In this research, the size-dependent impact of an embedded piezoelectric nanoplate subjected to in-plane loading on free vibration characteristic is studied. The foundation is two-parameter viscoelastic. The nonlocal elasticity is employed in order to capture the influence of size of the plate. By utilizing Hamilton's principle as well as the first- order shear deformation theory, the governing equation and boundary conditions are achieved. Then, using Navier method the equations associated with the free vibration of a plate constructed piezoelectric material under in-plane loads are solved analytically. The presented formulation and solution procedure are validated using other papers. Also, the impacts of nonlocal parameter, mode number, constant of spring, electric potential, and geometry of the nanoplate on the vibrational frequency are examined. As this paper is the first research in which the vibration associated with piezoelectric nanoplate on the basis of FSDT and nonlocal elasticity is investigated analytically, this results can be used in future investigation in this area.
The influence of normal stress perpendicular to the potential shear plane was always neglected in existing researches, which may lead to a serious deviation of the shear strength of concrete members in practice designs and numerical analyses. In this study, a series of experimental studies are carried out in this paper, which serves to investigate the shear behavior of concrete under compression shear loading. Based on the test results, a three-phase shear failure model for cohesive elements are developed, which is able to take into consideration the influence of normal stress on the shear strength of concrete. To identify the accuracy and applicability of the proposed model, numerical models of a double-noted concrete plate are developed and compared with experimental results. Results show that the proposed constitutive model is able to take into consideration the influence of normal stress on the shear strength of concrete materials, and is effective and accurate for describing the complex fracture of concrete, especially the failure modes under compression shear loadings.
Existing numerical models for strain-hardening cement-based composites (SHCC) are short of providing sufficiently accurate solutions to the failure patterns of coupling beams of different designs. The objective of this study is to develop an effective model that is capable of simulating the nonlinear behavior of SHCC coupling beams subjected to cyclic loading. The beam model proposed in this study is a macro-scale plane stress model. The effects of cracks on the macro-scale behavior of SHCC coupling beams are smeared in an anisotropic model. In particular, the influence of the defined crack orientations on the simulation accuracy is explored. Extensive experimental data from coupling beams with different failure patterns are employed to evaluate the validity of the proposed SHCC coupling beam models. The results show that the use of the suggested shear stiffness retention factor for damaged SHCC coupling beams is able to effectively enhance the simulation accuracy, especially for shear-critical SHCC coupling beams. In addition, the definition of crack orientation for damaged coupling beams is found to be a critical factor influencing the simulation accuracy.
Using the theory of linear piezoelectricity, the dynamic response of a central crack in a functionally graded piezoelectric ceramic under anti-plane shear impact is analyzed. We assume that the properties of the functionally graded piezoelectric material vary continuously along the thickness. By using the Laplace and Fourier transform, the problem is reduced to two pairs of dual integral equations and then into Fredholm integral equations of the second kind. Numerical values on the dynamic stress intensity factors are presented to show the dependence of the gradient of material properties and electric loading.
In this paper, we examine the singular stresses and electric fields in a functionally graded piezoelectric ceramic strip containing an eccentric crack off the center line under anti-plane shear loading with the theory of linear piezoelectricity. It is assumed that the properties of the functionally graded piezoelectric ceramic strip vary continuously along the thickness. Fourier transforms are used to reduce the problem to the solution of two pairs of dual integral equations, which are then expressed to a Fredholm integral equation of the second kind. Numerical values on the stress intensity factor and the energy release rate are obtained.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.31
no.1
s.256
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pp.121-128
/
2007
Enhanced lower order shear deformation theory is developed in this study. Generally, lower order theories are not adequate to predict accurate deformation and stress distribution through the thickness of laminated plate. For the accurate prediction of detailed stress and deformation distributions through the thickness, higher order zigzag theories have been proposed. However, in most cases, simplified zigzag higher order theory requires $C_1$, shape functions in finite element implementation. In commercial FE softwares, $C_1$, shape functions are not so common in plate and shell analysis. Thus zigzag theories are useful for the highly accurate prediction of thick composite behaviors but they are not practical in the sense that they cannot be used conveniently in the commercial package. In practice, iso-parametric $C_0$ plate model is the standard model for the analysis and design of composite laminated plates and shells. Thus in the present study, an enhanced lower order shear deformation theory is developed. The proposed theory requires only $C_0$ shape function in FE implementation. The least-squared energy error between the lower order theory and higher order theory is minimized. An enhanced lower order shear deformation theory(ELSDT) in this paper is proposed for smart structure under complex loadings. The ELSDT is constructed by the strain energy transformation and fully coupled mechanical, electric loading cases are studied. In order to obtain accurate prediction, zigzag in-plane displacement and transverse normal deformation are considered in the deformation Held. In the electric behavior, open-circuit condition as well as closed-circuit condition is considered. Through the numerous examples, the accuracy and robustness of present theory are demonstrated.
