In-plane and out-of-plane free vibration analysis of Timoshenko curved beams is addressed based on the isogeometric method, and an effective scheme to avoid numerical locking in both of the two patterns is proposed in this paper. The isogeometric computational model takes into account the effects of shear deformation, rotary inertia and axis extensibility of curved beams, and is applicable for uniform circular beams, and more complicated variable curvature and cross-section beams as illustrated by numerical examples. Meanwhile, it is shown that, the $C^{p-1}$-continuous NURBS elements remarkably have higher accuracy than the finite elements with the same number of degrees of freedom. Nevertheless, for in-plane or out-of-plane vibration analysis of Timoshenko curved beams, the NURBS-based isogeometric method also exhibits locking effect to some extent. To eliminate numerical locking, the selective reduced one-point integration and $\bar{B}$ projection element based on stiffness ratio is devised to achieve locking free analysis for in-plane and out-of-plane models, respectively. The suggested integral schemes for moderately slender models obtain accurate results in both dominated and non-dominated regions of locking effect. Moreover, this strategy is effective for beam structures with different slenderness. Finally, the influence factors of structural parameters of curved beams on their natural frequency are scrutinized.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2001.10a
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pp.74-78
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2001
In this study, out-of-plane properties and CTEs were predicted for 8-harness satin weave textile composites. The properties were calculated by unit cell analysis for configurations with varied waviness ratio and phase shifts. Macro elements were employed to reduce the computer resource requirement. It was found that the out-of-plane properties and CTEs were varied as the phase shift changed. However the dependency was much weaker than the in-plane properties.
This paper presents theoretical solutions for the three-dimensional (3D) stress field in an infinite isotropic elastic plate containing a through-the-thickness circular hole subjected to far-field in-plane loads by using Kane and Mindlin's assumption. The dangerous position, where the premature fracture or failure of the plate will take place, the expressions of the tangential stress at the surface of the hole and the out-of-plane stress constraint factor are found in a concise, explicit form. Based on the present theoretical solutions, a comprehensive analysis is performed on the deviated degree of the in-plane stresses from the related plane stress solutions, stress concentration and out-of-plane constraint, and the emphasis has been placed on the effects of the plate thickness, Poisson's ratio and the far-field in-plane loads on the stress field. The analytical solution shows that the effects of the plate thickness and Poisson's ratio on the deviation of the 3D in-plane stress components is obvious and could not be ignored, although their effects on distributions of the in-plane stress components are slight, and that the effect of the far-field in-plane loads is just on the contrary of that of the above two. When only the shear stress is loaded at far field, the stress concentration factor reach its peak value about 8.9% higher than that of the plane stress solutions, and the out-of-plane stress constraint factor can reach 1 at the surface of the hole and is the biggest among all cases considered.
A graphene electrode with a novel in-plane structure is proposed and successfully adopted for use in supercapacitor applications. The in-plane structure allows electrolyte ions to interact with all the graphene layers in the electrode, thereby maximizing the utilization of the electrochemical surface area. This novel structure contrasts with the conventional out-of-plane stacked structure of such supercapacitors. We herein compare the volumetric capacitances of in-plane- and out-of-plane-structured devices with reduced multi-layer graphene oxide films as electrodes. The in-plane-structured device exhibits a capacitance 2.5 times higher (i.e., $327F\;cm^{-3}$) than that of the out-of-plane-structured device, in addition to an energy density of $11.4mWh\;cm^{-3}$, which is higher than that of lithium-ion thin-film batteries and is the highest among in-plane-structured ultra-small graphene-based supercapacitors reported to date. Therefore, this study demonstrates the potential of in-plane-structured supercapacitors with high volumetric performances as ultra-small energy storage devices.
