The main goal of this paper is to study vibration of damaged core laminated sectorial plates with Functionally graded (FG) face sheets based on three-dimensional theory of elasticity. The structures are made of a damaged isotropic core and two external face sheets. These skins are strengthened at the nanoscale level by randomly oriented Carbon nanotubes (CNTs) and are reinforced at the microscale stage by oriented straight fibers. These reinforcing phases are included in a polymer matrix and a three-phase approach based on the Eshelby-Mori-Tanaka scheme and on the Halpin-Tsai approach, which is developed to compute the overall mechanical properties of the composite material. Three complicated equations of motion for the sectorial plates under consideration are semi-analytically solved by using 2-D differential quadrature method. Using the 2-D differential quadrature method in the r- and z-directions, allows one to deal with sandwich annular sector plate with arbitrary thickness distribution of material properties and also to implement the effects of different boundary conditions of the structure efficiently and in an exact manner. The fast rate of convergence and accuracy of the method are investigated through the different solved examples. The sandwich annular sector plate is assumed to be simply supported in the radial edges while any arbitrary boundary conditions are applied to the other two circular edges including simply supported, clamped and free. Several parametric analyses are carried out to investigate the mechanical behavior of these multi-layered structures depending on the damage features, through-the-thickness distribution and boundary conditions.
A numerical method is presented to obtain the natural frequencies and mode shapes of the arbitrary tapered beams with static deflection due to arbitrary distributed dead loads. The differential equation governing free vibration of such beams is derived and solved numerically. The double integration method using the trapezoidal rule is used to solve the static behaviour of beams loaded arbitrary distributed dead load. Also, the Improved Euler method and the determinant search method are used to integrate the differential equation subjected to the boundary conditions and to determine the natural frequencies of the beams, respectively. In the numerical examples, the various geometries of the beams are considered : (1) linearly tapered beams as the arbitrary variable cross-section, (2) the triangular, sinusoidal and uniform loads as the arbitrary distributed dead loads and (3) the hinged-hinged, clamped-clamped and hinged-clamped ends as the end constraints. All numerical results are shown as the non-dimensional forms of the system parameters. The lowest three natural frequencies versus load parameter, slenderness ratio and section ratio are reported in figures. And for the comparison purpose, the typical mode shapes with and without the effects of static deflection are presented in the figure. According to the numerical results obtained in this analysis, the following conclusions may be drawn : (1) the natural frequencies increase when the effects of static deflections are included, (2) the effects are larger at the lower modes than the higher ones and (3) it should be betteF to include the effect of static deflection for calculating the frequencies when the beams are supported by both hinged ends or one hinged end.
Vibration investigation of fluid-filled three layered cylindrical shells is studied here. A cylindrical shell is immersed in a fluid which is a non-viscous one. Shell motion equations are framed first order shell theory due to Love. These equations are partial differential equations which are usually solved by approximate technique. Robust and efficient techniques are favored to get precise results. Employment of the wave propagation approach procedure gives birth to the shell frequency equation. Use of acoustic wave equation is done to incorporate the sound pressure produced in a fluid. Hankel's functions of second kind designate the fluid influence. Mathematically the integral form of the Lagrange energy functional is converted into a set of three partial differential equations. It is also exhibited that the effect of frequencies is investigated by varying the different layers with constituent material. The coupled frequencies changes with these layers according to the material formation of fluid-filled FG-CSs. Throughout the computation, it is observed that the frequency behavior for the boundary conditions follow as; clamped-clamped (C-C), simply supported-simply supported (SS-SS) frequency curves are higher than that of clamped-simply (C-S) curves. Expressions for modal displacement functions, the three unknown functions are supposed in such way that the axial, circumferential and time variables are separated by the product method. Computer software MATLAB codes are used to solve the frequency equation for extracting vibrations of fluid-filled.
In this research, the effects of fiber stacking sequence on damage behaviors of FML(Fiber Metal Laminates) subject to indentation loading. SOP (Singly Oriented Ply) FML and angle ply FML were fabricated to study fiber orientation effects and angle ply effects. FML were fabricated by using 1050 aluminum laminate and carbon/epoxy prepreg. To increase adhesive bonding strength, Al laminate was etched using FPL methods. The static indentation test were conducted by using UTM under the 2side clamped conditions. During the tests, load and displacement curve and crack initiation and propagation behaviors were investigated. As fiber orientation angle increases, the crack initiation load of SOP FML increases because the stiffness induced by fiber orientation is increased. The penetration load of SOP FML is influenced by the deformation tendency and boundary conditions. However, the macro-crack of angle ply FML was initiated by fiber breakage of lower ply because angle plies in Angle ply FML prevents the crack growth and consolidation. The Angle ply FML has a critical cross-angle which prevent crack growth and consolidation. Damage behavior of Angle ply FML is changed around the critical cross-angle.
이 연구는 이방성 평판의 휨 해석을 위한 지배방정식을 유도하고 다양한 경계조건을 갖는 평판의 정확한 풀이과정을 제시하였다. 이 해법은 삼각급수를 이용하여 미분 방정식을 대수학적 방정식으로 변환시키는 전통적인 Navier와 Levy의 방법을 따랐다. Levy의 방법을 이용해 해를 구하려면 평판의 마주보는 두 끝단이 단순지지단인 경우에만 가능하다. Navier의 방법은 사각평판의 네 끝단이 모두 단순지지단 이어야 한다. 본 연구는 Navier와 Levy해법이 갖는 경계조건 한계를 극복하였다. 이 해법은 평판 네 끝단의 경계조건이 단순지지단과 고정단의 어떤 조합이라도 적용될 수 있다. 하중조건도 분포하중, 부분하중 그리고 선하중에 대해 적용할 수 있다. 이 해법의 장점은 Navier와 Levy해법이 갖는 경계조건 한계를 극복하였을 뿐만 아니라 정확한 해를 구할 수 있다. 비대칭 경계조건을 갖는 이방성평판에 대하여 이 해법을 이용한 계산결과를 나타냈다. 또한 Navier해법과 Levy해법 그리고 Szilard의 계산결과와 비교를 보여주었는데 계산된 처짐량이 잘 일치한다.
