The stress analysis on orthotropic composite cylindrical shells with one circular or one elliptical cutout subjected to an axial force is carried out by using an analytical and experimental method. The composite cylindrical shell governing equation of the Donnell's type is applied to this study and all results are presented by the stress concentration factor. The stress concentration factor is defined as the ratio of the stress on the region around a cutout to the nominal stress of the shell. The stress concentration factor is classified into the circumferential stress concentration factors and the radial stress concentration factors due to the cylindrical coordinate of which the origin is the center of a cutout. The considered loading condition is only axial tension loading condition. In this study, thus, the maximum stress is induced on perpendicular region against axial direction, on the coordinate. Various cutout sizes are expressed using the radius ratio, (equation omitted), which is the radius of a cutout over one of the cylindrical shell. Experimental results are obtained using strain gages, which are attached around a cutout of the cylindrical shell. As the result from this study, the stress concentration around a cutout can be predicted by using the analytical method for an orthotropic composite cylindrical shell having a circular or an elliptical cutout.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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2000.11a
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pp.369-372
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2000
ESO(Evolutionary Structural Optimization) method is known that elements involved low stress value are removed from the previous model or that elements are added around elements involved high stress level on it and then the optimized model is obtained with required weight. Rejection ratio/addition ratio and evolutionary ratio are predefined and elements having lower/higher stress than reference stress, which average Mises stress on edge elements times rejection ratio, are deleted/added. In this study, when the plate having a cutout is subjected various in-plane load, a cutout shape is optimized using ESO method. ANSYS is used to analyse a finite element model and optimization procedure is made by APDL (ANSYS Parametric Design Language). ESO method is useful in rather than a complex structure optimization as well as a cutout shape optimization.
In this research, the influence of the laminate stacking sequence on thermal stress distribution in symmetric composite plates with a quasi-square cutout subjected to uniform heat flux is examined analytically using the complex variable technique. The analytical solution is obtained based on the thermo-elastic theory and the Lekhnitskii's method. Furthermore, by employing a suitable mapping function, the solution of symmetric laminates containing a circular cutout is extended to the quasi-square cutout. The effect of important parameters including the stacking sequence of laminates, the angular position, the bluntness, the aspect ratio of cutout, the flux angle and the composite material are examined on the thermal stress distribution. It is found out that the circular shape for cutout may not necessarily be the optimum geometry for all stacking sequences. The finite element analysis results are used to validate the analytical solution.
Effect of ring and straight stiffeners in the buckling as well as vibration characteristics of metal-ceramic functionally graded plates with cutout subjected to various uniaxial and localized in-plane compressive edge loadings was explored in the present work. In the current work, the distinguishing characteristics of metal and ceramic are merged in a single volume, and power law was used for estimating the material composition throughout thickness. Buckling and free vibration characteristics were studied initially for unstiffened Al/SiC functionally graded plates with cutout. Subsequently, the influence of cutout ratio on buckling load as well as natural frequency for different power law indices was discussed. The functionally graded plate was stiffened by three different stiffener patterns, namely; ring stiffener, straight stiffener, as well as a combination of the ring and the straight stiffener, to enhance the buckling as well as vibration characteristics. The effect of stiffener depth ratio for different stiffener patterns was also presented for functionally graded plates having different cutout sizes under various loading conditions. Such studies on functionally graded material have potential applications in a variety of technological fields including the aerospace and defense sectors.
Kim, Jong-Hyuk;Bae, Jae-Sung;Hwang, Jai-Hyuk;Hong, Yeh-Sun
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.21
no.6
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pp.506-513
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2011
This paper is concerned with a study on the control effect of the MR damper using the cutout piston. The MR damper has passive damping force by the oil pressure and controllable damping force by the magnetic effect. As the velocity of the MR damper's piston increases the passive damping force increases and the ratio of the controllable damping force to the total damping force is decreased. Consequently, the control performance of the MR damper is reduced according to the increase of the velocity. In this paper, the cutout piston concept is applied to the MR damper to improve MR damper's control performance by reducing the passive damping effect. The MR damper with the cutout piston has been designed and manufactured and its hydraulic and electromagnetic analysis has been performed to predict its performance. The control performances of the MR damper with the cutout piston are verified through the comparison of experiment results and simulation results.
Alazwari, Mashhour A.;Eltaher, Mohamed A.;Abdelrahman, Alaa A.
Steel and Composite Structures
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v.43
no.6
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pp.707-723
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2022
This article aims to investigate the size dependent bending behavior of perforated nanobeams incorporating the nonlocal and the microstructure effects based on the nonlocal strain gradient elasticity theory (NSGET). Shear deformation effect due to cutout process is studied by using Timoshenko beams theory. Closed formulas for the equivalent geometrical characteristics of regularly squared cutout shape are derived. The governing equations of motion considering the nonlocal and microstructure effects are derived in comprehensive procedure and nonclassical boundary conditions are presented. Analytical solution for the governing equations of motion is derived. The derived non-classical analytical solutions are verified by comparing the obtained results with the available results in the literature and good agreement is observed. Numerical results are obtained and discussed. Parametric studies are conducted to explore effects of perforation characteristics, the nonclassical material parameters, beam slenderness ratio as well as the boundary and loading conditions on the non-classical transverse bending behavior of cutout nanobeams. Results obtained are supportive for the design, analysis and manufacturing of such nanosized structural system.
Kalgutkar, Akshay Prakash;Banerjee, Sauvik;Rajanna, T.
