Alaa A. Abdelrahman;Hanaa E. Abd-El-Mottaleb;Mohamed G. Elblassy;Eman A. Elshamy
Steel and Composite Structures
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v.49
no.6
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pp.667-684
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2023
In the context of finite element method, a computational simulation is presented to study and analyze the dynamic behavior of regularly perforated functionally graded rotating beam for the first time. To investigate the effect of perforation configurations, both regular circular and squared perforation patterns are studied. To explore impacts of graded material distributions, both axial and transverse gradation profiles are considered. The material characteristics of graded materials are assumed to be smoothly and continuously varied through the axial or the thickness direction according the nonlinear power gradation law. A computational finite elements procedure is presented. The accuracy of the numerical procedure is verified and compared. Resonant frequencies, axial displacements as well as internal stress distributions throughout the perforated graded rotating cantilever beam are studied. Effects of material distributions, perforation patterns, as well as the rotating beam speed are investigated. Obtained results proved that the graded material distribution has remarkable effects on the dynamic performance. Additionally, circular perforation pattern produces more softening effect compared with squared perforation configuration thus larger values of axial displacements and maximum principal stresses are detected. Moreover, squared perforation provides smaller values of nondimensional frequency parameters at most of vibration modes compared with circular pattern.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.13
no.7
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pp.3207-3215
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2012
In this paper, we study the bending and free vibration analysis of nano plate, using a nonlocal elasticity theory of Eringen with a third-order shear deformation theory. This theory has ability to capture the both small scale effects and quadratic variation of shear strain and consequently shear stress through the plate thickness. Analytical solutions of bending and vibration of a laminated composite nano plate are presented using this theory to illustrate the effect of nonlocal theory on deflection of the nano plates. The relations between nonlocal third-order and local theories are discussed by numerical results. Further, effects of (i) nonlocal parameters, (ii) laminate schemes, (iii) directions of the fiber angle and (iv) number of layers on nondimensional deflections are investigated. In order to validate the present solutions, the reference solutions are used and discussed. The results of anisotropic nano plates using the nonlocal theory may be the benchmark test for the bending analysis.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.14
no.11
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pp.5930-5938
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2013
The sigmoid functionally graded mateiral(S-FGM) theory is reformulated using the nonlocal elatictiry of Erigen. The equation of equilibrium of the nonlocal elasticity are derived. This theory has ability to capture the both small scale effects and sigmoid function in terms of the volume fraction of the constituents for material properties through the plate thickness. Navier's method has been used to solve the governing equations for all edges simply supported boundary conditions. Numerical solutions of biaxial buckling of nano-scale plates are presented using this theory to illustrate the effects of nonlocal theory and power law index of sigmoid function on buckling load. The relations between nonlocal and local theories are discussed by numerical results. Further, effects of (i) power law index, (ii) length, (iii) nonlocal parameter, (iv) aspect ratio and (v) mode number on nondimensional biaxial buckling load are studied. To validate the present solutions, the reference solutions are discussed.
The wind-induced transient response of internal pressure following the creation of a sudden dominant opening during the occurrence of high external pressure, in low-rise residential and industrial buildings was numerically investigated. The values of the ill-defined parameters namely the flow contraction coefficient, loss coefficient and the effective slug length were calibrated by matching the analytical response with the computational fluid dynamics predictions. The effect of a sudden i.e., "instantaneously created" windward opening in the Texas Technical University (TTU) test building envelope was studied for two different envelope flexibility-leakage combinations namely: (1) a quasi-statically flexible and non-porous envelope and (2) a quasi-statically flexible and porous envelope. The responses forced by creating the openings at different time leads/lags with respect to the occurrence of the peak external pressure showed that for cases where the openings are created in close temporal proximity to the peak pressure, the transient overshoot values of internal pressure could be higher than the peak values of internal pressure in the pre-sequent or subsequent resonant response. In addition, the influence of time taken for opening creation on the level of overshoot was also investigated for the TTU building for the two different envelope characteristics. Non-dimensional overshoot factors are presented for a variety of cavity volume-opening area combinations for (1) buildings with rigid/quasi-statically flexible non-porous envelope, and (2) buildings with rigid/quasi-statically flexible and porous envelope (representing most low rise residential and industrial buildings). While the factors appear slightly on the high side due to conservative assumptions made in the analysis, a careful consideration regarding the implication of the timing and magnitude of such overshoots during strong gusts, in relation to the steady state internal pressure response in cyclonic regions, is warranted.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.20
no.2
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pp.137-146
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2007
Numerical analyses are performed to show the effect of stiffening facade riggers on the behavior of the structure and to investigate the optimum locations of facade riggers. Optimum locations of the facade riggers to minimize the drift at the top of the structure are obtained by maximizing the drift reduction caused by the facade riggers and are significantly influenced by the bending and shear stiffnesses of the braced frame and facade riggers. Three standard load cases of uniformal and triangularly distributed lateral loads as well as a lateral point load at the top of the structure are considered in this paper Optimum locations of facade riggers are plotted as functions of nondimensional relative stiffness parameters ${\omega}$ and ${\beta}$ for structures with one to four riggers. Although the analysis presented herein is based on certain simplifying assumptions, it is believed that the results do provide sufficiently accurate information for determining the optimum locations of facade riggers in highrise structures.
