In this paper, geometrically nonlinear free vibration analysis of Mindlin viscoelastic plates with various geometrical and material properties is studied based on the Von-Karman assumptions. A novel solution is proposed in which the nonlinear frequencies of time-dependent plates are predicted according to the nonlinear frequencies of plates not dependent on time. This method greatly reduces the cost of calculations. The viscoelastic properties obey the Boltzmann integral law with constant bulk modulus. The SHPC meshfree method is employed for spatial discretization. The Laplace transformation is used to convert equations from the time domain to the Laplace domain and vice versa. Solving the nonlinear complex eigenvalue problem in the Laplace-Carson domain numerically, the nonlinear frequencies, the nonlinear viscous damping frequencies, and the nonlinear damping ratios are verified and calculated for rectangular, skew, trapezoidal and circular plates with different boundary conditions and different material properties.
The network theory studies interconnection between discrete objects to find about the behavior of a collection of objects. Also, nanomaterials are a collection of discrete atoms interconnected together to perform a specific task of mechanical or/and electrical type. Therefore, it is reasonable to use the network theory in the study of behavior of super-molecule in sport nano-scale. In the current study, we aim to examine vibrational behavior of spherical nanostructured composite with different geometrical and materials properties. In this regard, a specific shear deformation displacement theory, classical elasticity theory and analytical solution to find the natural frequency of the spherical nano-composite sport structure equipment. The analytical results are validated by comparison to finite element (FE). Further, a detail comprehensive results of frequency variations are presented in terms of different parameters. It is revealed that the current methodology provides accurate results in comparison to FE results. On the other hand, different geometrical and weight fraction have influential role in determining frequency of the structure.
Polyvinylidene fluoride (PVDF) has drawn much attention due to its many advantages. PVDF shows high mechanical strength and flexibility, thermal stability, and good piezoelectricity enabling its application to various fields such as sensors, actuators, and energy transducers. Further studies have been conducted on PVDF in the form of thin films. The thin films exhibit different ionic conductivity according to the number of pores within the film, letting these films to be applied as electrolytes or separators of batteries. Porous PVDF membranes are also easily processed, usually made by using electrospinning. However, a large portion of researches were conducted using PVDF membranes produced by far field electrospinning, which is not a well-controlled experimental method. In this paper, we use near field electrospinning (NFES) process for more controlled, small-scaled, mesh type PVDF structures of nano to micro fibers fabricated by controlling process parameters and investigate the properties of such membranous structures. These membranes vary according to geometrical shape, pore density, and fiber thickness. We then measured the mechanical strength and piezoelectric characteristic of the structures. With various geometries in the fiber structures and various scales in the fibers, these types of structures can potentially lead to broader applications for stretchable electronics and dielectric electro active polymers.
Ancient masonry towers are regarded as among the most important historical heritage structures of the world. These slender structures typically have orthogonal and circular geometry in plane. These structural forms are commonly installed with adjacent structures. Because of their geometrical shapes and structural constraints, ancient masonry towers are more vulnerable to earthquake damage. The main goal of the paper is to investigate the seismic behavior of Erzurum Clock Tower under earthquake loading and to determine the contribution of the castle walls to the seismic performance of the tower. In this study, four three-dimensional finite element models of the Erzurum Clock Tower were developed and the seismic responses of the models were investigated. Time history analyses were performed using the earthquakes that took place in Turkey in 1983 near Erzurum and in 1992 near Erzincan. In the first model, the clock tower was modeled without the adjacent walls; in the second model, the clock tower was modeled with a castle wall on the south side; in the third model, the clock tower was modeled with a castle wall on the north side; and in the last model, the clock tower was modeled with two castle walls on both the north and south sides. Results of the analyses show that the adjacent walls do not allow lateral movements and the horizontal displacements decreases. It is concluded that the adjacent structures should be taken into consideration when modeling seismic performance in order to get accurate and realistic results.
The nonlinear aerodynamic instability of a tensioned plane orthotropic membrane structure is theoretically investigated in this paper. The interaction governing equation of wind-structure coupling is established by the Von $K\acute{a}rm\acute{a}n's$ large amplitude theory and the D'Alembert's principle. The aerodynamic force is determined by the potential flow theory of fluid mechanics and the thin airfoil theory of aerodynamics. Then the interaction governing equation is transformed into a second order nonlinear differential equation with constant coefficients by the Bubnov-Galerkin method. The critical wind velocity is obtained by judging the stability of the second order nonlinear differential equation. From the analysis of examples, we can conclude that it's of great significance to consider the orthotropy and geometrical nonlinearity to prevent the aerodynamic instability of plane membrane structures; we should comprehensively consider the effects of various factors on the design of plane membrane structures; and the formula of critical wind velocity obtained in this paper provides a more accurate theoretical solution for the aerodynamic stability of the plane membrane structures than the previous studies.
