In this paper, a new size-dependent quasi-3D plate theory is presented for wave dispersion analysis of functionally graded nanoplates while resting on an elastic foundation and under the hygrothermaal environment. This quasi-3D plate theory considers both thickness stretching influences and shear deformation with the variations of displacements in the thickness direction as a parabolic function. Moreover, the stress-free boundary conditions on both sides of the plate are satisfied without using a shear correction factor. This theory includes five independent unknowns with results in only five governing equations. Size effects are obtained via a higher-order nonlocal strain gradient theory of elasticity. A variational approach is adopted to owning the governing equations employing Hamilton's principle. Solving analytically via Fourier series, these equations gives wave frequencies and phase velocities as a function of wave numbers. The validity of the present results is examined by comparing them with those of the known data in the literature. Parametric studies are conducted for material composition, size dependency, two parametric elastic foundation, temperature and moisture differences, and wave number. Some conclusions are drawn from the parametric studies with respect to the wave characteristics.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.13
no.5
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pp.875-885
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1989
This work is concerned with the chatter suppression by inserting viscoelastic materials into tool clamping area. Chatter was observed with and without the viscoelastic materials during cutting tests, where the overhang of the tool was made long so that the tool may be a major cause for the chatter. Two viscoelastic materials were used and the effects of thickness and prestrain were investigated. impact tests were performed on the tool in cases where the tool post was set on the cross slide and was free from any boundary conditions. Material properties of the viscoelastic materials were also obtained from resonance test results. The effects on the chatter suppression by the type of the viscoelastic material and prestrain are discussed in relation with the measured material properties.
Rotating systems concern with torsional vibration, and it should be considered in vibration analysis. To do this, the time-dependent torsional vibrations in a single-walled carbon nanotube (SWCNT) under the linear and harmonic external torque, are investigated in this paper. Eringen's nonlocal elasticity theory is considered to demonstrate the nonlocality and constitutive relations. Hamilton's principle is established to derive the governing equation of motion and consequently related boundary conditions. An analytical method, called the Galerkin method, is utilized to discretize the driven differential equations. Linear and harmonic torsional loads, along with determined amplitude, are applied to the SWCNT as the external torques. SWCNT is considered under the clamped-clamped end supports. In free vibration, analysis of small scale effect reveals the capability of natural frequencies in different modes, and this results desirably are in coincidence with another study. The forced torsional vibration in the time domain, especially for carbon nanotubes, has not been done before in the previous works. The previous forced studies were devoted to the transverse vibrations. It should be emphasized that the dynamical analysis of torsion is novel, workable, and at the beginning of the path. The variations of nonlocal parameter, CNT's thickness, and the influence of excitation frequency on time-dependent angular displacement and nondimensional angular displacement are investigated in the context.
Katili, Irwan;Aristio, Ricky;Setyanto, Samuel Budhi
Structural Engineering and Mechanics
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v.76
no.4
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pp.435-449
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2020
This work presents the formulation of the isogeometric collocation method to solve the strong form equation of a unified and integrated approach of Reissner Mindlin plate theory (UI-RM). In this plate theory model, the total displacement is expressed in terms of bending and shear displacements. Rotations, curvatures, and shear strains are represented as the first, the second, and the third derivatives of the bending displacement, respectively. The proposed formulation is free from shear locking in the Kirchhoff limit and is equally applicable to thin and thick plates. The displacement field is approximated using the B-splines functions, and the strong form equation of the fourth-order is solved using the collocation approach. The convergence properties and accuracy are demonstrated with square plate problems of thin and thick plates with different boundary conditions. Two approaches are used for convergence tests, e.g., increasing the polynomial degree (NELT = 1×1 with p = 4, 5, 6, 7) and increasing the number of element (NELT = 1×1, 2×2, 3×3, 4×4 with p = 4) with the number of control variable (NCV) is used as a comparable equivalent variable. Compared with DKMQ element of a 64×64 mesh as the reference for all L/h, the problem analysis with isogeometric collocation on UI-RM plate theory exhibits satisfying results.
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.
A design procedure for a ship with minimum total resistance has been developed using a numerical optimization method called SQP (Sequential Quadratic Programming) to search for optimized hull form and CFD(Computational Fluid Dynamics) technique. The friction resistance is estimated using the ITTC 1957 model-ship correlation line formula and the wave making resistance is evaluated using a potential-flow panel method based on Rankine sources with nonlinear free surface boundary conditions. The geometry of hull surface is represented and modified using B-spline surface patches during the optimization process. Using the Series 60 hull ($C_B$ =0.60) as a base hull, the optimization procedure is applied to obtain an optimal hull that produces the minimum total resistance for the given constraints. To verify the validity of the result, the original model and the optimized model obtained by the optimization process have been built and tested in a towing tank. It is shown that the optimal hull obtained around $13\%$ reduction in the total resistance and around $40\%$ reduction in the residual resistance at a speed tested compared with that of the original one, demonstrating that the present optimization tool can be effectively used for efficient hull form designs.
