This paper presents a novel structural composition for artificial bone scaffolds with an appropriate biocompatibility and biodegradability capability. To achieve this aim, carbon nanotubes, due to their prominent mechanical properties, high biocompatibility with the body and its structural similarities with the natural bone structure are selected in component of the artificial bone structure. Also, according to the piezoelectric properties of natural bone tissue, the barium titanate, which is one of the biocompatible material with body and has piezoelectric property, is used to create self-healing ability. Furthermore, due to the fact that, most of the bone tissue is consists of hydroxyapatite, this material is also added to the artificial bone structure. Finally, polycaprolactone is used in synthetic bone composition as a proper substrate for bone growth and repair. To demonstrate, performance of the presented composition, the mechanical behaviour of the bone scaffold is simulated using ANSYS Workbench software and three dimensional finite element modelling. The obtained results are compared with mechanical behaviour of the natural bone and the previous bone scaffold compositions. The results indicated that, the modulus of elasticity, strength and toughness of the proposed composition of bone scaffold is very close to the natural bone behaviour with respect to the previous bone scaffold compositions and this composition can be employed as an appropriate replacement for bone implants.
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.
The present work is an attempt to study the vibration analysis of the single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) under the effect of the surface irregularity using Donnell's model. The surface irregularity represented by the parabolic form. According to Donnell's model and three-dimensional elasticity theory, a novel governing equations and its solution are derived and matched with the case of no irregularity effects. To understand the reaction of the nanotube to the irregularity effects in terms of natural frequency, the numerical calculations are done. The results obtained could provide a better representation of the vibration behavior of an irregular single-walled carbon nanotube, where the aspect ratio (L/d) and surface irregularity all have a significant impact on the natural frequency of vibrating SWCNTs. Furthermore, the findings of surface irregularity effects on vibration SWCNT can be utilized to forecast and prevent the phenomena of resonance of single-walled carbon nanotubes.
Analytical solutions to problems are crucial because they provide high-quality comparison data for assessing the accuracy of numerical solutions. Benchmark analytical solutions for the vibrations of cracked functionally graded material (FGM) plates are not available in the literature because of the high level of complexity of such solutions. On the basis of first-order shear deformation plate theory (FSDT), this study proposes analytical series solutions for the vibrations of FGM rectangular plates with side or internal cracks parallel to an edge of the plates by using Fourier cosine series and the domain decomposition technique. The distributions of FGM properties along the thickness direction are assumed to follow a simple power law. The proposed analytical series solutions are validated by performing comprehensive convergence studies on the vibration frequencies of cracked square plates with various crack lengths and under various boundary condition combinations and by performing comparisons with published results based on various plate theories and the theory of three-dimensional elasticity. The results reveal that the proposed solutions are in excellent agreement with literature results obtained using the Ritz method on the basis of FSDT. The paper also presents tabulations of the first six nondimensional frequencies of cracked rectangular Al/Al2O3 FGM plates with various aspect ratios, thickness-to-width ratios, crack lengths, and FGM power law indices under six boundary condition combinations, the tabulated frequencies can serve as benchmark data for assessing the accuracy of numerical approaches based on FSDT.
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 Korean Society of Industry Convergence
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v.27
no.3
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pp.519-525
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2024
In this paper, a study on the physical properties of mortar applying 3D Textile was conducted to compensate for the shortcomings of the existing concrete surface repair and reinforcement method. In the tests conducted to analyze the physical properties, compressive strength, flexural strength, and dynamic modulus measurement tests were conducted. As a result of the compressive strength test, as the number of surfaces to which the stereoscopic fiber was applied increased, the amount of displacement and strength reduction rate increased, and the flexural strength also increased as the number of surfaces to which the stereoscopic fiber was applied increased. In addition, it was confirmed that the use of stereoscopic fibers tended to decrease the dynamic modulus of elasticity. This result is a characteristic of the application of stereoscopic fibers, and it caused a decrease in compressive strength due to a decrease in the mortar content of the part to which the stereoscopic fib er was applied, and the high tensile force of the stereoscopic fiber is believed to have affected the increase in flexural strength.
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.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.12
no.6
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pp.65-71
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2008
A one-dimensional site response analysis program (KODSAP) was developed using cyclic soil behavior model by using the modified parallel IWAN model. The model is able to predict the cyclic hardening and degradation of soil through the adjustment of the internal slip stresses of its elements beyond the cyclic threshold, and satisfies Bauschinger's effect and the Masing rule in terms of its own behavior characteristics. The program (KODSAP) used the direct integration method in the time domain. The elasticity of the base rock was considered as a viscous damper boundary condition. The effects of cyclic hardening or degradation of soil on site response analysis were evaluated through parametric studies. Three types of analyses were performed to compare the effect of analysis and cyclic parameter on site response. The first type was equivalent linear analysis, the second was nonlinear analysis, and a third was nonlinear analysis using the cyclic hardening or degradation model.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2002.04a
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pp.123-130
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2002
A general formulation for shape design sensitivity analysis over three dimensional beam structure is developed based on a variational formulation of the beam in linear elasticity. Sensitivity formula is derived based on variational equations in cartesian coordinates using the material derivative concept and adjoint variable method for the displacement and Von-Mises stress functionals. Shape variation is considered for the beam shape in general 3-dimensional direction as well as for the orientation angle of the beam cross section. In the sensitivity expression, the end points evaluation at each beam segment is added to the integral formula, which are summed over the entire structure. The sensitivity formula can be evaluated with generality and ease even by employing piecewise linear design velocity field despite the bending model is fourth order differential equation. For the numerical implementation, commercial software ANSYS is used as analysis tool for the primal and adjoint analysis. Once the design variable set is defined using ANSYS language, shape and orientation variation vector at each node is generated by making finite difference to the shape with respect to each design parameter, and is used for the computation of sensitivity formula. Several numerical examples are taken to show the advantage of the method, in which the accuracy of the sensitivity is evaluated. The results are found excellent even by employing a simple linear function for the design velocity evaluation. Shape optimization is carried out for the geometric design of an archgrid and tilted bridge, which is to minimize maximum stress over the structure while maintaining constant weight. In conclusion, the proposed formulation is a useful and easy tool in finding optimum shape in a variety of the spatial frame structures.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.49
no.3
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pp.185-195
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2021
The flapping-wing micro air vehicle (FW-MAV) in this study utilizes the cambered wings made of quite flexible material. Similar to the flying creatures, the present cambered wing uses three different materials at its leading edge, vein, and membrane. And it is constrained in various conditions. Since passive rotation uses the flexible nature of the wing, it is important to select an appropriate material for a wing. A three-dimensional fluid-structure interaction solver is developed for a realistic modeling of the cambered wing. Then a parametric study is conducted to evaluate the aerodynamic performance in terms of the elastic modulus of leading edge and vein. Consequently, the elastic modulus plays a key role in enhancing the aerodynamic performance of FW-MAVs.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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