Many novel materials exhibit a property of different elastic moduli in tension and compression. One such material is graphene, a wonder material, which has the highest strength yet measured. Investigations on buckling problems for structures with different moduli are scarce. To address this new problem, firstly, the nondimensional expression of the relation between offset of neutral axis and deflection curve is derived based on the phased integration method, and then using the energy method, load-deflection relation of the rod is determined; Secondly, based on the improved constitutive model for different moduli, large deformation finite element formulations are developed and combined with the arc-length method, finite element iterative program for rods with different moduli is established to obtain buckling critical loads; Thirdly, material mechanical properties tests of graphite, which is the raw material of graphene, are performed to measure the tensile and compressive elastic moduli, moreover, buckling tests are also conducted to investigate the buckling behavior of this kind of graphite rod. By comparing the calculation results of the energy method and finite element method with those of laboratory tests, the analytical model and finite element numerical model are demonstrated to be accurate and reliable. The results show that it may lead to unsafe results if the classic theory was still adopted to determine the buckling loads of those rods composed of a material having different moduli. The proposed models could provide a novel approach for further investigation of non-linear mechanical behavior for other structures with different moduli.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.22
no.2
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pp.87-95
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2018
The pressure loss in a cooling channel was investigated by conducting a numerical analysis, which was performed with a different channel angle in the axial direction, velocity of flow, and diameter of channels. The pressure loss did not change much with respect to the different channel angle. However, the pressure loss tended to decrease if the diameter of the channel increased and the velocity of the flow decreased. The results were quantified by a nondimensional method and compared to an existing experimental equation to validate them. The data obtained by this study would be helpful in the design process of a cooling channel considering the pressure loss.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.26
no.1A
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pp.117-132
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2006
The existing analytical solutions for rectangular plates with three edges clamped and the other free are derived based on nondimensional differential equation and their characteristics are analyzed. Since Timoshenko and Woinowsky-Krieger's method (1959) can give solutions for the case limited to the aspect ratio of the plates less than one, this method are proved to be impractical for the bending moment calculation of the plates under consideration. Horii and Moto's method(1968) are modified by adding stabilizing terms to suppress overflow in the matrix computation, from which the series solution with maximum 150 terms can be obtained. By use of the series solution the convergence of computed bending moments is tested. The modified method can be shown to calculate the deflection properties for the plates with wide range of aspect ratios, but the computed x moment at the corner points formed by the free edge and the clamped edges can not satisfy the boundary condition and the cause of problem is discussed in detail.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.28
no.5
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pp.553-561
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2015
The exponential and power law functionally graded material(FGM) theory is reformulated considering the refined shear and normal deformation theory. This theory has ability to capture the both normal deformation effect and exponential and power law function in terms of the volume fraction of the constituents for material properties through the plate thickness. Navier's method has been used to solve the governing equations for all edges simply supported plates on Pasternak elastic foundation. Numerical solutions of vibration analysis of FGM plates are presented using this theory to illustrate the effects of power law index and 3-D theory of exponential and power law function on natural frequency. The relations between 3-D and 2-D higher-order shear deformation theory are discussed by numerical results. Further, effects of (i) power law index, (ii) side-to-thickness ratio, and (iii) elastic foundation parameter on nondimensional natural frequency are studied. To validate the present solutions, the reference solutions are discussed.
Kim, Woo-Jung;Lee, Won-Hong;Park, Weon-Tae;Han, Sung-Cheon
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.15
no.2
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pp.1109-1117
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2014
We study free vibration analysis of sigmoid functionally graded materials(S-FGM) nano-scale plates, using a nonlocal elasticity theory of Eringen in this paper. This theory has ability to capture the both small scale effects and sigmoid function in terms of the volume fraction of the constituents for material properties through the plate thickness. Numerical solutions of S-FGM nano-scale plate are presented using this theory to illustrate the effect of nonlocal theory on natural frequency of the S-FGM nano-scale plates. The relations between nonlocal and local theories are discussed by numerical results. Further, effects of (i) power law index (ii) nonlocal parameters, (iii) elastic modulus ratio and (iv) thickness and aspect ratios on nondimensional frequencies are investigated. In order to validate the present solutions, the reference solutions are compared and discussed. The results of S-FGM nano-scale plates using the nonlocal theory may be the benchmark test for the free vibration analysis.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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