The main purpose of this research work is to investigate the critical buckling load of functionally graded (FG) porous plates with graphene platelets (GPLs) reinforcement using generalized differential quadrature (GDQ) method at thermal condition. It is supposed that the GPL nanofillers and the porosity coefficient vary continuously along the plate thickness direction. Generally, the thermal distribution is considered to be nonlinear and the temperature changing continuously through the thickness of the nanocomposite plates according to the power-law distribution. To model closed cell FG porous material reinforced with GPLs, Halpin-Tsai micromechanical modeling in conjunction with Gaussian-Random field scheme are used, through which mechanical properties of the structures can be extracted. Based on the third order shear deformation theory (TSDT) and the Hamilton's principle, the equations of motion are established and solved for various boundary conditions (B.Cs). The fast rate of convergence and accuracy of the method are investigated through the different solved examples and validity of the present study is evaluated by comparing its numerical results with those available in the literature. A special attention is drawn to the role of GPLs weight fraction, GPLs patterns through the thickness, porosity coefficient and distribution of porosity on critical buckling load. Results reveal that the importance of thermal condition on of the critical load of FGP-GPL reinforced nanocomposite plates.
An analysis on thermal buckling and postbuckling of composite laminated plates reinforced with a low amount of graphene platelets is performed in the current investigation. It is assumed that graphaene platelets are randomly oriented and uniformly dispersed in each layer of the composite media. Elastic properties of the nanocomposite media are obtained by means of the modified Halpin-Tsai approach which takes into account the size effects of the graphene reinforcements. By means of the von $K{\acute{a}}rm{\acute{a}}n$ type of geometrical nonlinearity, third order shear deformation theory and nonuniform rational B-spline (NURBS) based isogeometric finite element method, the governing equations for the thermal postbuckling of nanocomposite plates in rectangular shape are established. These equations are solved by means of a direct displacement control strategy. Numerical examples are given to study the effects of boundary conditions, weight fraction of graphene platelets and distribution pattern of graphene platelets. It is shown that, with introduction of a small amount of graphene platelets into the matrix of the composite media, the critical buckling temperature of the plate may be enhanced and thermal postbuckling deflection may be alleviated.
In this paper, analysis of thermal post-buckling behaviors of sandwich nanobeams with two layers of multi-phase magneto-electro-thermo-elastic (METE) composites have been presented considering geometric imperfection effects. Multi-phase METE material is composed form piezoelectric and piezo-magnetic constituents for which the material properties can be controlled based on the percentages of the constituents. Nonlinear governing equations of sandwich nanobeam are derived based on nonlocal elasticity theory together with classic thin beam model and an analytical solution is provided. It will be shown that post-buckling behaviors of sandwich nanobeam in thermo-electro-magnetic field depend on the constituent's percentages. Buckling temperature of sandwich nanobeam is also affected by nonlocal scale factor, magnetic field intensity and electrical voltage.
For many decades, the railway was constructed using tracks with jointed rails of relatively short lengths. The joints cause many drawbacks in the track and lead to signeficant maintenance cost. so, railroad engineers became interested in eliminating joints. Continuous welded rail(CWR) track has many advantages over the conventional jointed-rail track. but, in the case of the elimination of rail joints, it may cause the track to be suddenly buckled laterally by thermal loads. In this paper, firstly, 3-D CWR track model and CWRB program exactly considering the influence of tie are developed far linear static and buckling analysis using finite element method. Characteristics of CWR track model are using 7-dofs beam element as rail, Offset technic exactly considering centroid axies difference of track components(rail, rail-pad-fastener, tie), and Thermal gradient considering thermal difference of top flange and bottom flange in rail section.. second,, Through the static and linear buckling analysis by CWRB, Influences of various track components (rail, ballast, fastener, tie and so on..) on CWR track behavior and stability was characterized.
