In the present article, functionally graded small-scaled plates based on modified strain gradient theory (MSGT) are studied for analyzing the nonlinear bending and post-buckling responses. Von-Karman's assumptions are applied to incorporate geometric nonlinearity and the first-order shear deformation theory is used to model the plates. Modified strain gradient theory includes three length scale parameters and is reduced to the modified couple stress theory (MCST) and the classical theory (CT) if two or all three length scale parameters become zero, respectively. The Ritz method with Legendre polynomials are used to approximate the unknown displacement fields. The solution is found by the minimization of the total potential energy and the well-known Newton-Raphson technique is used to solve the nonlinear system of equations. In addition, numerical results for the functionally graded small-scaled plates are obtained and the effects of different boundary conditions, material gradient index, thickness to length scale parameter and length to thickness ratio of the plates on nonlinear bending and post-buckling responses are investigated and discussed.
Mohamed A. Khadimallah;Imene Harbaoui;Sofiene Helaili;Abdelhakim Benslimane;Humaira Sharif;Muzamal Hussain;Muhammad Nawaz Naeem;Mohamed R. Ali;Aqib Majeed;Abdelouahed Tounsi
Computers and Concrete
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v.32
no.4
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pp.365-371
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2023
On the basis of Flügge shell theory, the vibrations of single walled carbon nanotubes (SWCNTs) are investigated. The structure of armchair single walled carbon nanotubes are used here. Influences of length-to-diameter ratios and the two boundary conditions on the natural frequencies of armchair SWCNTs are examined. The Rayleigh-Ritz method is employed to determine eigen frequencies for single walled carbon nanotubes. The solution is obtained using the geometric characteristics and boundary conditions for natural frequencies of SWCNTs. The natural frequencies decrease as ratio of length to diameter increase and the effect of frequencies is less significant and more prominent for long tube. To assess the frequency confirmation carried out in this paper are compared with the earlier computations.
Muzamal Hussain;Mohamed R. Ali;Abdelhakim Benslimane;Humaira Sharif;Mohamed A. Khadimallah;Muhammad Nawaz Naeem;Imene Harbaoui;Sofiene Helaili;Aqib Majeed;Abdelouahed Tounsi
Computers and Concrete
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v.32
no.4
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pp.393-398
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2023
This paper provides the free vibrations of chiral carbon nanotubes. The governing equations of Flügge theory is considered for vibration frequencies of chiral single walled carbon nanotubes. The solution of frequency equation is obtained from a novel model for better representation of stubby and short vibration characteristics of chiral tubes with clamped-clamped and clamped-simply supported end conditions. For the harmonic response of this tube, the model displacement function is adopted. The variational approach Rayleigh-Ritz method with kinetic and strain energies are used. The Lagragian function is differentiated with respect to unknown functions. The frequency equation is written in compact form to solve with MATLAB software. The frequencies of chiral SWCNTs for first ten aspect ratios as small level are investigated. The results shown as for decreasing the aspect rations, the frequencies are increases. The presented results of this model are verified with experimental and numerical results, which found as an excellent agreement.
In this article, the surface stress effects on the buckling analysis of the annular sandwich plate is developed. The proposed plate is composed of two face layers made of carbon nanotubes (CNT) reinforced composite with assuming of fully bonded to functionally graded porous core. The generalized rule of the mixture is employed to predict the mechanical properties of the microcomposite sandwich plate. The derived potentials energy based on higher order shear deformation theory (HSDT) and modified couple stress theory (MCST) is solved by employing the Ritz method. An exact analytical solution is presented to calculate the critical buckling loads of the annular sandwich plate. The predicted results are validated by carrying out the comparison studies for the buckling analysis of annular plates with those obtained by other analytical and finite element methods. The effects of various parameters such as material length scale parameter, core thickness to total thickness ratio (hc/h), surface elastic constants based on surface stress effect, various boundary condition and porosity distributions, size of the internal pores (e0), Skempton coefficient and elastic foundation on the critical buckling load have been studied. The results can be served as benchmark data for future works and also in the design of materials science, injunction high-pressure micropipe connections, nanotechnology, and smart systems.