Recently we formulated a 2D hybrid stress element from the 3D Hellinger-Reissner principle for the analysis of thick bodies that are symmetric to the thickness direction. Polynomials have typically been used for all the displacement and stress fields. Although the element predicted the dominant stress and all displacement fields accurately, its prediction of the out-of-plane shear stresses was affected by the very high order terms used in the polynomials. This paper describes an improved formulation of the 2D element using Fourier series expansion for the out-of-plane displacement and stress fields. Numerical results illustrate that its predictions have markedly improved.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2002.10a
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pp.3-10
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2002
Recently, arches are used structurally because of their high in-plane stiffness and strength, which result from their ability to transmit most of the applied loading by axial forces actions, so that the bending actions are reduced. On the other hand, the resistances of arches to (out-of-plane,) flexural-torsional behavior depend on the rigidities EI/sub y/, for lateral bending, GJ for Uniform torsion, and EI/sub w/ for warping torsion which are related to axial stress for flexural-torsional behavior. The resistance of an arch to out-of-plane behavior may be reduced by its in-plane curvature, and so it may require significant lateral bracing. Thus. it is supposed that In-plane preloading which cause an axial stress, have an effect on out-of-plane free vibration behavior of arches. Because axial stresses caused increase or decrease out-of-plane stiffness. But study about this substance is insufficient. In this thesis, We will study an effect of preloading on lateral free vibration of arches, using finite element method based on Kang and Yoo's curved beam theory (about curved beam element have 7 degree of freedom including warping) with FORTRAN programming.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.15
no.3
s.96
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pp.259-265
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2005
A two-degree-of-freedom out-of-plane model with contact stiffness is presented to describe dynamical interaction between the pad and disc of a disc brake system. It is assumed that the out-of-plane motion of the system depends on the friction force acting along the in-plane direction. Dynamic friction coefficient is modelled as a function of both in-plane relative velocity and out-of-plane normal force. When the friction coefficient depends only on the relative velocity, the contact stiffness has the role of negative stiffness. The results of stability analysis show that the stiffness of both pad and disc is equally important. Complex eigen value analysis is conducted for the case that the friction coefficient is also dependent on the normal force. The results further verify the importance of the stiffness. It has also been found that increasing the gradient of friction coefficient with respect to the normal force makes the system more unstable.
Out of plane behaviors of walls and infills are investigated in this paper, using rigid block concepts. Walls and infills are sometimes separated from top beams because of in plane movement of the walls and crumbling mortar layers under the top beams. Therefore, sufficient strength should be supplied to hold them against out of plane forces. Such walls are studied here under some real and scaled earthquakes, regarding their out of plane behavior. Influences of some reinforcements, connecting the walls to frames or perpendicular walls, are also studied. It is shown that unreinforced walls of regular sizes (3 m high and 4.5 m long) are normally unstable in the earthquakes. However, performing some reinforced bars that connect them to adjacent elements- frames or perpendicular walls - stabilizes them. Eventually, it is concluded that supplying 3 reinforced bars at 1/4, 2/4 and 3/4 of the panel's height stabilizes the walls in the assumed earthquakes. In this regard, for 20 cm and 35 cm thick walls ${\Phi}$18mm and ${\Phi}$20mm bars are to be used, respectively. For walls with other configurations, the forces and required areas of the reinforcements can be determined by the developed method of this paper.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2004.05a
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pp.468-473
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2004
The objective of this paper is to analyze the characteristics of wave transmission through various junctions in coupled beams. The in-plane vibration as veil as the out-of-plane vibration are generated due to the wave conversion at the junctions in the coupled beams. The out-of-plane vibration is associated with propagation of out-of-plane waves (flexural waves). The in-plane vibration is associated with propagation of in-plane waves (longitudinal and torsional waves). In order to effectively reduce vibration and structure-borne noise, it is necessary to understand the characteristics of wave conversion at various junctions in the coupled structures. The numerical results in this paper have showed the characteristics of wave transmission through various junctions in coupled beams. Those could be helpful to designer to develop the idea to reduce vibration and structure-borne noise.
We set up a four-wave holographic interferometer using a symmetric dual-beam illumination which is to measure in-plane and out-of-plane displacement simultaneously. In order to acquire the displacement phase map we applied the phase-shifting method and removed the noise of the phase map with least-squares fitting. In this approach the access to information relative to both the difference and sum of phases existing in the two arms of four-wave holographic interferometer was allowed. As a result, in-plane and out-of-plane displacement was measured to the accuracy of λ/40 and λ/100, respectively at λ=632.8nm
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[게시일 2004년 10월 1일]
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