The dynamic instability analysis of delaminated composite structures subjected to in-plane pulsating forces is carried out based on the higher order shell theory of Sanders. In the finite element (FE) formulation, the seven degrees of freedom per each node are used with transformations in order to fit the displacement continuity conditions at the delamination region. The boundaries of the instability regions are determined using the method proposed by Bolotin. The numerical results obtained for skew plates and shells are in good agreement with those reported by other investigators. The new results for delaminated skew plate and shell structures in this study mainly show the effect of the interactions between the radius-length ratio and other various parameters, for example, skew angles, delamination size, the fiber angle of layer and location of delamination in the layer direction. The effect of the magnitude of the periodic in-plane load on the instability regions is also investigated.
Topology optimization of structures seeking the best distribution of mass in a design space to improve the structural performance and reduce the weight of a structure is one of the most comprehensive issues in the field of structural optimization. In addition to structures stiffness as the most common objective function, frequency optimization is of great importance in variety of applications too. In this paper, an efficient multi-objective Bi-directional Evolutionary Structural Optimization (BESO) method is developed for topology optimization of frequency and stiffness in continuum structures simultaneously. A software package including a Matlab code and Abaqus FE solver has been created for the numerical implementation of multi-objective BESO utilizing the weighted function method. At the same time, by considering the weaknesses of the optimized structure in single-objective optimizations for stiffness or frequency problems, slight modifications have been done on the numerical algorithm of developed multi-objective BESO in order to overcome challenges due to artificial localized modes, checker boarding and geometrical symmetry constraint during the progressive iterations of optimization. Numerical results show that the proposed Multiobjective BESO method is efficient and optimal solutions can be obtained for continuum structures based on an existent finite element model of the structures.
Some structures under the action of some specific loads can be treated as consisting of rigid and deformable parts. The paper presents a way to include rigid elements into a finite element model accounting for geometrical and material nonlinearities. Lagrange multipliers technique is used to derive equations of motion for the coupled deformable-rigid system. Solution algorithm based on the elimination of the Lagrangian multipliers and dependent kinematic unknowns at the element level is described. A follow-up paper(Rojek and Kleiber 1993) complements the discussion by giving details of the computer implementation and presenting some realistic test examples.
The size and topology of geometrically nonlinear dome structures are optimized thereby minimizing both its entire weight & joint (node) displacements and maximizing load-carrying capacity. Design constraints are implemented from provisions of American Petroleum Institute specification (API RP2A-LRFD). In accordance with the proposed design constraints, the member responses computed by use of arc-length technique as a nonlinear structural analysis method are checked at each load increment. Thus, a penalization process utilized for inclusion of unfeasible designations to genetic search is correspondingly neglected. In order to solve this complex design optimization problem with multiple objective functions, Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II (NSGA II) approach is employed as a multi-objective optimization tool. Furthermore, the flexibility of proposed optimization is enhanced thereby integrating an automatic dome generating tool. Thus, it is possible to generate three distinct sphere-shaped dome configurations with varying topologies. It is demonstrated that the inclusion of brace (diagonal) members into the geometrical configuration of dome structure provides a weight-saving dome designation with higher load-carrying capacity. The proposed optimization approach is recommended for the design optimization of geometrically nonlinear dome structures.
From the viewpoint of engineering applications, the prediction of the failure of bogies plays an important role in preventing the occurrence of fatigue. Fatigue is a complex phenomenon affected by many uncertainties (such as load, environment, geometrical and material properties, and so on). The key to predict fatigue damage accurately is how to quantify these uncertainties. A Bayesian model is used to account for the uncertainty of various sources when predicting fatigue damage of structural components. In spite of improvements in the design of fatigue-sensitive structures, periodic non-destructive inspections are required for components. With the help of modern nondestructive inspection techniques, the fatigue flaws can be detected for bogie structures, and fatigue reliability can be updated by using Bayesian theorem with inspection data. A practical fatigue analysis of welded bogies is utilized to testify the effectiveness of the proposed methods.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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