Chen, Shenggang;Ye, Yinghua;Guo, Quanquan;Cheng, Shaohong;Diao, Bo
Structural Engineering and Mechanics
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v.60
no.6
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pp.1039-1061
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2016
Based on Vlasov's torsional theory of open thin-walled members and the nonlinear constitutive relations of materials, a nonlinear analysis model to predict response of open thin-walled RC members subjected to pure torsion is proposed in the current study. The variation of the circulatory torsional stiffness and warping torsional stiffness over the entire loading process and the impact of warping shear deformation on the torsion-induced rotation of the member are considered in the formulation. The torque equilibrium differential equation is then solved by Runge-Kutta method. The proposed nonlinear model is then applied to predict the behavior of five U-shaped thin-walled RC members under pure torsion. Four of them were tested in an earlier experimental study by the authors and the testing data of the fifth one were reported in an existing literature. Results show that the analytical predictions based on the proposed model agree well with the experimental data of all five specimens. This clearly shows the validity of the proposed nonlinear model analyzing behavior of U-shaped thin-walled RC members under pure torsion.
Alnujaie, Ali;Akbas, Seref D.;Eltaher, Mohamed A.;Assie, Amr
Geomechanics and Engineering
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v.24
no.1
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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.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.27
no.6
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pp.275-281
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2023
The demand for high-strength steel is rising due to its economic efficiency. Low-cycle fatigue (LCF) tests have been conducted to investigate the nonlinear behaviors of high-strength steel. Accurate material models must be used to obtain reliable results on seismic performance evaluation using numerical analyses. This study uses the combined hardening model to simulate the LCF behavior of high-strength steel. However, it is challenging and complex to determine material model parameters for specific high-strength steel because a highly nonlinear equation is used in the model, and several parameters need to be resolved. This study used the particle swarm algorithm (PSO) to determine the model parameters based on the LCF test data of HSA 650 steel. It is shown that the model with parameter values selected from the PSO accurately simulates the measured LCF curves.
Tharwat Osman;Salwa A. Mohamed;Mohamed A. Eltaher;Mashhour A. Alazwari;Nazira Mohamed
Steel and Composite Structures
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v.50
no.1
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pp.25-43
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2024
In this article, a mathematical model is developed to predict the dynamic behavior of bio-inspired composite beam with helicoidal orientation scheme under variable axial load using a unified higher order shear deformation beam theory. The geometrical kinematic relations of displacements are portrayed with higher parabolic shear deformation beam theory. Constitutive equation of composite beam is proposed based on plane stress problem. The variable axial load is distributed through the axial direction by constant, linear, and parabolic functions. The equations of motion and associated boundary conditions are derived in detail by Hamilton's principle. Using the differential quadrature method (DQM), the governing equations, which are integro-differential equations are discretized in spatial direction, then they are transformed into linear eigenvalue problems. The proposed model is verified with previous works available in literatures. Parametric analyses are developed to present the influence of axial load type, orthotropic ratio, slenderness ratio, lamination scheme, and boundary conditions on the natural frequencies of composite beam structures. The present enhanced model can be used especially in designing spacecrafts, naval, automotive, helicopter, the wind turbine, musical instruments, and civil structures subjected to the variable axial loads.
This article investigates the free vibration behavior of carbon nanotube reinforced composite (CNTRC) beams embedded using variational analytical methods and artificial neural networks (ANN). The material properties of layered functionally graded CNTRC (FG-CNTRC) beams are estimated using nonlocal parameters modified power-law with different types of CNT distributions through the thickness direction of the beam. Adopting Eringen's nonlocal elasticity theory to capture the small size effects, the nonlocal governing equations are derived and solved using the analytical method. And also, the problem was analyzed using the ANN method. The architecture of the proposed ANN model is 3-9-1. In the experiments, we used 112 different data to predict the natural frequency using ANN. Based on the nonlocal differential constitutive relations of Eringen, the equations of motion as well as the boundary conditions of the beam are derived using Hamilton's principle. The classical beam theory is used to formulate a governing equation for predicting the free vibration of laminated CNTRC beams. According to the experimental results, the prediction ability of the ANN model is very good and the natural frequency can be predicted in ANN without attempting any experiments.
