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.
Alnujaie, Ali;Akbas, Seref D.;Eltaher, Mohamed A.;Assie, Amr
Geomechanics and Engineering
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제24권1호
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pp.91-103
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2021
This paper concerns with forced dynamic response of thick functionally graded (FG) beam resting on viscoelastic foundation including porosity impacts. The dynamic point load is proposed to be triangle point loads in time domain. In current analysis the beam is assumed to be thick, therefore, the two-dimensional plane stress constitutive equation is proposed to govern the stress-strain relationship through the thickness. The porosity and void included in constituent is described by three different distribution models through the beam thickness. The governing equations are obtained by using Lagrange's equations and solved by finite element method. In frame of finite element analysis, twelve-node 2D plane element is exploited to discretize the space domain of beam. In the solution of the dynamic problem, Newmark average acceleration method is used. In the numerical results, effects of porosity coefficient, porosity distribution and foundation parameters on the dynamic responses of functionally graded viscoelastic beam are presented and discussed. The current model is efficient in many applications used porous FGM, such as aerospace, nuclear, power plane sheller, and marine structures.
Khaled, Alhaifi;Ahmad Reza, Khorshidvand;Murtadha M., Al-Masoudy;Ehsan, Arshid;Seyed Hossein, Madani
Structural Engineering and Mechanics
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제85권3호
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pp.419-432
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2023
This paper studies the effects of porosity distributions on buckling and post-buckling behaviors of a functionally graded saturated porous (FGSP) circular plate. The plate is under the uniformly distributed radial loading and simply supported and clamped boundary conditions. Pores are saturated with compressible fluid (e.g., gases) that cannot escape from the porous solid. Elastic modulus is assumed to vary continuously through the thickness according to three different functions corresponding to three different cases of porosity distributions, including monotonous, symmetric, and asymmetric cases. Governing equations are derived utilizing the classical plate theory and Sanders nonlinear strain-displacement relations, and they are solved numerically via shooting method. Results are verified with the known results in the literature. The obtained results for the monotonous and symmetric cases with the asymmetric case presented in the literature are shown in comparative figures. Effects of the poroelastic material parameters, boundary conditions, and thickness change on the post-buckling behavior of the plate are discussed in details. The results reveal that buckling and post-buckling behaviors of the plate in the monotonous and symmetric cases differ from the asymmetric case, especially in small deflections, that asymmetric distribution of elastic moduli can be the cause.
In this paper, the free and forced vibration analysis of rotating cantilever nanoscale cylindrical beams and tubes is investigated under the external dynamic load to examine the nonlocal effect. A couple of nonlocal strain gradient theories with different beams and tubes theories, involving the Euler-Bernoulli, Timoshenko, Reddy beam theory along with the higher-order tube theory, are assumed to the mathematic model of governing equations employing the Hamilton principle in order to derive the nonlocal governing equations related to the local and accurate nonlocal boundary conditions. The two-dimensional functional graded material (2D-FGM), made by the axially functionally graded (AFG) in conjunction with the porosity distribution in the radial direction, is considered material modeling. Finally, the derived Partial Differential Equations (PDE) are solved via a couple of the generalized differential quadrature element methods (GDQEM) with the Newmark-beta techniques for the time-dependent results. It is indicated that the boundary conditions equations play a crucial task in responding to nonlocal effects for the cantilever structures.
Yaylaci, Murat;Sabano, Bahar Sengul;Ozdemir, Mehmet Emin;Birinci, Ahmet
Structural Engineering and Mechanics
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제82권3호
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pp.401-416
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2022
The aim of this study is to examine the frictionless double receding contact problem for two functionally graded (FG) layers pressed with a uniformly distributed load and resting on a homogeneous half plane (HP) using analytical and numerical methods. The FG layers are made of a non-homogeneous material with an isotropic stress-strain law with exponentially varying properties. It is assumed that the contact at the FG layers and FG layer-HP interface is frictionless. The body force of the FG layers and homogeneous HP are ignored in the study. Firstly, an analytical solution for the contact problem has been realized using the theory of elasticity and the Fourier integral transform techniques. Then, the problem modeled and two-dimensional analysis was carried out by using the ANSYS package program based on FEM. Numerical results for contact lengths and contact pressures between FG layers and FG layer-HP were provided for various dimensionless quantities including material inhomogeneity, distributed load width, the shear module ratio, and the heights of the FG layers for both methods. The results obtained using FEM were compared with the results found using the analytical formulation. It was found that the results obtained from analytical formulation were in perfect agreement with the FEM study.
