This study concerns the vibrational behavior of multi-walled nested silicon-carbide and carbon nanotubes using the finite element method. The beam elements are used to model the carbon-carbon and silicon-carbon bonds. Besides, spring elements are employed to simulate the van der Waals interactions between walls. The effects of nanotube arrangement, number of walls, geometrical parameters and boundary conditions on the frequencies of nested silicon-carbide and carbon nanotubes are investigated. It is shown that the double-walled nanotubes have larger frequencies than triple-walled nanotubes. Besides, replacing silicon carbide layers with carbon layers leads to increasing the frequencies of nested silicon-carbide and carbon nanotubes. Comparing the first ten mode shapes of nested nanotubes, it is observed that the mode shapes of armchair and zigzag nanotubes are almost the same.
This study presents the hygro-thermo-electromagnetic mechanical vibration attributes of elastically restrained piezoelectric nanobeam considering effects of beam surface for various elastic non-ideal boundary conditions. The nonlocal Eringen theory besides the surface effects containing surface stress, surface elasticity and surface density are employed to incorporate size-dependent effects in the whole of the model and the corresponding governing equations are derived using Hamilton principle. The natural frequencies are derived with the help of differential transformation method (DTM) as a semi-analytical-numerical method. Some validations are presented between differential transform method results and peer-reviewed literature to show the accuracy and the convergence of this method. Finally, the effects of spring constants, changing nonlocal parameter, imposed electric potential, temperature rise, magnetic potential and moisture concentration are explored. These results can be beneficial to design nanostructures in diverse environments.
This research develops a finite element code for the transient dynamic analysis of tapered fiber reinforced polymer (FRP) poles with hollow circular cross-section and flexible joints used in power transmission lines. The FRP poles are modeled by tapered beam elements and their flexible joints by a rotational spring. To solve the time equations of transient dynamic analysis, precise time integration method is utilized. In order to verify the utilized formulations, a typical jointed FRP pole under step, triangular and sine pulses is analyzed by the developed finite element code and also ANSYS commercial finite element software for comparison. Thereafter, the effect of joint flexibility on its dynamic behavior is investigated. It is observed that by increasing the joint stiffness, the amplitude of the pole tip deflection history decreases, and the time of occurrence of the maximum deflection is earlier.
This paper presents geometrically nonlinear behavior of cracked fiber reinforced composite beams by using finite element method with and the first shear beam theory. Total Lagrangian approach is used in the nonlinear kinematic relations. The crack model is considered as the rotational spring which separate into two parts of beams. In the nonlinear solution, the Newton-Raphson is used with incremental displacement. The effects of fibre orientation angles, the volume fraction, the crack depth and locations of the cracks on the geometrically nonlinear deflections of fiber reinforced composite are examined and discussed in numerical results. Also, the difference between geometrically linear and nonlinear solutions for the cracked fiber reinforced composite beams.
The Magazine of the Society of Air-Conditioning and Refrigerating Engineers of Korea
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v.6
no.4
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pp.262-266
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1977
A new computer system for the stress analysis and design of piping network has been devlo-ped in this study. For the stress analysis, the system utilizes the finite element technique in which the frontal technique is used as the equation solver. The element library of the system has (1) Pipe Element (2) Beam Element, (3) Hanger Element and (4) Spring Element which should be sufficient to model the entire piping system including flexible supports, joints, piping rack and hangers. Based on the element stresses, code check has been performed and the safety factor for each element is calculated.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.13
no.9
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pp.94-103
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1996
This paper is concerned with the theroretical and experimental study on the force control of a miniature robotic finger that grasps an object at three other positions with the fingertip. The artificial finger is uniform flexible cantilever beam equipped with a distributed set of compact grasping force secnsors. Control action is applied by a qiexoceramic bimorph strip placed at the base of the finger. The mathematical model of the assembled electro-mechanical system is developed. The distributed sensors are described by a set of concentrated mass-spring system. The formulated equations of motion are then applied to a control problem which the finger is commanded to grasp an object The PID-controller is introduced to drive the finger. The usefulness of the proposed control technique is verified by simulation and experiment.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.38
no.2
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pp.349-356
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2018
This paper attempts to develop a connection model based on FE analysis that can be applied to the evaluation of earthquake fragility of Steel Storage Racks lacking research in Korea. In order to accomplish this goal, shaking table tests, modal tests, and various member tests (8 case, push-over test) for structural members have been conducted to understand the behavior of steel storage racks. Based on the experimental results, detailed modeling of the joints was conducted using the NX-Nastran program in order to develop a connection model for Steel storage racks to be applied to the seismic vulnerability assessment. Especially, surface to surface contact element and spring element are applied to simulate the connection between the column member and the beam member connected by the simple latch method. Spring element model developed and applied ARX (Auto Regressive eXogenous) based mathematical model. The simulation results based on the FE model showed excellent reliability with a mutual error rate of less than 8% when compared with the member test results. As a result, it was confirmed that the FE model based connection model developed in the study can be applied to the analytical model for the seismic vulnerability assessment of Steel storage racks.