Steel and Composite Structures
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v.42
no.4
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pp.427-446
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2022
Cutouts in the beams or plates are often unavoidable due to inspection, maintenance, ventilation, structural aesthetics purpose, and sometimes to lighten the structures. Therefore, there will be a substantial reduction in the strength of the structure due to the introduction of the cutouts. However, these cutouts can be reinforced with the different patterns of ribs (stiffener) to enhance the strength of the structure. The present study highlights the influence of the elliptical cutout reinforced with a different pattern of ribs on the stability performance of such stiffened composite panels subjected to non-uniform edge loads by employing the Finite element (FE) technique. In the present formulation, a 9-noded heterosis element is used to model the skin, and a 3-noded isoparametric beam element is used to simulate the rib that is attached around a cutout in different patterns. The displacement compatibility condition is employed between the plate and stiffener, and arbitrary orientations are taken care by introducing respective transformation matrices. The effect of shear deformation and rotary inertia are incorporated in the formulation. A new mesh configuration is developed to house the attached ribs around an elliptical cutout with different patterns. Initially, a study is performed on the panels with different stiffener schemes for various ply orientations and for different stiffener depth to width ratios (ds/bs) to determine an optimal stiffener configuration. Further, various parametric studies are conducted on an obtained optimal stiffened panel to understand the effect of cutout size, cutout orientation, panel aspect ratio, and boundary conditions. Finally, from the analysis, it can be observed that the arrangement of the stiffener attached to a panel has a major impact on the buckling capacity of the stiffened panel. The stiffener's depth to width ratio also significantly influences the buckling characteristic.
Perforated plates with cutouts (or holes) are widely used in structural members. These cutouts provide stress concentration in plates. Extensive studies have been carried out on stress concentration in perforated plates, which consider cutout shapes, boundary conditions, bluntness of cutouts, and more. This study presents stress concentration analyses of perforated plates with not only various cutouts and bluntness but also different cutout orientations. Especially, the effect of cutout orientation on stress concentration is emphasized since structural members have become more complicated recently. To obtain stress concentration patterns, a finite element program, ANSYS, is used. For the designated goal, three parameters are considered as follows: the shapes of polygonal cutouts (circle, triangle, and square), bluntness (a counter measure of radius ratio, r/R), and rotation of cutouts (${\theta}$). From the analyses, it is shown that, in general, as bluntness increases, the stress concentration increases, regardless of the shape and rotation. A more important finding is that the stress concentration increases as the cutouts become more oriented from the baseline, which is the positive horizontal axis (+x). This fact demonstrates that the orientation is also a relatively significant design factor to reduce stress concentration. In detail, in the case of the triangle cutout, orienting one side of the triangle cutout to be perpendicular to the applied tensile forces is preferable. Similarly, in the case of the square cutout, it is more advantageous to orient two sides of square cutout to be perpendicular to the applied tensile force. Therefore, at the design stage, determining the direction of a major tensile force is required. Then, by aligning those polygon cutouts properly, we can reduce stress concentration.
This paper deals with the buckling and postbuckling responses and the progressive failure of square symmetric laminates with rectangular cutouts under uniaxial compression. A detailed investigation is made to show the effects of cutout size and cutout aspect ratio on prebuckling and postbuckling responses, failure loads and failure characteristics of $(+45/-45/0/90)_{2s}$, $(+45/-45)_{4s}$ and $(0/90)_{4s}$ laminates. The 3-D Tsai-Hill criterion is used to predict the failure of a lamina while the onset of delamination is predicted by the interlaminar failure criterion. In addition, the effects of boundary conditions on buckling load, failure loads, failure modes and maximum transverse deflection for a $(+45/-45/0/90)_{2s}$ laminate with and without cutout have also been presented. It is concluded that square laminates with small square cutouts have more postbuckling strength than without cutout, irrespective of boundary conditions.
In nanosized structures as the surface area to the bulk volume ratio increases the classical continuum mechanics approaches fails to investigate the mechanical behavior of such structures. In perforated nanobeam structures, more decrease in the bulk volume is obtained due to perforation process thus nonclassical continuum approaches should be employed for reliable investigation of the mechanical behavior these structures. This article introduces an analytical methodology to investigate the size dependent, surface energy, and perforation impacts on the nonclassical bending behavior of regularly squared cutout nanobeam structures for the first time. To do this, geometrical model for both bulk and surface characteristics is developed for regularly squared perforated nanobeams. Based on the proposed geometrical model, the nonclassical Gurtin-Murdoch surface elasticity model is adopted and modified to incorporate the surface energy effects in perforated nanobeams. To investigate the effect of shear deformation associated with cutout process, both Euler-Bernoulli and Timoshenko beams theories are developed. Mathematical model for perforated nanobeam structure including surface energy effects are derived in comprehensive procedure and nonclassical boundary conditions are presented. Closed forms for the nonclassical bending and rotational displacements are derived for both theories considering all classical and nonclassical kinematics and kinetics boundary conditions. Additionally, both uniformly distributed and concentrated loads are considered. The developed methodology is verified and compared with the available results and an excellent agreement is noticed. Both classical and nonclassical bending profiles for both thin and thick perforated nanobeams are investigated. Numerical results are obtained to illustrate effects of beam filling ratio, the number of hole rows through the cross section, surface material characteristics, beam slenderness ratio as well as the boundary and loading conditions on the non-classical bending behavior of perforated nanobeams in the presence of surface effects. It is found that, the surface residual stress has more significant effect on the bending deflection compared with the corresponding effect of the surface elasticity, Es. The obtained results are supportive for the design, analysis and manufacturing of perforated nanobeams.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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