamic equations of elasticity. Displacement components u/sup r/, u/sub θ/ and u/sub z/, in the radial, circumferential, and axial directions, respectively, are taken to be sinusoidal in time, periodic in , and algebraic polynomials in the r and z directions. Potential (strain) and kinetic energies of the rods and beams are formulated, the Ritz method is used to solve the eigenvalue problem, thus yielding upper bound values of the frequencies by minimizing the frequencies. As the degree of the polynomials is increased, frequencies converge to the exact values. Convergence to four-digit exactitude is demonstrated for the first five frequencies of the rods and beams. Novel numerical results are tabulated for nine different tapered rods and beams with linear, quadratic, and cubic variations of radial thickness in the axial direction using the 3D theory. Comparisons are also made with results for linearly tapered beams from 1-D classical Euler-Bernoulli beam theory.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.24
no.3
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pp.249-257
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2011
In this paper, an systematic approach is presented, in which the mixed variational theorem is employed to incorporate independent transverse shear stresses into a classical higher-order shear deformation theory(HSDT). The HSDT displacement field is taken to amplify the benefits of using a classical shear deformation theory such as simple and straightforward calculation and numerical efficiency. Those independent transverse shear stresses are taken from the fifth-order polynomial-based zig-zag theory where the fourth-order transverse shear strains can be obtained. The classical displacement field and independent transverse shear stresses are systematically blended via the mixed variational theorem. Resulting strain energy expressions are named as an enhanced higher-order shear deformation theory via mixed variational theorem(EHSDTM). The EHSDTM possess the same computational advantage as the classical HSDT while allowing for improved through-the-thickness stress and displacement variations via the post-processing procedure. Displacement and stress distributions obtained herein are compared to those of the classical HSDT, three-dimensional elasticity, and available data in literature.
Fang Xu;Wuming Leng;Xi Ai;Hossein Moayedi;Qishu Zhang;Xinyu Ye
Smart Structures and Systems
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v.31
no.5
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pp.517-529
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2023
Using a device composed of two lateral pressure plates (LPPs) and a steel reinforcement bar to apply horizontal pressure on slope surfaces, a newly developed prestress-reinforced embankment (PRE) is proposed, to which can be adopted in strengthening railway subgrades. In this study, an analytical model, which is available of calculating additional confining stress (σH) at any point in a PRE, was established based on the theory of elasticity. In addition, to verify the proposed analytical model, three dimensional (3D) finite element analyses were conducted and the feasibility in application was also identified and discussed. In order to study the performance of the PRE, the propagation of σH in a PRE was analyzed and discussed based on the analytical model. For the aim of convenience in application, calculation charts were developed in terms of three dimensionless parameters, and they can be used to accurately and efficiently predict the σH in a PRE regardless of the embankment slope ratio and LPP side length ratio. Finally, the potential applications of the proposed analytical model were discussed.
A simplified material model, which was efficiently implemented in a three-dimensional finite solid element (3D FE) analysis for wood was developed. The bi-linear elasto-plastic anisotropic material theory was adopted to describe constitutive relations of wood in three major directions including longitudinal, radial and tangential direction. The assumption of transverse isotropy was made to reduce the requisite 27 material constants to 6 independent constants including elastic moduli, yield stresses and Poisson's ratios in the parallel, and perpendicular to grain directions. The results of Douglas fir compression tests in the three directions were compared to the 3D FE simulation incorporated with the wood material model developed in this study. Successful agreements of the results were found in the load-deformation curves and the permanent deformations. Future works and difficulties expected in the advanced application of the model were discussed.
This paper deals with free vibration of FG sandwich annular sector plates on Pasternak elastic foundation with different boundary conditions, based on the three-dimensional theory of elasticity. The plates with simply supported radial edges and arbitrary boundary conditions on their circular edges are considered. The influence of carbon nanotubes (CNTs) waviness, aspect ratio, internal pores and graphene platelets (GPLs) on the vibrational behavior of functionally graded nanocomposite sandwich plates is investigated in this research work. The distributions of CNTs are considered functionally graded (FG) or uniform along the thickness of upper and bottom layers of the sandwich sectorial plates and their mechanical properties are estimated by an extended rule of mixture. In this study, the classical theory concerning the mechanical efficiency of a matrix embedding finite length fibers has been modified by introducing the tube-to-tube random contact, which explicitly accounts for the progressive reduction of the tubes' effective aspect ratio as the filler content increases. The core of structure is porous and the internal pores and graphene platelets (GPLs) are distributed in the matrix of core either uniformly or non-uniformly according to three different patterns. The elastic properties of the nanocomposite are obtained by employing Halpin-Tsai micromechanics model. A semi-analytic approach composed of 2D-Generalized Differential Quadrature Method (2D-GDQM) and series solution is adopted to solve the equations of motion. The fast rate of convergence and accuracy of the method are investigated through the different solved examples. Some new results for the natural frequencies of the plate are prepared, which include the effects of elastic coefficients of foundation, boundary conditions, material and geometrical parameters. The new results can be used as benchmark solutions for future researches.
