The present study aims to investigate the ultimate strength and geometric nonlinear behavior of composite plates containing initial imperfection subjected to combined end-shortening strain and lateral pressure loading by using a semi-analytical method. In this study, the first order shear deformation plate theory is considered with the assumption of large deflections. Regarding in-plane boundary conditions, two adjacent edges of the laminates are completely held while the two others can move straightly. The formulations are based on the concept of the principle of minimum potential energy and Newton-Raphson technique is employed to solve the nonlinear set of algebraic equations. In addition, Hashin failure criteria are selected to predict the failures. Further, two distinct models are assumed to reduce the mechanical properties of the failure location, complete ply degradation model, and ply region degradation model. Degrading the material properties is assumed to be instantaneous. Finally, laminates having a wide range of thicknesses and initial geometric imperfections with different intensities of pressure load are analyzed and discuss how the ultimate strength of the plates changes.
Due to the fact that the mechanism of the effects of temperature and initial geometric imperfection on low-velocity impact problem of axially moving plates is not yet clear, the present paper is to fill the gap. In the present paper, the nonlinear dynamic behavior of axially moving imperfect graphene platelet reinforced metal foams (GPLRMF) plates subjected to lowvelocity impact in thermal environment is analyzed. The equivalent physical parameters of GPLRMF plates are estimated based on the Halpin-Tsai equation and the mixing rule. Combining Kirchhoff plate theory and the modified nonlinear Hertz contact theory, the nonlinear governing equations of GPLRMF plates are derived. Under the condition of simply supported boundary, the nonlinear control equation is discretized with the help of Gallekin method. The correctness of the proposed model is verified by comparison with the existing results. Finally, the time history curves of contact force and transverse center displacement are obtained by using the fourth order Runge-Kutta method. Through detailed parameter research, the effects of graphene platelet (GPL) distribution mode, foam distribution mode, GPL weight fraction, foam coefficient, axial moving speed, prestressing force, temperature changes, damping coefficient, initial geometric defect, radius and initial velocity of the impactor on the nonlinear impact problem are explored. The results indicate that temperature changes and initial geometric imperfections have significant impacts.
This paper investigates the free vibration of geometrically imperfect functionally graded car-bon nanotube-reinforced composite (FG-CNTRC) beams that are integrated with two sur-face-bonded piezoelectric layers and subjected to a combined action of a uniform temperature rise, a constant actuator voltage and an in-plane force. The material properties of FG-CNTRCs are assumed to be temperature-dependent and vary continuously across the thick-ness. A generic imperfection function is employed to simulate various possible imperfections with different shapes and locations in the beam. The governing equations that account for the influence of initial geometric imperfection are derived based on the first-order shear deformation theory. The postbuckling configurations of FG-CNTRC hybrid beams are determined by the differential quadrature method combined with the modified Newton-Raphson technique, after which the fundamental frequencies of hybrid beams in the postbuckled state are obtained by a standard eigenvalue algorithm. The effects of CNT distribution pattern and volume fraction, geometric imperfection, thermo-electro-mechanical load, as well as boundary condition are examined in detail through parametric studies. The results show that the fundamental frequency of an imperfect beam is higher than that of its perfect counterpart. The influence of geometric imperfection tends to be much more pronounced around the critical buckling temperature.
In this paper a nonlinear finite element analysis model is established for cold-formed steel zed-section purlins subjected to uplift loading. In the model, the lateral and rotational restraints provided by the sheeting to the purlin are simplified as a lateral rigid restraint imposed at the upper flange-web junction and a rotational spring restraint applied at the mid of the upper flange where the sheeting is fixed. The analyses are performed by considering both geometrical and material nonlinearities. The influences of the rotational spring stiffness and initial geometrical imperfections on the uplift loading capacity of the purlin are investigated numerically. It is found that the rotational spring stiffness has significant influence on the purlin performance. However, the influence of the initial geometric imperfections on the purlin performance is found only in purlins of medium or long length with no or low rotational spring stiffness.
Gordini, Mehrdad;Habibi, Mohammad Reza;Sheidaii, Mohammad Reza;Tahamouliroudsari, Mehrzad
Advances in Computational Design
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v.2
no.2
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pp.133-146
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2017
This study aimed to investigate the effect of initial member length an imperfection in the load carrying capacity of double-layer domes space structures. First, for the member length imperfection of each member, a random number is generated from a normal distribution. Thereupon, the amount of the imperfection randomly varies from one member to another. Afterwards, based on the Push Down analysis, the collapse behavior and the ultimate capacity of the considered structure is determined using nonlinear analysis performed by the OpenSees software and this procedure is repeated numerous times by Monte Carlo simulation method. Finally, the reliability of structures is determined. The results show that the collapse behavior of double-layer domes space structures is highly sensitive to the random distribution of initial imperfections.
