The main goal of this paper is to study vibration of damaged core laminated sectorial plates with Functionally graded (FG) face sheets based on three-dimensional theory of elasticity. The structures are made of a damaged isotropic core and two external face sheets. These skins are strengthened at the nanoscale level by randomly oriented Carbon nanotubes (CNTs) and are reinforced at the microscale stage by oriented straight fibers. These reinforcing phases are included in a polymer matrix and a three-phase approach based on the Eshelby-Mori-Tanaka scheme and on the Halpin-Tsai approach, which is developed to compute the overall mechanical properties of the composite material. Three complicated equations of motion for the sectorial plates under consideration are semi-analytically solved by using 2-D differential quadrature method. Using the 2-D differential quadrature method in the r- and z-directions, allows one to deal with sandwich annular sector plate with arbitrary thickness distribution of material properties and also to implement the effects of different boundary conditions of the structure efficiently and in an exact manner. The fast rate of convergence and accuracy of the method are investigated through the different solved examples. The sandwich annular sector plate is assumed to be simply supported in the radial edges while any arbitrary boundary conditions are applied to the other two circular edges including simply supported, clamped and free. Several parametric analyses are carried out to investigate the mechanical behavior of these multi-layered structures depending on the damage features, through-the-thickness distribution and boundary conditions.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.16
no.2
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pp.197-206
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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 solid and hollow hemispherical shells of revolution of arbitrary wall thickness having arbitrary constraints on their boundaries. Unlike conventional shell theories, which are mathematically two-dimensional (2-D), the present method is based upon the 3-D dynamic equations of elasticity. Displacement components μ/sub Φ/, μ/sub z/, and μ/sub θ/ in the meridional, normal, and circumferential directions, respectively, are taken to be sinusoidal in time, periodic in θ, and algebraic polynomials in the Φ and z directions. Potential (strain) and kinetic energies of the hemispherical shells are formulated, and the Ritz method is used to solve the eigenvalue problem, thus yielding upper bound values of the frequencies obtained by minimizing the frequencies. As the degree of the polynomials is increased, frequencies converge to the exact values. Novel numerical results are presented for solid and hollow hemispheres with linear thickness variation. The effect on frequencies of a small axial conical hole is also discussed. Comparisons are made for the frequencies of completely free, thick hemispherical shells with uniform thickness from the present 3-D Ritz solutions and other 3-D finite element ones.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.17
no.2
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pp.119-129
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2004
A three dimensional (3D) method of analysis is presented for determining the free vibration frequencies and mode shapes of thick, circular and annular plates with nonlinear thickness variation along the radial direction. Unlike conventional plate theories, which are mathematically two dimensional (2D), the present method is based upon the 3D dynamic equations of elasticity. Displacement components u/sub s/, u/sub z/, and u/sub θ/ in the radial, thickness, and circumferential directions, respectively, are taken to be sinusoidal in time, periodic in θ, and algebraic polynomials in the s and z directions. Potential (strain) and kinetic energies of the plates are formulated, and 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 plates. Numerical results we presented for completely free, annular and circular plates with uniform linear, and quadratic variations in thickness. Comparisons are also made between results obtained from the present 3D and previously published thin plate (2D) data.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.15
no.1
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pp.366-375
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1991
In this study, vibrational behavior of uniform pipe carrying a moving medium is studied by using a transfer matrix and the displacement function derived from the conventional beam theory. In various boundary conditions, flow velocity and mechanical property change of the variation of natural frequency are investigated. The Coriolis term in the original differential equation of motion has been ignored in the investigation. This method is used to study the variation of natural frequency with flow velocity for clamped-clamped, cantilevered, clamped-pinned, pinned-pinned, free-free straight pipe element. It is shown that clamped-clamped, free-free pipe have the highest natural frequency and critical velocity values while cantilevered pipe have the smallest natural frequency for the same mechanical properties. From the vibration effects of mechanical property variation, it is shown that bending stiffness and pipe length variation has large influence on natural frequency and critical velocity. Since the order of transfer matrix is not changed with boundary conditions of pipe element, this method proposed can be easily applied to personal-computer for vibration analysis of pipe element. Furthermore, this method can be extended to three-dimensional system by using a coordinate transformation for the analysis of piping systems.