Geotechnical structures have been analyzed and constructed in various geometry conditions to maintain their stability in accordance with the characteristics of construction design. Shear strengths are generally obtained from triaxial test to apply to design analysis. Geotechnical structures under strip loading, such as earth dam, embankment, and retaining wall, have the strain in a direction, and plane strain condition. Thus, an approximate shear strengths should be applied for stability analysis suitable to ground condition. When applying shear strengths obtained from triaxial tests for slope stability analysis, the evaluation of it may underestimate the factor of safety because the implementation is not suitable for geometry condition. The paper compares shear strengths obtained from triaxial test and plane strain test based on various relative densities using weathered granite soils. Additionally, yield stress is determined by maximum axial strain 15% in triaxial test because of continuous kinematic hardening, but plane strain test can determine a failure point in critical state to evaluate the shear strengths of soils at the second plastic hardening step. This study proposes to perform an appropriate test for many geotechnical problems with plane strain condition.
The stability and resistance of the plates under in-plane loading is crucial in the design of structures. For the assessment of structural stability, it is necessarily required to have accurate finite element technologies. Therefore, the enhanced 9-node plate (Q9-ANS) element is introduced for the linear buckling analysis of plate where the critical buckling load has to be determined. The Q9-ANS is developed with the Reissner-Mindlin (RM) assumptions which consider transverse shear deformation of the plate. Assumed shear strain is used to alleviate the shear locking phenomenon. Numerical examples are carried out to verify the performance of the Q9-ANS element in calculation of critical buckling load of the plates.
A new type of earthquake-resisting element that consists of a steel plate shear wall with slits is introduced. The infill steel plate is divided into a series of vertical flexural links with vertical links. The steel plate shear walls absorb energy by means of in-plane bending deformation of the flexural links and the energy dissipation capacity of the plastic hinges formed at both ends of the flexural links when under lateral loads. In this paper, finite element analysis and experimental studies at low cyclic loadings were conducted on specimens with steel plate shear walls with multilayer slits. The effects caused by varied slit pattern in terms of slit design parameters on lateral stiffness, ultimate bearing capacity and hysteretic behavior of the shear walls were analyzed. Results showed that the failure mode of steel plate shear walls with a single-layer slit was more likely to be out-of-plane buckling of the flexural links. As a result, the lateral stiffness and the ultimate bearing capacity were relatively lower when the precondition of the total height of the vertical slits remained the same. Differently, the failure mode of steel plate shear walls with multilayer slits was prone to global buckling of the infill steel plates; more obvious tensile fields provided evidence to the fact of higher lateral stiffness and excellent ultimate bearing capacity. It was also concluded that multilayer specimens exhibited better energy dissipation capacity compared with single-layer plate shear walls.
In the present study, the fracture toughness of U-shaped notches made of aluminum alloy Al7075-T6 under combined tension/out-of-plane shear loading conditions (mixed mode I/III) is studied by theoretical and experimental methods. In the experimental part, U-notched test samples are loaded using a previously developed fixture under mixed mode I/III loading and their load-carrying capacity (LCC) is measured. Then, due to the presence of considerable plasticity in the notch vicinity at crack initiation instance, using the Equivalent Material Concept (EMC) and with the help of the point stress (PS) and mean stress (MS) brittle failure criteria, the LCC of the tested samples is predicted theoretically. The EMC equates a ductile material with a virtual brittle material in order to avoid performing elastic-plastic analysis. Because of the very good match between the EMC-PS and EMC-MS combined criteria with the experimental results, the use of the combination of the criteria with EMC is recommended for designing U-notched aluminum plates in engineering structures. Meanwhile, because of nearly the same accuracy of the two criteria and the simplicity of the PS criterion relations, the use of EMC-PS failure model in design of notched Al7075-T6 components is superior to the EMC-MS criterion.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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