The constitutive relation among capillary pressure, saturation and relative permeability should be predetermined in order to simulate immiscible water-gas flow in porous media. The relation between saturation and relative permeability becomes more important when the capillary force can be disregarded and viscous friction force governs the flow. In this study, a 2-dimensional finite difference numerical model was developed, in which the variation of viscosity with pressure and that of relative permeability with water saturation can be treated. Seven cases of parallel plate tests were performed in order to obtain the characteristic equation of relative permeability which would be used in. the developed numerical model. It was not possible, however, to match the curves of relative permeability from the plate tests with the existing emperical models. Consequently a logistic equation was proposed as a new emperical model. As this model was composed of the parameter involving aperture size, any aperture size of fracture can be applied to the model. For the purpose of verification, the characteristic equation of relative permeability was applied to the developed numerical model and the computed results were compared with those of plate test. As a result of application of numerical model, in order to check the field applicability, to single fracture surrounding an underground storage cavern, the simultaneous flow of water and propane gas was able to be simulated properly by the model.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.35
no.9
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pp.1041-1050
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2011
An elasto-plastic finite element method using the theory of strain gradient plasticity is proposed to evaluate the size dependency of structural plasticity that occurs when the configuration size decreases to micron scale. For this method, we suggest a low-order plane and three-dimensional displacement-based elements, eliminating the need for a high order, many degrees of freedom, a mixed element, or super elements, which have been considered necessary in previous researches. The proposed method can be performed in the framework of nonlinear incremental analysis in which plastic strains are calculated and averaged at nodes. These strains are then interpolated and differentiated for gradient calculation. We adopted a strain-gradient-hardening constitutive equation from the Taylor dislocation model, which requires the plastic strain gradient. The developed finite elements are tested numerically on the basis of typical size-effect problems such as micro-bending, micro-torsion, and micro-voids. With respect to the strain gradient plasticity, i.e., the size effects, the results obtained by using the proposed method, which are simple in their calculation, are in good agreement with the experimental results cited in previously published papers.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.21
no.3
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pp.130-137
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2017
The purpose of this study is to provide a reasonable analytical method for the reinforced concrete beams which shows failure mode of shear and flexure-shear by proposing a modified formulation to consider the effect of shear deformation on the beam-column fiber element based on the flexibility method and a new constitutive law of inelastic shear response history for the section. A total of 6 specimens of reinforced concrete beams which is designed to cause shear failure before yielding longitudinal reinforcement to investigate the influence of the main experimental variables on the shear behavior characteristics and the analysis was performed by using a non-linear finite element analysis program (RCAHEST) applying the newly modified constitutive equation by the authors. The failure mode and the overall behavior characteristics until fracture are predicted appropriately for all specimens and the results are expected to be useful enough for the 3 - D analysis to carry out reliable results of large-scale and complicated structures in the future.
The anisotropic behavior of rocks is primarily attributed to the directional arrangement of rock-forming minerals and the distribution characteristics of microcracks. Notably, sedimentary and metamorphic rocks often exhibit distinct transverse isotropy in terms of their strength and deformation characteristics. Consequently, it is crucial to gain accurate insights into the deformation and failure characteristics of transversely isotropic rocks during rock mechanics design processes. The deformation of such rocks is described by five independent elastic constants, which are determined through laboratory testing. In this study, the characteristics of the directional variation of apparent elastic constants in transversely isotropic rocks were investigated using experimental data reported in the literature. To achieve this, the constitutive equation proposed by Mehrabadi & Cowin was introduced to calculate the apparent elastic constants more efficiently and systematically in a rotated Cartesian coordinate system. Four transversely isotropic rock types from the literature were selected, and the influence of changes in the orientation of the weak plane on the variations of the apparent elastic modulus, apparent shear modulus, and apparent Poisson's ratio was analyzed. Based on the investigation, a new constraint on the elastic constants has been proposed. If the proposed constraint is satisfied, the directional variation of the apparent elastic constants in transversely isotropic rocks aligns with intuitive predictions of their tendencies.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.18
no.9
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pp.52-60
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2017
This study examined the structural stability of nonlocal magneto-electro-elastic nano plates on elastic foundations using first-order shear deformation theory. Navier's method has been used to solve the buckling loads for all edges simply supported boundary conditions. On the other hand, biaxial buckling analysis of nano-plates has beenrarely studied. According to the Maxwell equation and the magneto-electro boundary condition, the change inthe magnetic and electric potential along the thickness direction of the magneto-electro-elastic nano plate wasdetermined. To reformulate the elasticity theory of the magneto- electro-elastic nano plate, the differential constitutive equation of Eringen was used and the governing equation of the nonlocal elasticity theory was studied using variational theory. The effects of the elastic foundation arebased on Pasternak's assumption. The relationship between nonlocal theory and local theory was analyzed through calculation results. In addition, structural stability problems were investigated according to the electric and magnetic potentials, nonlocal parameters, elastic foundation parameters, and side-to-thickness ratio. The results of the analysis revealedthe effects of the magnetic and electric potential. These calculations can be used to compare future research on new material structures made of magneto-electro-elastic materials.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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