Mousavi, S. Behnam;Amir, Saeed;Jafari, Akbar;Arshid, Ehsan
Advances in nano research
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v.10
no.3
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pp.235-251
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2021
In the current study, the free vibrational behavior of a Porous Micro (PM) beam which is integrated with Functionally Graded Piezoelectric (FGP) layers with initial curvature is considered based on the two trigonometric shear deformation theories namely SSDBT and Tan-SDBT. The structure's mechanical properties are varied through its thicknesses following the given functions. The curved microbeam is exposed to electro-mechanical preload and also is rested on a Pasternak type of elastic foundation. Hamilton's principle is used to extract the motion equations and the MCST is used to capture the size effect. Navier's solution method is selected as an analytical method to solve the motion equations for a simply supported ends case and by validating the results for a simpler state with previously published works, effects of different important parameters on the behavior of the structure are considered. It is found that although increasing the porosity reduces the natural frequency, but enhancing the volume fraction of CNTs increasing it. Also, by increasing the central angle of the curved beam the vibrations of the structure increases. Designing and manufacturing more efficient smart structures such as sensors and actuators are of the aims of this study.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.21
no.4
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pp.49-56
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2021
This study aims to develop a form-finding algorithm for a single-layered pneumatic membrane. The initial shape of this pneumatic membrane, which is an air-supported type pneumatic membrane, is to find a state in which a given initial tension and internal pneumatic pressure are in equilibrium. The algorithm developed to satisfy these conditions is that a nonlinear optimization problem based on the force method considering the deformed shape is formulated, and, it's able to find the shape by iteratively repeating the process of obtaining a solution of the governing equations. An computational technique based on the Gauss-Newton method was used as a method for obtaining solutions of nonlinear equations. In order to verify the validity of the proposed form-finding algorithm, a single-curvature pneumatic membrane example and a double-curvature air pneumatic membrane example were adopted, respectively. In the results of these examples, it was possible to well observe the step-by-step convergence process of the shape of the pneumatic membrane, and it was also possible to confirm the change in shape according to the air pressure. In addition, the calculation results of the shape and internal force after deformation due to initial tension, air pressure, and self-weight were obtained.
In the present paper an analytical model was developed to study the non-linear vibrations of Functionally Graded Carbon Nanotube (FG-CNT) reinforced doubly-curved shallow shells using the Multiple Scales Method (MSM). The nonlinear partial differential equations of motion are based on the FGM shallow shell hypothesis, the non-linear geometric Von-Karman relationships, and the Galerkin method to reduce the partial differential equations associated with simply supported boundary conditions. The novelty of the present model is the simultaneous prediction of the natural frequencies and their mode shapes versus different curvatures (cylindrical, spherical, conical, and plate) and the different types of FG-CNTs. In addition to combining the vibration analysis with optimization algorithms based on the genetic algorithm, a design optimization methode was developed to maximize the natural frequencies. By considering the expression of the non-dimensional frequency as an objective optimization function, a genetic algorithm program was developed by valuing the mechanical properties, the geometric properties and the FG-CNT configuration of shallow double curvature shells. The results obtained show that the curvature, the volume fraction and the types of NTC distribution have considerable effects on the variation of the Dimensionless Fundamental Linear Frequency (DFLF). The frequency response of the shallow shells of the FG-CNTRC showed two types of nonlinear hardening and softening which are strongly influenced by the change in the fundamental vibration mode. In GA optimization, the mechanical properties and geometric properties in the transverse direction, the volume fraction, and types of distribution of CNTs have a considerable effect on the fundamental frequencies of shallow double-curvature shells. Where the difference between optimized and not optimized DFLF can reach 13.26%.
Equations of motion of rotating cantilever curved beams are derived based on a dynamic modeling method developed in this paper. The Kane's method is employed to derive the equations of motion. Different from the classical linear modeling method which employs two cylindrical deformation variables, the present modeling method employs a non-cylindrical variable along with a cylindrical variable to describe the elastic deformation. The derived equations (governing the stretching and the bending motions) are coupled but linear. So they can be directly used for the vibration analysis. The coupling effect between the stretching and the bending motions which could not be considered in the conventional modeling method is considered in this modeling method. The natural frequencies of the rotating curved beams versus the rotating speed are calculated for various radii of curvature and hub radius ratios.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.2
no.3
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pp.62-68
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1978
The influences of the large amplitude free vibrations of simply supported Timoshenko beams with ends restrained to remain a fixed distance apart and with no axial restraints, which cause a longitudinal elastic force and a longitudinal inertia force, respectively, are investigated. The equations of motion derived by an appropriate linearizarion of the nonlinear strain- displacement relation have nonlinear terms arising from large curvature, longitudinal elastic force and longitudinal inertia force. The fourth order nonlinear partial differential equations for the deflection, can be reduced to the nonlinear ordinary differential equations by means of Galerkin procedure and a modal expansion. The general response and frequensy-amplitude relations are derived by the perturbation method of strained parameters. Comparison with previously published results is made.
