The primary objective of this study is to examine the influence of geometry on the stability characteristics of cylindrical microstructures. This investigation entails a stability analysis of a bi-directional functionally graded (BD-FG) cylindrical imperfect concrete beam, focusing on the impact of geometry. Both the first-order shear deformation beam theory and the modified coupled stress theory are employed to explore the buckling and dynamic behaviors of the structure. The cylinder-shaped imperfect beam is constructed using a porosity-dependent functionally graded (FG) concrete material, wherein diverse porosity voids and material distributions are incorporated along the radial axis of the beam. The radius functions are considered in both uniform and nonuniform variations, reflecting their alterations along the length of the beam. The combination of these characteristics leads to the creation of BD-FG configurations. In order to enable the assessment of stability using energy principles, a numerical technique is utilized to formulate the equations for partial derivatives (PDEs).
This article presents strain gradient elasticity-based procedures for static bending, free vibration and buckling analyses of functionally graded rectangular micro-plates. The developed method allows consideration of smooth spatial variations of length scale parameters of strain gradient elasticity. Governing partial differential equations and boundary conditions are derived by following the variational approach and applying Hamilton's principle. Displacement field is expressed in a unified way to produce numerical results in accordance with Kirchhoff, Mindlin, and third order shear deformation theories. All material properties, including the length scale parameters, are assumed to be functions of the plate thickness coordinate in the derivations. Developed equations are solved numerically by means of differential quadrature method. Proposed procedures are verified through comparisons made to the results available in the literature for certain limiting cases. Further numerical results are provided to illustrate the effects of material and geometric parameters on bending, free vibrations, and buckling. The results generated by Kirchhoff and third order shear deformation theories are in very good agreement, whereas Mindlin plate theory slightly overestimates static deflection and underestimates natural frequency. A rise in the length scale parameter ratio, which identifies the degree of spatial variations, leads to a drop in dimensionless maximum deflection, and increases in dimensionless vibration frequency and buckling load. Size effect is shown to play a more significant role as the plate thickness becomes smaller compared to the length scale parameter. Numerical results indicate that consideration of length scale parameter variation is required for accurate modelling of graded rectangular micro-plates.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.14
no.10
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pp.4706-4712
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2013
One of the efficient procedures for the solution of partial differential equations is the method of differential quadrature. This method has been applied to a large number of cases to circumvent the difficulties of programming complex algorithms for the computer, as well as excessive use of storage due to conditions of complex geometry and loading. Under in-plane uniform distributed load, the buckling of asymmetric curved beam with varying cross section is analyzed by using differential quadrature method (DQM). Critical load due to diverse cross section variation and opening angle is calculated. Analysis result of DQM is compared with the result of exact analytic solution. As DQM is used with small grid points, exact analysis result is shown. New result according to diverse cross section variation is also suggested.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.8
no.3
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pp.45-51
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2008
A single layer-latticed dome is advantageous for large span structures because it is very stiff despite the light weight of the structure itself. However, this structure becomes easily unstable during erection due to its large size. The Block method is popular with the large span structures. A partial block of the dome is fabricated on the ground and lifted by crane to a designated location of structures. The lifting point selection is very important to create a stable erection and to avoid buckling of members during the erection. The purpose of this study is to analyze the structural behaviors and buckling characteristics according to the lifting point of single-layer latticed domes with triangle network in order to take materials about the safe and economic erection. The conclusions are obtained as follow. 1) The buckling strength of the block part varies with the location of lifting points when it is erected. In case, the height of the dome is lower, the effort of buckling strength of the structure is higher. 2) In buckling strength, the effect of the lifting rope length is smaller than it of the lifting points change.
The present paper deals with the effective slenderness ratio of telescopic cylinders as a long column having different cross sections. Firstly, the slenderness ratio defined in the current standard for the telescopic cylinders is discussed to point out some difficulties which arise when the ratio is applied to the column having different cross sections. Secondly, a new effective slenderness ratio is proposed for columns having different cross sections by introducing a partial effective slenderness ratio. Finally, the proposed slenderness ratio is applied, for extending and development of discussion, to a two-staged column having piece-wise constant cross sections and a cylindrical column having linearly varying diameters.
Rahman, Mahmudur;Okui, Yoshiaki;Anwer, Muhammad Atif
International journal of steel structures
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v.18
no.4
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pp.1397-1409
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2018
Stiffened plates with high slenderness parameters show large out-of-plane deflections, due to elastic buckling, which may occur before the plates reach their ultimate strength. From a serviceability point of view, restriction of out-of-plane deflections exceeding the fabrication tolerance is of primary importance. Compressive strength at the serviceability limit state (SLS) for slender stiffened plates under uniaxial stress was investigated through nonlinear elasto-plastic finite element analysis, considering both geometric and material nonlinearity. Both normal and high-performance steel were considered in the study. The SLS was defined based on a deflection limit and an elastic buckling strength. Probabilistic distributions of the SLS strengths were obtained through Monte Carlo simulations, in association with the response surface method. On the basis of the obtained statistical distributions, partial safety factors were proposed for SLS. Comparisons with the ultimate strength of different design codes e.g. Japanese Code, AASHTO, and Canadian Code indicate that AASHTO and Canadian Code provide significantly conservative design, while Japanese Code matches well with a 5% non-exceedance probability for compressive strength at SLS.