Saeed Kamarian;Reza Barbaz-Isfahani;Thanh Mai Nguyen Tran;Jung-Il Song
Advances in nano research
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v.16
no.2
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pp.127-140
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2024
Upon direct/indirect exposure to flame or heat, composite structures may burn or thermally buckle. This issue becomes more important in the natural fiber-based composite structures with higher flammability and lower mechanical properties. The main goal of the present study was to obtain an optimal eco-friendly composite system with low flammability and high thermal buckling resistance. The studied composite consisted of polypropylene (PP) and short abaca fiber (AF) with eggshell powder (ESP) and halloysite clay nanotubes (HNTs) additives. An optimal base composite, consisting of 30 wt.% AF and 70 wt.% PP, abbreviated as OAP, was initially introduced based on burning rate (BR) and the Young's modulus determined by horizontal burning test (HBT) and tensile test, respectively. The effects of adding ESP to the base composite were then investigated with the same experimental tests. The results indicated that though the BR significantly decreased with the increase of ESP content up to 6 wt.%, it had a very destructive influence on the stiffness of the composite. To compensate for the damaging effect of ESP, small amount of HNT was used. The performance of OAP composite with 6 wt.% ESP and 3 wt.% HNT (OAPEH) was explored by conducting HBT, cone calorimeter test (CCT) and tensile test. The experimental results indicated a 9~23 % reduction in almost all flammability parameters such as heat release rate (HRR), total heat released (THR), maximum average rate of heat emission (MARHE), total smoke released (TSR), total smoke production (TSP), and mass loss (ML) during combustion. Furthermore, the combination of 6 wt.% ESP and 3 wt.% HNT reduced the stiffness of OAP to an insignificant amount by maximum 3%. Moreover, the char residue analysis revealed the distinct differences in the formation of char between AF/PP and AF/PP/ESP/HNT composites. Afterward, dilatometry test was carried out to examine the coefficient of thermal expansion (CTE) of OAP and OAPEH samples. The obtained results showed that the CTE of OAPEH composite was about 18% less than that of OAP. Finally, a theoretical model was used based on first-order shear deformation theory (FSDT) to predict the critical bucking temperatures of the OAP and OAPEH composite plates. It was shown that in the absence of mechanical load, the critical buckling temperatures of OAPEH composite plates were higher than those of OAP composites, such that the difference between the buckling temperatures increased with the increase of thickness. On the contrary, the positive effect of CTE reduction on the buckling temperature decreased by raising the axial compressive mechanical load on the composite plates which can be assigned to the reduction of stiffness after the incorporation of ESP. The results of present study generally stated that a suitable combination of AF, PP, ESP, and HNT can result in a relatively optimal and environmentally friendly composite with proper flame and thermal buckling resistance with no significant decline in the stiffness.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.54
no.5
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pp.393-405
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2017
This paper deals with the buckling strength of the skirt structure in the spherical LNG carriers. The spherical cargo tank systems consist of spherical tank, skirt, tank cover, pump tower, etc. The skirt supports the spherical cargo tank and is connected with ship hull structure. It is designed to act as a thermal brake between the tank and the hull structure by reducing the thermal conduction from the tank to the supporting structure. It is built up of three parts, upper aluminum part, middle stainless steel part and lower carbon steel part. The 150K spherical LNG carrier was designed and carried out the strength verification under Classification Societies Rule. The design loads due to acceleration, thermal distribution, self-weight and cargo weight were estimated considering requirements of the Class Rule and numerical simulation analyses. Based on the obtained design loads and experienced project data, the initial structure scantling was carried out. To verify the structural integrity, theoretical and numerical analyses were carried out and strength was evaluated aspect of buckling capacity. The results by LR and DNV design code are shown and discussed.