Owing to the growing size of the eigenvalue problem and the growing number of eigenvalues desired, solution methods of iterative nature are becoming more popular than ever, which however suffer from low efficiency and lack of proper convergence criteria. In this paper, three efficient iterative eigenvalue algorithms are considered, i.e., subspace iteration method, iterative Ritz vector method and iterative Lanczos method based on the cell sparse fast solver and loop-unrolling. They are examined under the mode error criterion, i.e., the ratio of the out-of-balance nodal forces and the maximum elastic nodal point forces. Averagely speaking, the iterative Ritz vector method is the most efficient one among the three. Based on the mode error convergence criteria, the eigenvalue solvers are shown to be more stable than those based on eigenvalues only. Compared with ANSYS's subspace iteration and block Lanczos approaches, the subspace iteration presented here appears to be more efficient, while the Lanczos approach has roughly equal efficiency. The methods proposed are robust and efficient. Large size tests show that the improvement in terms of CPU time and storage is tremendous. Also reported is an aggressive shifting technique for the subspace iteration method, based on the mode error convergence criteria. A backward technique is introduced when the shift is not located in the right region. The efficiency of such a technique was demonstrated in the numerical tests.
The influence of cracks on the elastic deflection and ultimate bearing capacity of eccentric thin-walled columns with both ends pinned was studied in this paper. First, a method was developed and applied to determine the elastic deflection of the eccentric thin-walled columns containing some model-I cracks. A trigonometric series solution of the elastic deflection equation was obtained by the Rayleigh-Ritz energy method. Compared with the solution presented in Okamura (1981), this solution meets the needs of compatibility of deformation and is useful for thin-walled columns. Second, a two-criteria approach to determine the stability factor ${\varphi}$ has been suggested and its analytical formula has been derived. Finally, as an example, box columns with a center through-wall crack were analyzed and calculated. The effects of cracks on both the maximum deflection and the stability coefficient ${\varphi}$ for various crack lengths or eccentricities were illustrated and discussed. The analytical and numerical results of tests on the columns show that the deflection increment caused by the cracks increases with increased crack length or eccentricity, and the critical transition crack length from yielding failure to fracture failure ${\xi}_c$ is found to decrease with an increase of the slenderness ratio or eccentricity.
The mode perturbation method (MPM) is suitable and efficient for solving the eigenvalue problem of a nonuniform soil deposit whose property varies with depth. However, results of the MPM do not always converge to the exact solution, when the variation of soil deposit property is discontinuous. This discontinuity is typical because soil is usually made up of sedimentary layers of different geologic materials. Based on the energy integral of the variational principle, a new mode perturbation method, the energy-based mode perturbation method (EMPM), is proposed to address the convergence of the perturbation solution on the natural frequencies and the corresponding mode shapes and is able to find solution whether the soil properties are continuous or not. First, the variational principle is used to transform the variable coefficient differential equation into an equivalent energy integral equation. Then, the natural mode shapes of the uniform shear beam with same height and boundary conditions are used as Ritz function. The EMPM transforms the energy integral equation into a set of nonlinear algebraic equations which significantly simplifies the eigenvalue solution of the soil layer with variable properties. Finally, the accuracy and convergence of this new method are illustrated with two case study examples. Numerical results show that the EMPM is more accurate and convergent than the MPM. As for the mode shapes of the uniform shear beam included in the EMPM, the additional 8 modes of vibration are sufficient in engineering applications.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.7
no.5
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pp.793-800
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2006
DQM(differential quadrature method) is applied to computation of eigenvalues of the equations of motion governing the free in-plane vibration fur circular curved beams including both rotatory inertia and shear deformation. Fundamental frequencies are calculated for the members with clamped-clamped end conditions and various opening angles. The results are compared with numerical solutions by other methods for cases in which they are available. The differential quadrature method gives good accuracy even when only a limited number of grid points is used.
For the rational and economic design of the structural elements of ships which is built using welding, the ultimate strength analyses of the plates having initial imperfections, such as welding residual stresses and strains, are needful. The welding deformation usually relied on approximative equations or based on expert's experience. But in this paper, for the thermal elasto-plastic analysis of plates, the finite element analysis was performed, based on initial strain method. In formulating the incremental analysis, unbalanced force terns were included. In the plastic domain during the incremental process, the 2nd order terns stress increment and yield stress increment were considered, so that time increment could be controlled for a more stable solution. The ultimate strength analysis program of the plates having initial imperfections was made. The ultimate strength analysis was carried out based on the results of the welding deformations of this paper. In the ultimate strength analysis the Rayleigh-Ritz method based on the minimum potential theory was used.
Practicing a hole or an orifice through a plate or a slab constitutes a very frequent engineering situation due to operational reasons imposed on the structural system. From a designer's viewpoint it is important to know the effect of this modification of the mechanical system upon its elastodynamic characteristics. The present study deals with the determination of the lower natural frequencies of the structural element described in the title of the paper using a variational approach and expressing the displacement amplitude of the plate in terms of the double Fourier series which constitutes the classical, exact solution when the structure is simply supported at its four edges.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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