Lima, Carmine;Martinelli, Enzo;Macorini, Lorenzo;Izzuddin, Bassam A.
Earthquakes and Structures
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v.12
no.1
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pp.119-133
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2017
Several theoretical and analytical formulations for the prediction of shear strength in reinforced concrete (RC) beam-to-column joints have been recently developed. Some of these predictive models are included in the most recent seismic codes and currently used in practical design. On the other hand, the influence of the stiffness and strength degradations in RC joints on the seismic performance of RC framed buildings has been only marginally studied, and it is generally neglected in practice-oriented seismic analysis. To investigate such influence, this paper proposes a numerical description for representing the cyclic response of RC exterior joints. This is then used in nonlinear numerical simulations of RC frames subjected to earthquake loading. According to the proposed strategy, RC joints are modelled using nonlinear rotational spring elements with strength and stiffness degradations and limited ductility under cyclic loading. The proposed joint model has been firstly calibrated against the results from experimental tests on 12 RC exterior joints. Subsequently, nonlinear static and dynamic analyses have been carried out on two-, three- and four-storey RC frames, which represent realistic existing structures designed according to old standards. The numerical results confirm that the global seismic response of the analysed RC frames is strongly affected by the hysteretic damage in the beam-to-column joints, which determines the failure mode of the frames. This highlights that neglecting the effects of joints damage may potentially lead to non-conservative seismic assessment of existing RC framed structures.
This paper presents the simplified but more rational analysis method for the prediction of additional internal forces induced in integral abutment bridges. These internal forces depend upon the degree of restraint provided tc the deck by the backfill soil adjacent to the abutments and piles. In addition, effect of the relative flexural stiffness ratio among pile foundations, abutment, and superstructure on the structural behavior is also an important factor. The first part of the paper develops the stiffness matrices, written in terms of the soil stiffness, for the lateral and rotational restraints provided by the backfill soil adjacent to the abutment. The finite difference analysis is conducted and it is confirmed that the results are agreed well with the predictions obtained by the proposed method. The simplified spring model is used in the parametric study on the behavior of simple span and multi-span continuous integral abutment PSC beam bridges in which the abutment height and the flexural rigidity of piles are varied. These results are compared with those obtained by loading Rankine passive earth pressure according to the conventional method. From the results of parametric study, it was shown that the abutment height, the relative flexural rigidity of superstructure and piles, and the earth pressure induced by temperature change greatly affect the overall structural response of the bridge system. It may be possible to obtain more rational and economical designs for integral abutment bridges by the proposed method.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.10
no.1
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pp.57-69
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1990
The static nonlinear analysis of offshore pipeline is carried out by the finite element method. The governing equilibrium equation are derived by the principle of minimum potential energy and the modified Newton-Raphson procedure is used to solve the system of nonlinear algebraic equation. Geometrically nonlinear beam elements and spring elements are utilized to model the pipeline, stinger, pipe supports and seabed simultaneously. The beam element developed can be used to model redundant structures. It provides for both the torsional deformation and elongation of pipeline, and permits the use of different physical properties in each principal direction. The validity of this method is investigated by comparing the results with these obtained by other methods.
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