This study attempts to address the buckling and free vibration characteristics of an isotropic cylindrical panel subjected to non-uniform temperature rise using numerical approach. Finite element analysis has been used in the present study. The approach involves three parts, in the first part non-uniform temperature field is obtained using heat transfer analysis, in the second part, the stress field is computed under the thermal load using static condition and, the last part, the buckling and pre-stressed modal analysis are carried out to compute critical buckling temperature as well as natural frequencies and associated mode shapes. In the present study, the effect of non-uniform temperature field, heat sink temperatures and in-plane boundary constraints are considered. The relation between buckling temperature under uniform and non-uniform temperature fields has been established. Results revealed that decrease (Case (ii)) type temperature variation field influences the fundamental buckling mode shape significantly. Further, it is observed that natural frequencies under free vibration state, decreases as temperature increases. However, the reduction is significantly higher for the lowest natural frequency. It is also found that, with an increase in temperature, nodal and anti-nodal positions of free vibration mode shapes is shifting towards the location where the intensity of the heat source is high and structural stiffness is low.
Present paper deals with the temperature-dependent buckling analysis of sandwich nanocomposite plates resting on elastic medium subjected to magnetic field. The lamina layers are reinforced with carbon nanotubes (CNTs) as uniform and functionally graded (FG). The elastic medium is considered as orthotropic Pasternak foundation with considering the effects of thermal loading on the spring and shear constants of medium. Mixture rule is utilized for obtaining the effective material properties of each layer. Adopting the Reddy shear deformation plate theory, the governing equations are derived based on energy method and Hamilton's principle. The buckling load of the structure is calculated with the Navier's method for the simply supported sandwich nanocomposite plates. Parametric study is conducted on the combined effects of the volume percent and distribution types of the CNTs, temperature change, elastic medium, magnetic field and geometrical parameters of the plates on the buckling load of the sandwich structure. The results show that FGX distribution of the CNTs leads to higher stiffness and consequently higher buckling load. In addition, considering the magnetic field increases the buckling load of the sandwich nanocomposite plate.
Anandrao, K. Sanjay;Gupta, R.K.;Ramchandran, P.;Rao, G. Venkateswara
Structural Engineering and Mechanics
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v.44
no.3
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pp.339-361
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2012
Large amplitude free vibration and thermal post-buckling of shear flexible Functionally Graded Material (FGM) beams is studied using finite element formulation based on first order Timoshenko beam theory. Classical boundary conditions are considered. The ends are assumed to be axially immovable. The von-Karman type strain-displacement relations are used to account for geometric non-linearity. For all the boundary conditions considered, hardening type of non-linearity is observed. For large amplitude vibration of FGM beams, a comprehensive study has been carried out with various lengths to height ratios, maximum lateral amplitude to radius of gyration ratios, volume fraction exponents and boundary conditions. It is observed that, for FGM beams, the non-linear frequencies are dependent on the sign of the vibration amplitudes. For thermal post-buckling of FGM beams, the effect of shear flexibility on the structural response is discussed in detail for different volume fraction exponents, length to height ratios and boundary conditions. The effect of shear flexibility is observed to be predominant for clamped beam as compared to simply supported beam.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1998.04a
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pp.433-440
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1998
For many decades, railroad technology was used to set up tracks with jointed rails and lengths in accordance with rolling and handling technology. The joints lead to drawbacks in the track and in controlling rising maintenance costs. So, railroad engineers became interested in eliminating joints to increase loads, speeds and improvements in rolling, welding, and fastening technology. Continuous welded rail(CWR) track has many advantages over the conventional jointed-rail track. In the case of the elimination of rail joints, it may cause the track to be suddenly and laterally buckled by thermal forces and vehicle load. Thermal forces are caused by an increase in the temperature of railway track. For many years, many analytical and experimental investigations have been conducted to improve the safety of CWR track by various research center in many country. In this paper, CWR track model and CWRB program is developed for buckling analysis using finite element method(FEM). The finite element discretization is used for a rail element with a total of 14 degrees of freedom. The stiffness of the fasteners, tie, and ballast bed is included by a set of spring elements. The investigation on the buckling modes and temperature of CWR track is presented in this paper
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[게시일 2004년 10월 1일]
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