This paper focuses on the study of dynamic analysis of thick plates resting on Winkler foundation. The governing equation is derived from Mindlin's theory. This study is a parametric analysis of the reflections of the thickness / span ratio, the aspect ratio and the boundary conditions on the earthquake excitations are studied. In the analysis, finite element method is used for spatial integration and the Newmark-${\beta}$ method is used for the time integration. While using finite element method, a new element is used. This element is 17-noded and it's formulation is derived from using higher order displacement shape functions. C++ program is used for the analyses. Graphs are presented to help engineers in the design of thick plates subjected to earthquake excitations. It is concluded that the 17-noded finite element is used in the earthquake analysis of thick plates. It is shown that the changes in the aspect ratio are more effective than the changes in the aspect ratio. The center displacements of the reinforced concrete thick clamped plates for b/a=1, and t/a=0.2, and for b/a=2, and t/a=0.2, reached their absolute maximum values of 0.00244 mm at 3.48 s, and of 0.00444 mm at 3.48 s, respectively.
Khabakhpasheva, Tatyana;Chen, Yang;Korobkin, Alexander;Maki, Kevin
Journal of Advanced Research in Ocean Engineering
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v.4
no.4
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pp.146-162
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2018
The unsteady problem of a rigid body impact onto a floating plate is studied. Both the plate and the water are at rest before impact. The plate motion is caused by the impact force transmitted to the plate through an elastic layer with viscous damping on the top of the plate. The hydrodynamic force is calculated by using the second-order model of plate impact by Iafrati and Korobkin (2011). The present study is concerned with the deceleration experienced by a rigid body during its collision with a floating object. The problem is studied also by a fully-nonlinear computational-fluid-dynamics method. The elastic layer is treated with a moving body-fitted grid, the impacting body with an immersed boundary method, and a discrete-element method is used for the contact-force model. The presence of the elastic layer between the impacting bod- ies may lead to multiple bouncing of them, if the bodies are relatively light, before their interaction is settled and they continue to penetrate together into the water. The present study is motivated by ship slamming in icy waters, and by the effect of ice conditions on conventional free-fall lifeboats.
Since conical sandwich shells are important structures in the modern industries, in this paper, for the first time, vibration behavior of the truncated conical sandwich shells which include temperature dependent porous FG face sheets and temperature dependent homogeneous core in various thermal conditions are investigated. A high order theory of sandwich shells which modified by considering the flexibility of the core and nonlinear von Karman strains are utilized. Power law rule which modified by considering the two types of porosity volume fractions are applied to model the functionally graded materials. By utilizing the Hamilton's energy principle, and considering the in-plane and thermal stresses in the face-sheets and the core, the governing equations are obtained. A Galerkin procedure is used to solve the equations in a simply supported boundary condition. Uniform, linear and nonlinear temperature distributions are used to model the effect of the temperature changing in the sandwich shell. To verify the results of this study, they are compared with FEM results obtained by Abaqus software and for special cases with the results in literatures. Eigen frequencies variations are surveyed versus the temperature changing, geometrical effects, porosity, and some others in the numerical examples.
In the present investigation, thermal buckling and free vibration characteristics of functionally graded (FG) Timoshenko nanobeams subjected to nonlinear thermal loading are carried out by presenting a Navier type solution. The thermal load is assumed to be nonlinear distribution through the thickness of FG nanobeam. Thermo-mechanical properties of FG nanobeam are supposed to vary smoothly and continuously throughout the thickness based on power-law model and the material properties are assumed to be temperature-dependent. Eringen's nonlocal elasticity theory is exploited to describe the size dependency of nanobeam. Using Hamilton's principle, the nonlocal equations of motion together with corresponding boundary conditions based on Timoshenko beam theory are obtained for the thermal buckling and vibration analysis of graded nanobeams including size effect. Moreover, in following a parametric study is accompanied to examine the effects of the several parameters such as nonlocal parameter, thermal effect, power law index and aspect ratio on the critical buckling temperatures and natural frequencies of the size-dependent FG nanobeams in detail. According to the numerical results, it is revealed that the proposed modeling can provide accurate frequency results of the FG nanobeams as compared some cases in the literature. Also, it is found that the small scale effects and nonlinear thermal loading have a significant effect on thermal stability and vibration characteristics of FG nanobeams.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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