This study investigates the stability and performance of high-resistance badminton nets through the integration of reinforced lightweight materials. By focusing on the structural and economic impacts, the research aims to enhance both the durability and practicality of badminton nets in professional and recreational settings. Using a combination of advanced material engineering techniques and economic analysis, we explore the development of nets constructed from innovative composites. These composites offer improved resistance to environmental factors, such as weather conditions, while maintaining lightweight properties for ease of installation and use. The study employs high-order shear deformation theory and high-order nonlocal theory to assess the mechanical behavior and stability of the nets. Partial differential equations derived from energy-based methodologies are solved using the Generalized Differential Quadrature Method (GDQM), providing detailed insights into the thermal buckling characteristics and overall performance. The findings demonstrate significant improvements in net stability and longevity, highlighting the potential for broader applications in both the sports equipment industry and related economic sectors. By bridging the gap between material science and practical implementation, this research contributes to the advancement of high-performance sports equipment and supports the growth of the sport economy.
The previous studies reflected the significant effect of neutral-axis position and coupling of in-plane and out-of-plane displacements on behavior of functionally graded (FG) nanobeams. In thin FG beam, this coupling can be eliminated by a proper choice of the reference axis. In shear deformable FG nanobeam, not only this coupling can't be eliminated but also the position of neutral-axis is dependent on through-thickness distribution of shear strain. For the first time, in this paper it is avoided to guess a shear strain shape function and the exact shape function and consequently the exact position of neutral axis for arbitrary gradation of higher order nanobeam are obtained. This paper presents new methodology based on differential transform and collocation methods to solve coupled partial differential equations of motion without any simplifications. Using exact position of neutral axis and higher order beam kinematics as well as satisfying equilibrium equations and traction-free conditions without shear correction factor requirement yields to better results in comparison to the previously published results in literature. The classical rule of mixture and Mori-Tanaka homogenization scheme are considered. The Eringen's nonlocal continuum theory is applied to capture the small scale effects. For the first time, the dependency of exact position of neutral axis on length to thickness ratio is investigated. The effects of small scale, length to thickness ratio, Poisson's ratio, inhomogeneity of materials and various end conditions on vibration and buckling of local and nonlocal FG beams are investigated. Moreover, the effect of axial load on natural frequencies of the first modes is examined. After degeneration of the governing equations, the exact new formulas for homogeneous nanobeams are computed.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.19
no.7
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pp.265-274
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2018
The increasing use of curved beams in buildings, vehicles, ships, and aircraft has prompted studies directed toward the development of an accurate method for analyzing the dynamic behavior of such structures. The stability behavior of elastic curved beams has been the subject of a large number of investigations. Solutions of the relevant differential equations have been obtained traditionally using standard finite difference or finite element methods. These techniques require a great deal of computer time as the number of discrete nodes becomes relatively large under the conditions of complex geometry and loading. One of the efficient procedures for the solution of partial differential equations is the method of differential quadrature. The differential quadrature method (DQM) has been applied to a large number of cases to overcome the difficulties of the complex algorithms of programming for the computer, as well as the excessive use of storage due to the conditions of complex geometry and loading. The in-plane buckling of curved beams considering the extensibility of the arch axis was analyzed under uniformly distributed radial loads using the DQM. The critical loads were calculated for the member with various parameter ratios, boundary conditions, and opening angles. The results were compared with the precise results by other methods for cases, in which they were available. The DQM, using only a limited number of grid points, provided results that agreed very well (less than 0.3%) with the exact ones. New results according to diverse variations were obtained, showing the important roles in the buckling behavior of curved beams, and can be used in comparisons with other numerical solutions or with experimental test data.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.17
no.10
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pp.300-309
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2016
Curved beams are increasingly used in buildings, vehicles, ships, and aircraft, which has resulted in considerable effort towards developing an accurate method for analyzing the dynamic behavior of such structures. The stability behavior of elastic curved beams has been the subject of many investigations. Solutions to the relevant differential equations have traditionally been obtained by the standard finite difference or finite element methods. However, these techniques require a great deal of computer time for a large number of discrete nodes with conditions of complex geometry and loading. One efficient procedure for the solution of partial differential equations is the differential quadrature method (DQM). This method has been applied to many cases to overcome the difficulties of complex algorithms and high storage requirements for complex geometry and loading conditions. Out-of-plane buckling of curved beams with rotatory inertia were analyzed using DQM under uniformly distributed radial loads. Critical loads were calculated for the member with various parameter ratios, boundary conditions, and opening angles. The results were compared with exact results from other methods for available cases. The DQM used only a limited number of grid points and shows very good agreement with the exact results (less than 0.3% error). New results according to diverse variation are also suggested, which show important roles in the buckling behavior of curved beams and can be used for comparisons with other numerical solutions or experimental test data.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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