A full nonlinear finite element P185/70Rl4 passenger car radial-ply tire model was developed and run on a 1.7-meter-diameter spinning test drum/cleat model at a constant speed of 50 km/h in order to investigate the tire transient response characteristics, i.e. the tire in-plane free vibration modes transmissibility. The virtual tire/drum finite element model was constructed and tested using the nonlinear finite element analysis software, PAM-SHOCK, a nonlinear finite element analysis code. The tire model was constructed in extreme detail with three-dimensional solid, layered membrane, and beam finite elements, incorporating over 18,000 nodes and 24 different types of materials. The reaction forces of the tire axle in vertical (Z axis) and longitudinal (X axis) directions were recorded when the tire rolled over a cleat on the drum, and then the FFT algorithm was applied to examine the transient response information in the frequency domain. The result showed that this PI 85/70Rl4 tire has clear peaks of 84 and 45 Hz transmissibility in the vertical and longitudinal directions. This result was validated against more than 10 previous studies by either theoretical or experimental approaches and showed excellent agreement. The tire's post-impact response was also investigated to verify the numerical convergence and computational stability of this FEA tire model and simulation strategy, the extraordinarily stable scenario was confirmed. The tire in-plane free vibration modes transmissibility was successfully detected. This approach was never before attempted in investigations of tire in-plane free vibration modes transmission phenomena; this work is believed to be the first of its kind.
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.
This paper deals with a hydroelastic vibration analysis of two rectangular plates partially coupled with a liquid, which is bounded by two plates and two rigid side walls. The wet displacement of each plate is assumed to be a combination of the modal functions of a dry uniform beam with a clamped boundary condition. As the liquid is assumed to be an ideal liquid, the displacement potential satisfying the Laplace equation is determined so that the liquid boundary conditions can meet the requirements at the rigid surfaces and the free liquid surface. The wet dynamic modal functions of each plate are expanded by using the finite Fourier transform to obtain an appropriate form of the compatibility requirement along the contacting surfaces between the plates and the liquid. The liquid-coupled natural frequencies of the plates are derived by using the Rayleigh-Ritz method. Finite element analyses using commercial software are carried out to verify the proposed theory. It is observed that the theoretical method agrees excellently with the three-dimensional finite element analyses results. The effects of the liquid depth and the liquid thickness on the normalized natural frequencies are investigated to identify the dynamic characteristics of the liquid coupled system.
A modified Pagano method is developed for the three-dimensional (3D) free vibration analysis of simply-supported, multilayered functionally graded material (FGM) circular hollow cylinders with a constant rotational speed with respect to the meridional direction of the cylinders. The material properties of each FGM layer constituting the cylinders are regarded as heterogeneous through the thickness coordinate, and then specified to obey a power-law distribution of the volume fractions of the constituents, and the effects of centrifugal and Coriolis accelerations, as well as the initial hoop stress due to rotation, are considered. The Pagano method, which was developed for the static and dynamic analyses of multilayered composite plates, is modified in that a displacement-based formulation is replaced by a mixed formulation, the complex-valued solutions of the system equations are transferred to the real-valued solutions, a successive approximation method is adopted to extend its application to FGM cylinders, and a propagator matrix method is developed to reduce the time needed for its implementation. These modifications make the Pagano method feasible for multilayered FGM cylinders, and the computation in the implementation is independent of the total number of the layers, thus becoming less time-consuming than usual.
In the present work, free vibration of beams made of imperfect functionally graded materials (FGMs) including porosities is investigated. Because of faults during process of manufacture, micro voids or porosities may arise in the FGMs, and this situation causes imperfection in the structure. Therefore, material properties of the beams are assumed to vary continuously through the thickness direction according to the volume fraction of constituents described with the modified rule of mixture including porosity volume fraction which covers two types of porosity distribution over the cross section, i.e., even and uneven distributions. The governing equations of power law FGM (P-FGM) and sigmoid law FGM (S-FGM) beams are derived within the frame works of classical beam theory (CBT) and first order shear deformation beam theory (FSDBT). The resulting equations are solved using separation of variables technique and assuming FG beams are simply supported at both ends. To validate the results numerous comparisons are carried out with available results of open literature. The effects of types of volume fraction function, beam theory and porosity volume fraction, as well as the variations of volume fraction index, span to depth ratio and porosity volume fraction, on the first three non-dimensional frequencies are examined in detail.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.6
no.2
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pp.206-218
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2014
The wave attenuation by floating breakwaters in high amplitude waves, which can lead to wave overtopping and breaking, is examined by numerical simulations. The governing equations, the Navier-Stokes equations and the continuity equation, are calculated in a fixed Cartesian grid system. The body boundaries are defined by the line segment connecting the points where the grid line and body surface meet. No-slip and divergence free conditions are satisfied at the body boundary cell. The nonlinear waves near the moving body is defined using the modified marker-density method. To verify the present numerical method, vortex induced vibration on an elastically mounted cylinder and free roll decay are numerically simulated and the results are compared with those reported in the literature. Using the present numerical method, the wave attenuations by three kinds of floating breakwaters are simulated numerically in a regular wave to compare the performance.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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