Dong, Jianghui;Ma, Xing;Zhuge, Yan;Mills, Julie E.
Steel and Composite Structures
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제29권3호
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pp.333-348
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2018
An analytical method is developed for analysing the contact buckling response of infinitely long, thin corrugated plates and flat plates restrained by a Winkler tensionless foundation and subjected to linearly varying in-plane loadings, where the corrugated plates are modelled as orthotropic plates and the flat plates are modelled as isotropic plates. The critical step in the presented method is the explicit expression for the lateral buckling mode function, which is derived through using the energy method. Simply supported and clamped edges conditions on the unloaded edges are considered in this study. The acquired lateral deflection function is applied to the governing buckling equations to eliminate the lateral variable. Considering the boundary conditions and continuity conditions at the border line between the contact and non-contact zones, the buckling coefficients and the corresponding buckling modes are found. The analytical solution to the buckling coefficients is also expressed through a fitted approximate formula in terms of foundation stiffness, which is verified through previous studies and finite element (FE) method.
In this work, a new approach is developed for dynamic analysis of a composite beam with an interply crack, based on finite element solution of partial differential equations with the use of the COMSOL Multiphysics package, allowing for fast and simple change of geometric characteristics of the delaminated area. The use of COMSOL Multiphysics package facilitates automatic mesh generation, which is needed if the problem has to be solved many times with different crack lengths. In the model, a physically impossible interpenetration of the crack faces is prevented by imposing a special constraint, leading to taking account of a force of contact interaction of the crack faces and to nonlinearity of the formulated boundary value problem. The model is based on the first order shear deformation theory, i.e., the longitudinal displacement is assumed to vary linearly through the beam's thickness. The shear deformation and rotary inertia terms are included into the formulation, to achieve better accuracy. Nonlinear partial differential equations of motion with boundary conditions are developed and written in the format acceptable by the COMSOL Multiphysics package. An example problem of a clamped-free beam with a piezoelectric actuator is considered, and its finite element solution is obtained. A noticeable difference of forced vibrations of the delaminated and undelaminated beams due to the contact interaction of the crack's faces is predicted by the developed model.
This paper is concerned with the experimental investigation of transverse vibration characteristics in water of rectangular plates having an inner free cutout. Systematic experiments are carried out to investigate effects of the surrounding water on the added mass and the natural frequency of the plates due to the changes of the aspect ratio, hole size and eccentricity. The main subject is the clamped rectangular plate with a circular hole. For the purpose of comparative evaluations, some other common-type boundary conditions and hole shapes such as ellipses and rectangles are also investigated. Some of the results obtain are as follows; 1) For each given aspect ratio of the plate, there is a hole area ratio which gives a minimum value of the nondimensional frequency parameter for each mode. The hole area ratio increases as the order number of the mode increases. 2) The nondimensinal mass-increment parameter decreases as the aspect ration or the order number of the mode increases. For each given aspect ratio, the parameter the fundamental mode decreases monotonically as the hole area ratio increase. In cases of the second and higher order modes, however, each mode has a hole area ratio which gives a maximum value of the parameter for each aspect ratio more then 2/3. 3) Comparing elliptic holes with rectangular ones with same hole area ratio, nondimensional frequency parameters are almost same for each given ratio of the shorter axises to the longer one. 4) The influences of difference in boundary condion on nondimensional frequency parameters in water are similar to those in air.
This paper deals with a hydroelastic vibration analysis of two rectangular plates partially coupled with a liquid, which is bounded by two plates and two rigid side walls. The wet displacement of each plate is assumed to be a combination of the modal functions of a dry uniform beam with a clamped boundary condition. As the liquid is assumed to be an ideal liquid, the displacement potential satisfying the Laplace equation is determined so that the liquid boundary conditions can meet the requirements at the rigid surfaces and the free liquid surface. The wet dynamic modal functions of each plate are expanded by using the finite Fourier transform to obtain an appropriate form of the compatibility requirement along the contacting surfaces between the plates and the liquid. The liquid-coupled natural frequencies of the plates are derived by using the Rayleigh-Ritz method. Finite element analyses using commercial software are carried out to verify the proposed theory. It is observed that the theoretical method agrees excellently with the three-dimensional finite element analyses results. The effects of the liquid depth and the liquid thickness on the normalized natural frequencies are investigated to identify the dynamic characteristics of the liquid coupled system.
In this study, free vibration analysis of double through-the-width split beam is studied based on the author's earlier work. Each segment which constructs double through-the-width split beam is considered as Timoshenko beam. The effect of coupling between longitudinal and transverse vibration on the natural frequencies of split beams is considered. Data acquisition and modal test of double split beam for clamped-free boundary condition are carried out. Experimental and numerical results obtained by ANSYS were compared with the calculated data by present theory and their comparisons give good agreement with one another. The influences of the size and location of double split, shear deformation, and boundary conditions on the natural frequencies are demonstrated for illustrative purpose. Effects of double split on the dynamic characteristics of beams can be used to detect the size and the location of damages in structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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