In this study, an enhanced first-order shear deformation theory is proposed to efficiently and accurately predict the thermo-mechanical-viscoelastic coupled behavior of laminated composite structures. To this end, transverse shearstress and displacement fields are independently assumed, and the strain-energy relationship between these fields issystematically established using the mixed variational theorem (MVT). In MVT, the transverse shear stress fields are obtained from the third-order zigzag model, whereas the displacement fields of the conventional first-order model are considered to amplify the benefits of numerical efficiency. Additionally, a transverse displacement field with a smooth parabolic distribution is introduced to accurately predict the thermal behavior of composite structures. Furthermore, the concept of Laplace transformation is newly employed to simplify the viscoelastic problem, similar to the linear-elastic problem. To demonstrate the performance of the proposed theory, the numerical results obtained herein were compared with those available in the literature.
The pointwise equilibrium polynomial (PEP) element considering local second-order effect has been widely used in direct analysis of many practical engineering structures. However, it was derived according to Euler-Bernoulli beam theory and therefore it cannot consider shear deformation, which may lead to inaccurate prediction for deep beams. In this paper, a novel beam-column element based on Timoshenko beam theory is proposed to overcome the drawback of PEP element. A fifth-order polynomial is adopted for the lateral deflection of the proposed element, while a quadric shear strain field based on equilibrium equation is assumed for transverse shear deformation. Further, an additional quadric function is adopted in this new element to account for member initial geometrical imperfection. In conjunction with a reliable and effective three-dimensional (3D) co-rotational technique, the proposed element can consider both member initial imperfection and transverse shear deformation for second-order direct analysis of frame structures. Some benchmark problems are provided to demonstrate the accuracy and high performance of the proposed element. The significant adverse influence on structural behaviors due to shear deformation and initial imperfection is also discussed.
This paper presents a dam-reservoir interaction model that includes, water compressibility, sloshing of surface water, and radiation damping at the far-end reservoir, to investigate the influence of concrete deterioration on seismic behavior along with seismic performance of gravity dams. Investigations on seismic performance of the dam body have been conducted using the linear time-history responses obtained under six real and 0.3 g normalized earthquake records with time durations from 10 sec to 80 sec. The deterioration of concrete is assumed to develop due to mechanical and chemical actions over the dam lifespan. Several computer programs have been developed in FORTRAN 90 and MATLAB programming languages to analyze the coupled problem considering two-dimensional (2D) plane-strain condition. According to the results obtained from this study, the dam structure shows critical responses at the later ages (75 years) that could cause disastrous consequences; the critical effects of some earthquake loads such as Chi-Chi with 36.5% damage and Loma with 56.2% damage at the later ages of the selected dam body cannot be negligible; and therefore, the deterioration of concrete along with its effects on the dam response should be considered in analysis and design.
Mokhtar Ellali;Mashhour A. Alazwari;Mokhtar Bouazza;Mohamed A. Eltaher;Noureddine Benseddiq
Coupled systems mechanics
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제13권4호
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pp.277-291
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2024
The objective of this work is to study the effects of the modification of material properties on the vibration of the FGM beam using an integral shear strain model. In the present theory, the rotational displacement is replaced by an integral term in the displacement fields. The use of a shear correction factor is not necessary because our model gives a parabolic description of shear stress through the thickness while satisfying the conditions of zero shear stresses on the bottom and top surfaces of the beam. The FGM beam is assumed that the beam is a mixture of metal and ceramic, and that its properties change depending on the power functions of the thickness of the beam such as: linear, quadratic, cubic and inverse quadratic. By applying Hamilton's principle, general formulas were obtained to obtain the frequencies of the FGM beam. The effects of changing compositional characteristics of materials presented by volume fraction of FGM beams with simply supported edges on free vibration and some mode shapes are investigated.
Mohamed A Eltaher;Ismail Esen;Alaa A. Abdelrahman;Azza M. Abdraboh
Advances in nano research
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제17권3호
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pp.257-274
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2024
This work aims to study and analyse the dynamic size dependent behvior of functionally graded carbon nanotubes (FGCNTs) nanoplates embedded in elastic media and subjected to moving point load. The non-classical effect is incorporated into the governing equations using the nonlocal strain gradient theory (NSGT). Four different reinforcement configurations of the carbon nanotubes (CNTs) are considered to show the effect of reinforcement configuration on the dynamic behvior of the FGCNTs nanoplates. The material characteristics of the functionally graded materials are assumed to be continuously distributed throughout the thickness direction according to the power law. The Hamiltonian principle is exploited to derive the dynamic governing equations of motion and the associated boundary conditions in the framework of the first order shear deformation plate theory. The Navier analytical approach is adopted to solve the governing equations of motion. The obtained solution is checked by comparing the obtained results with the available results in the literature and the comparison shows good agreement. Numerical results are obtained and discussed. Obtained results showed the significant impact of the elastic foundation parameters, the non-classical material parameters, the CNT configurations, and the volume fractions on the free and forced vibration behaviors of the FGCNT nanoplate embedded in two parameters elastic foundation and subjected to moving load.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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