In this paper the ultimate strength of the R/C cooling towers, which have initial imperfection and pre-cracked elements, is analyzed. The initial geometric imperfections arise from the unavoidable inaccuracies under the construction and the pre-cracks are assumed to be produced by the temperature stress gradients or cyclic loading under wind pressure and/or earthquake load. Both effects are strongly influenced on the strength of the R/C cooling tower shell structures. The reinforcing ratio is also the important factor to evaluate the ultimate strength of the R/C cooling tower shells. However we could not analyze these structures experimentally because of their large, analyses are the powerful schemes to evaluate the safety and reliability of these structures. The analyzed model is Port Gibson cooling tower shell. In the numerical analysis the geometric and material nonlinearities are taken into account.
An investigation is made in the present work on the post-buckling and geometrically nonlinear behaviors of moderately thick perfect and imperfect rectangular plates made-up of functionally graded materials. Spectral collocation approach based on Legendre basis functions is developed to analyze the functionally graded plates while they are subjected to end-shortening strain. The material properties in this study are varied through the thickness according to the simple power law distribution. The fundamental equations for moderately thick rectangular plates are derived using first order shear deformation plate theory and taking into account both geometric nonlinearity and initial geometric imperfections. In the current study, the domain of interest is discretized with Legendre-Gauss-Lobatto nodes. The equilibrium equations will be obtained by discretizing the Von-Karman's equilibrium equations and also boundary conditions with finite Legendre basis functions that are substituted into the displacement fields. Due to effect of geometric nonlinearity, the final set of equilibrium equations is nonlinear and therefore the quadratic extrapolation technique is used to solve them. Since the number of equations in this approach will always be more than the number of unknown coefficients, the least squares technique will be used. Finally, the effects of boundary conditions, initial geometric imperfection and material properties are investigated and discussed to demonstrate the validity and capability of proposed method.
This paper presents results of a non-linear finite element analysis of axially loaded slender hollow structural section (HSS) columns, strengthened using high modulus carbon-fiber reinforced polymer (CFRP) longitudinal sheets. The model was developed and verified against both experimental and other analytical models. Both geometric and material nonlinearities, which are attributed to the column's initial imperfection and plasticity of steel, respectively, are accounted for. Residual stresses have also been modeled. The axial strength in the experimental study was found to be highly dependent on the column's imperfection. Consequently, no specific correlation was established experimentally between strength gain and amount of CFRP. The model predicted the ultimate loads and failure modes quite reasonably and was used to isolate the effects of CFRP strengthening from the columns' imperfections. It was then used in a parametric study to examine columns of different slenderness ratios, imperfections, number of CFRP layers, and level of residual stresses. The study demonstrated the effectiveness of high modulus CFRP in increasing stiffness and strength of slender columns. While the columns' imperfections affect their actual strengths before and after strengthening,the percentage gain in strength is highly dependent on slenderness ratio and CFRP reinforcement ratio, rather than the value of imperfection.
This paper presents a finite element (FE) model for predicting the behaviour of steel column-column connections under axial compression and tension. A robustness approach is utilised for the design of steel column-column connections. The FE models take into account for the effects of initial geometric imperfections, material nonlinearities and geometric nonlinearities. The accuracy of the FE models is examined by comparing the predicted results with independent experimental results. It is demonstrated that the FE models accurately predict the ultimate axial strengths and load-deflection curves for steel column-column connections. A parametric study is carried out to investigate the effects of slenderness ratio, contact surface imperfection, thickness of cover-plates, end-plate thickness and bolt position. The buckling strengths of steel column-column connections with contact surface imperfections are compared with design strengths obtained from Australian Standards AS4100 (1998) and Eurocode 3 (2005). It is found that the column connections with maximum allowable imperfections satisfy the design requirements. Furthermore, the steel column-column connections analysed in this paper can be dismantled and reused safely under typical service loads which are usually less than 40% of ultimate axial strengths. The results indicate that steel column-column connections can be demounted at 50% of the ultimate axial load which is greater than typical service load.
In this study, the dynamic instabilities of a nonlinear elastic system subjected to follower forces are investigated. The two-degree-of-freedom double pendulum model with nonlinear geometry, cubic spring, and linear viscous damping is used for the study. The constant, the initial impact forces acting at the end of the model are considered. The chaotic nature of the system is identified using the standard methods, such as time histories, power density spectrum, and Poincare maps. The responses are chaotic and unpredictable due to the sensitivity to initial conditions. The sensitivities to parameters, such as geometric initial imperfections, magnitude of follower force, direction control constant, and viscous damping, etc., are analysed. Dynamic buckling loads are computed for various parameters, where the loads are changed drastically for the small change of parameters.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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