Stiff and light fibre reinforced composites as used in air- and space-craft applications tend to high sound emission. Therefore, the damping properties are essential for the entire structural and acoustic engineering. Viscous damping is an established and reasonably linear model of the dissipation behaviour. Commonly, it is assumed to be isotropic and constant over all modes. For anisotropic materials it depends on the fibre orientation as well as the elastic and thermal material properties. To portray the orthogonal anisotropic behaviour, a model for unidirectional fibre reinforced plastics (frp) has been developed based on the classical laminate theory by ADAMS and BACON starting in 1973. Their approach includes three damping coefficients - for longitudinal damping in fibre direction, damping transversal to the fibres and shear based dissipation. The damping of a laminate is then accumulated layer wise including the anisotropic stiffness. So far, the model has been applied mainly to thermoset matrix materials. In this study, an experimental parameter estimation for different thermoplastic frp with angle ply and cross ply layups was carried out by measuring free vibrations of cantilever beams. The results show potential and limits of the ADAMS/BACON damping criterion. In addition, a possibility of modelling the anisotropic damping is shown. The implementation in standard FEA software is used to study the influence of boundary conditions on the damping properties and numerically estimate the radiated sound power of thin-walled frp parts.
The present study aims to evaluate the nonlinear and post-buckling behaviors of orthotropic graphene sheets exposed to end-shortening strain by implementing a semi-Galerkin technique, as a new approach. The nano-sheets are regarded to be on elastic foundations and different out-of-plane boundary conditions are considered for graphene sheets. In addition, nonlocal elasticity theory is employed to achieve the post-buckling behavior related to the nano-sheets. In the present study, first, out-of-plane deflection function is considered as the only displacement field in the proposed technique, which is hypothesized by an appropriate deflected form. Then, the exact nonlocal stress function is calculated through a complete solution of the von-Karman compatibility equation. In the next step, Galerkin's method is used to solve the unknown parameters considered in the proposed technique. In addition, three different scenarios, which are significantly different with respect to concept, are used to satisfy the natural in-plane boundary conditions and completely attain the stress function. Finally, the post-buckling behavior of thin graphene sheets are evaluated for all three different scenarios, and the impacts of boundary conditions, polymer substrate, and nonlocal parameter are examined in each scenario.
This scientific paper provides a theoretical, numerical and experimental analysis of local stability of axially compressed columns made of thin-walled rectangular concrete-filled steel tubes (CFSTs), with the consideration of initial geometric imperfections. The work presented introduces the theory of elastic critical stresses in local buckling of rectangular wall members under uniform compression. Moreover, a numerical calculation method for the determination of the critical stress coefficient is presented, using a differential equation for a slender wall with a variety of boundary conditions. For comparison of the results of the numerical analysis with those collected by experiments, a new model is created to study the behaviour of the composite members in question by means of the ABAQUS computational-graphical software whose principles are based on the finite element method (FEM). In modelling the analysed members, the actual boundary and loading conditions and real material properties are taken into account, obtained from the experiments and material tests on these members. Finally, the results of experiments on such members are analysed and then compared with the numerical values. In conclusion, several recommendations for the design of axially compressed composite columns made of rectangular concrete-filled thin-walled steel tubes are suggested as a result of this comparison.
In this paper, we established the generalized thermoelasticity phenomenon in an isotropic elastic medium considering the electromagnetic field, rotation and two-temperature. Three theories of generalized thermoelasticity have been applied: Lord-Shulman (one relaxation time), Green-Lindsay (two relaxation times), as well as the coupled theory. We discussed some particular cases in the context of the wave propagation phenomenon in thermoelasticity. From solving the fundamental equations, we arrived that there are three waves: P-, T- and SV-waves that we calculated their velocities. The boundary conditions for mechanical stress and Maxwell's stress and thermal insulated or isothermal have been applied to determine the amplitudes ratios (reflection coefficients) for P-, T - and SV waves. Some utilitarian aspects are obtained from the reflection coefficients, presented graphically, and the new conclusions have been presented. Comparisons are made for the results predicted by different theories (CT, LS, GL) in the absence and presence of the electro-magnetic field, rotation, as well as two-temperature on the reflection of generalized thermoelastic waves. The results obtained concluded that the external parameters as the angle of incidence, electromagnetic field, rotation as well as the theories parameters have strong effect on the phenomenon.
Thixotropy is a time-dependent shear-thinning phenomenon. We derived a new thixotropic formula which is based on the generalized viscosity formula of Ree and Eyring, $f={\Sigma}\frac{X_i}{{\alpha}_i}sinh^{-1}$ () (Refer to the text concerning the notation.) The following is postulated: (1) thixotropy occurs when small flow units attached to a large flow unit separate from the latter under stress (2) elastic energy(${\omega}$) is stored on the large flow unit during the flow process, and (3) the stored energy contributes to decrease the activation energy for flow. A new thixotropic formula was derived by using these postulations, $f={\frac}{X_0{\beta}_0}{\alpha_0}{\dot{s}}+{\frac}{X_1{\beta}_1}{{\alpha}_1}{\dot{s}}+{\frac}{X_2}{{\alpha_x}}sinh^{-1}$[$({\beta}_0)_2$ exp $(-C_2{\dot{s}}^2/RT){\cdot}{\dot{s}}$] f is the shear stress, and s is the rate of shear. In case of concentrated solutions where the Newtonian flow units have little contribution to the viscosity of the system, the above equation becomes, $f=\frac{X_2}{\alpha_2}sinh^{-1}$[$({\beta}_0)_2$ exp $(-C_2{\dot{s}}^2/RT){\cdot}{\dot{s}}$]. In order to confirm these formulas, we applied to TiO2(anatase and rutile)-water, printing ink and mayonnaise systems. Good agreements between the experiment and theory were observed.