A general theory which describes the elastic response of a curved anisotropic plate subjected to stretching and bending will be developed by considering the nonlinear effect that reflecting the non-flat geometry of the structure. By applying a newly derived $6{\times}6$ matrix constitutive relation between force resultants, moment resultants, mid-plane strains and deformed curvatures, the governing differential equations for a curved anisotropic plate is developed in the usual manner, namely, by consideration of the constitutive relation and equilibrium equations. Solutions are obtained for simply-supported boundary conditions and compared to corresponding solutions that neglecting the nonlinear effect in the analysis. The comparisons indicate that the nonlinear terms in the equations that caused by the curvature of the structure is crucial for the curved plate analysis. Under certain curved plate geometries the unreasonable results will be induced by neglecting the nonlinear effect in the analysis.
In this paper we consider the evolution of the rolling stone with a rotationally symmetric nonconvex compact initial surface ${\Sigma}_0$ under the Gauss curvature flow. Let $X:S^n{\times}[0,\;{\infty}){\rightarrow}\mathbb{R}^{n+1}$ be the embeddings of the sphere in $\mathbb{R}^{n+1}$ such that $\Sigma(t)=X(S^n,t)$ is the surface at time t and ${\Sigma}(0)={\Sigma}_0$. As a consequence the parabolic equation describing the motion of the hypersurface becomes degenerate on the interface separating the nonconvex part from the strictly convex side, since one of the curvature will be zero on the interface. By expressing the strictly convex part of the surface near the interface as a graph of a function $z=f(r,t)$ and the non-convex part of the surface near the interface as a graph of a function $z={\varphi}(r)$, we show that if at time $t=0$, $g=\frac{1}{n}f^{n-1}_{r}$ vanishes linearly at the interface, the $g(r,t)$ will become smooth up to the interface for long time before focusing.
This paper summarizes an experimental and analytical study on the seismic behavior of high strength reinforced concrete columns under cyclic loading. In total six cantilever columns with different sizes and concrete compressive strengths were tested. Three columns, small size, had a $325{\times}325$ mm cross section and the three other columns, medium size, were $520{\times}520$ mm. Concrete compressive strength was 80, 130 and 180 MPa. All specimens were designed in accordance with the Japanese design guidelines. The tests demonstrated that, for specimens made of 180 MPa concrete compressive strength, spalling of cover concrete was very brittle followed by a significant decrease in strength. Curvature was much important for the small size than for the medium size columns. Concrete compressive strength had no effect on the curvature distribution for a drift varying between -2% and +2%. However, it had an effect on the drift corresponding to the peak moment and on the equivalent viscous damping variation. Simple equations are proposed for 1) evaluating the concrete Young's modulus for high strength concrete and for 2) evaluating the moment-drift envelope curves for the medium size columns knowing that of the small size columns. Experimental moment-drift and axial strain-drift histories were well predicted using a fiber model developed by the authors.
With the advantages of large span, light deadweight and convenient construction, the steel-concrete composite beam (SCCB) has been rapidly developed as a medium span bridge. Compared with common beams, the global stiffness of SCCB is discontinuous and in a staged distribution. In this paper, the analysis model for the simply-supported SCCB is established and the vibration equations are derived. The natural vibration characteristics of a simply-supported SCCB are analyzed, and are compared with the theoretical and experimental results. A curvature mode measurement method is proposed to identify the shear connector damage of SCCB, with the stiffness reduction factor to describe the variation of shear connection stiffness. By analysis on the $1^{st}$ to $3^{rd}$ vertical modes, the distribution of shear connectors between the steel girder and the concrete slab are well identified, and the damage locations and failure degrees are detected. The results show that the curvature modes can be used for identification of the damage location.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.14
no.2
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pp.440-452
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1990
Comprehensive numberical computations have been made for four turbulent swirling jets with and without recirculation to critically evaluate the accuracy and universality of several exising turbulence models as well as of the modified k-.epsilon. model proposed in the present study. A numerical scheme based on the full Navier-Stoke equations ha been developed and used for this purpose. Inlet conditions are given by experiments, whenever possible, to minimize the error due to incorrect initial conditions. The standard k-.epsilon. model performs well for the strongly swirling jets with recirculation while it underpredicts the influence of swirl for weakly swirling jets. Rodi's swirl correction and algebraic stress model do not exhibit universality for the swirling jets. The present modified k-.epsilon. model derived from algebraic stress model accounts for anisotropy and streamline curvature effect on turbulence. This model performs consistently better than others for all cases. It may be because these flows have a strong dependence of stresses on the local strain of the mean flow. The predictions of truculence intensities indicate that this model successfully reflect the curvature effect in swirling jets, i.e. the stabilizing and destabilizing effects of swirl on turbulence transport.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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