The axisymmetric buckling delamination of the Piezoelectric/Metal/Piezoelectric (PZT/Metal/PZT) sandwich circular plate with interface penny-shaped cracks is investigated. The case is considered where open-circuit conditions with respect to the electrical displacement on the upper and lower surfaces, and short-circuit conditions with respect to the electrical potential on the lateral surface of the face layers are satisfied. It is assumed that the edge surfaces of the cracks have an infinitesimal rotationally symmetric initial imperfection and the development of this imperfection with rotationally symmetric compressive forces acting on the lateral surface of the plate is studied by employing the exact geometrically non-linear field equations and relations of electro-elasticity for piezoelectric materials. The sought values are presented in the power series form with respect to the small parameter which characterizes the degree of the initial imperfection. The zeroth and first approximations are used for investigation of stability loss and buckling delamination problems. It is established that the equations and relations related to the first approximation coincide with the corresponding ones of the three-dimensional linearized theory of stability of electro-elasticity for piezoelectric materials. The quantities related to the zeroth approximation are determined analytically, however the quantities related to the first approximation are determined numerically by employing Finite Element Method (FEM). Numerical results on the critical radial stresses acting in the layers of the plate are presented and discussed. In particular, it is established that the piezoelectricity of the face layer material causes an increase (a decrease) in the values of the critical compressive stress acting in the face (core) layer.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.24
no.2
s.173
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pp.362-369
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2000
Via screw theory, a vibration mode can be geometrically interpreted as a pure rotation about the vibration center in a plane and as a twisting motion on a screw in a three dimensional space. In thi s paper, applying the conditions that can be used to diagonalize the stiffness matrix by a parallel axis congruence transformation, the vibration modes and frequency response of an elastically suspended optical disc drive have been analyzed. It is first shown that the system has one plane of symmetry, which enables one to decouple the complicated vibration modes into two sets of modes independent of each other. Having obtained the analytical solutions for the axes of vibrations, the frequency response for a given applied input force has been demonstrated. Most importantly, it has been explained that this research result could be used in the synthesis process of a linear vibration system in order to improve the frequency response.
This paper deals with free vibration analysis of bidirectional functionally graded annular plates resting on a two-parameter elastic foundation. The formulations are based on the three-dimensional elasticity theory. This study presents a novel 2-D six-parameter power-law distribution for ceramic volume fraction of 2-D functionally graded materials that gives designers a powerful tool for flexible designing of structures under multi-functional requirements. Various material profiles along the thickness and in the in-plane directions are illustrated by using the 2-D power-law distribution. The effective material properties at a point are determined in terms of the local volume fractions and the material properties by the Mori-Tanaka scheme. The 2-D differential quadrature method as an efficient and accurate numerical tool is used to discretize the governing equations and to implement the boundary conditions. The fast rate of convergence of the method is shown and the results are compared against existing results in literature. Some new results for natural frequencies of the plates are prepared, which include the effects of elastic coefficients of foundation, boundary conditions, material and geometrical parameters. The interesting results indicate that a graded ceramic volume fraction in two directions has a higher capability to reduce the natural frequency than conventional 1-D functionally graded materials.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.25
no.6
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pp.505-512
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2012
In this paper, an efficient yet accurate method for the thermal stress analysis using a first order shear deformation theory(FSDT) is presented. The main objective herein is to systematically modify transverse shear strain energy through the mixed variational theorem(MVT). In the mixed formulation, independent transverse shear stresses are taken from the efficient higher-order zigzag plate theory, and the in-plane displacements are assumed to be those of the FSDT. Moreover, a smooth parabolic distribution through the thickness is assumed in the transverse normal displacement field in order to consider a transverse normal deformation. The resulting strain energy expression is referred to as an enhanced first order shear deformation theory, which is obtained via the mixed variational theorem with transverse normal deformation effect(EFSDTM_TN). The EFSDTM_TN has the same computational advantage as the FSDT_TN(FSDT with transverse normal deformation effect) does, which allows us to improve the through-the-thickness distributions of displacements and stresses via the recovery procedure. The thermal stresses obtained by the present theory are compared with those of the FSDT_TN and three-dimensional elasticity.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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