Ebrahimi, Tayebeh;Nejad, Mohammad Zamani;Jahankohan, Hamid;Hadi, Amin
Steel and Composite Structures
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v.38
no.2
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pp.189-211
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2021
An analytical solution is presented to analyze the thermoelastoplastic response of a rotating thick-walled cylindrical pressure vessel made of functionally graded material (FGM). The analysis is based on Tresca's yield condition, its associated flow rule and linear strain hardening material behaviour. The uncoupled theory of thermoelasticity is used, and the plane strain condition is assumed. The material properties except for Poisson's ratio, are assumed to vary nonlinearly in the radial direction. Elastic, partially plastic, fully plastic, and residual stress states are investigated. The heat conduction equation for the one-dimensional problem in cylindrical coordinates is used to obtain temperature distribution in the vessel. It is assumed that the inner surface is exposed to an airstream and that the outer surface is exposed to a uniform heat flux. Tresca's yield criterion and its associated flow rule are used to formulate six different plastic regions for a linearly hardening condition. All these stages are studied in detail. It is shown that the thermoelastoplastic stress response of a rotating FGM pressure vessel is affected significantly by the nonhomogeneity of the material and temperature gradient. The results are validated with those of other researchers for appropriate values of the system parameters and excellent agreement is observed.
The effective flange width was usually introduced into elementary beam theory to consider the shear lag effect in steel-concrete composite beams. Previous studies have primarily focused on the effective width under positive moments and elastic loading, whereas it is still not clear for negative moment cases in the normal service stages. To account for this problem, this paper proposed simplified formulas for the effective flange width and reinforcement stress of composite beams under negative moments in service stages. First, a 10-degree-of-freedom (DOF) fiber beam element considering the shear lag effect and interfacial slip effect was proposed, and a computational procedure was developed in the OpenSees software. The accuracy and applicability of the proposed model were verified through comparisons with experimental results. Second, a method was proposed for determining the effective width of composite beams under negative moments based on reinforcement stress. Employing the proposed model, the simplified formulas were proposed via numerical fitting for cases under uniform loading and centralized loading at the mid-span. Finally, based on the proposed formulas, a simplified calculation method for the reinforcement stress in service stages was established. Comparisons were made between the proposed formulas and design code. The results showed that the design code method greatly underestimated the contribution of concrete under negative moments, leading to notable overestimations in the reinforcement stress and crack width.
The optimization for dynamic response associated with a cylindrical shell which is made of laminated composites embedded in a piezoelectric layer which is subjected to temperature rises and is resting on an elastic foundation is investigated for the first time. The first shear order theory (FSDT) is utilized in order to obtain the strain relations of the shell. Then, using the energy method, the equations of motions as well as boundary condition of the problem are attained. The formulation of this study together with the solution procedure which is a numerical solution method, differential quadrature method (DQM) is validated using other researches. This paper presents a thorough study on the parameters which impacts the vibration frequency of the laminated shell. The results of this paper shows that any type of laminated composite shell can reduce the vibration frequency providing that the angle related to layer are higher than 85 degrees. Also, in order to reduce the effect of temperature rises, the laminated composites instead of orthotropic one can be used.
In this article, a novel propagation formulation of Rayleigh waves in a compressible isotropic half-space with impedance boundary condition is proposed by embedding the normal stress. In a two-dimensional case, it is assumed that a design boundary is free of normal traction and a shear traction depends on linearly a normal component of displacements multiplied by frequencies. Therefore, impedance boundary conditions affect the normal stress, where the impedance parameters correspond to dimensions of stresses over velocity. On the other hand, vanished impedance values are traction-free boundary conditions. The main purpose of this article is to present theoretically the existence and uniqueness of a Rayleigh wave formulation relying on secular equation's mathematical analyses. Its velocity varies along with the impedance parameters. Moreover, numerical experiments with different values for the velocity of Rayleigh waves are carried out. The present Rayleigh waves study is a fundamental step in analyzing the cause and effect of physical states such as building or structure damages resulting from natural dynamics. The results of the study generate a basic design formulation theory to test the effects of Rayleigh waves affecting structures when an earthquake occurs. The presence and uniqueness of the proposed formulation is verified by mutual comparisons of several numerical examples.
In this paper, the problem of interfacial stresses in steel cantilever beams strengthened with bonded composite laminates is analyzed using linear elastic theory. The analysis is based on the deformation compatibility approach, where both the shear and normal stresses are assumed to be invariant across the adhesive layer thickness. The original study in this paper carried out an analytical solution to estimate shear and peel-off stresses, as, interfacial stress analysis concentration under the uniformly distributed load and shear lag deformation. The theoretical prediction is compared with authors solutions from numerous researches. This phenomenon of deformation of the members, which gives probably approach on the study of interface of the reinforced structures, is called "shear lag effect". The resolution in this paper shows that the shear stress and the normal stress are significant and, are concentrated at the end of the composite plate of reinforcement, called "edge effect". A parametric study is carried out to show the effects of the variables of design and the physical properties of materials. This research is helpful for the understanding on mechanical behaviour of the interface and design of such structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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