In this paper, unified nonlocal shear deformation theory is proposed to study bending, buckling and free vibration of nanobeams. This theory is based on the assumption that the in-plane and transverse displacements consist of bending and shear components in which the bending components do not contribute toward shear forces and, likewise, the shear components do not contribute toward bending moments. In addition, this present model is capable of capturing both small scale effect and transverse shear deformation effects of nanobeams, and does not require shear correction factors. The equations of motion are derived from Hamilton's principle. Analytical solutions for the deflection, buckling load, and natural frequency are presented for a simply supported nanobeam, and the obtained results are compared with those predicted by the nonlocal Timoshenko beam theory and Reddy beam theories.
The surface region of a sheet metal may have different characteristics from the inner region because the surface region is less restricted than the interior. In addition, the grains on the free surface are less hardened because of surface adsorption of the dislocations, rather than piling up. In the case of bulk or thick sheet metals, this effect is negligible because the fraction of the surface region is much smaller than that of the inner region. However, this surface effect is important in the case of ultra-thin sheet metals. In order to evaluate the surface effect, tensile and bending tests were performed for the SS304 stainless steel with a thickness of 0.39 mm. The bending force predicted using the tensile behavior is higher than the measurement because of the surface effect. To account for the surface effect, the surface layer model was developed by dividing the sheet section into surface and inner layers. The mechanical behaviors of the two regions were calibrated using the tensile and bending properties. The surface layer model reproduced the bending behavior of the ultra-thin sheet metal.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.36
no.10
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pp.1227-1234
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2012
In this study, fatigue tests were carried out using real-scale pipe bend specimens with wall-thinning defects under a cyclic bending load together with a constant internal pressure of 10 MPa. The wall-thinning defect was located at the extrados and the intrados of the pipe bend specimens. A fully reversed cyclic in-plane bending displacement was applied to the specimens. For the pipe bends with wall thinning at the extrados, an axial crack occurred at the crown of the pipe bend rather than at the extrados where the defect was located. In addition, the fatigue life was longer than that of a sound pipe bend predicted from the design fatigue curve in ASME Sec.III, and it was less dependent on the axial length of the wall-thinning defect. For the pipe bends with wall thinning at the intrados, a circumferential crack occurred at the intrados. In this case, the fatigue life was much shorter than that of a sound pipe bend predicted from the design fatigue curve, and it clearly decreased with decreasing axial length of the wall-thinning defect.
This study conducts numerical modeling and eigen-analysis of a rod-fastened rotor, which is mainly used in aircraft gas turbine engines in which multiple disks are in contact through curvic coupling. Nayak's theory is adopted to calculate surface parameters measured from the tooth profile of the curvic coupling gear. Surface parameters are important design parameters for predicting the stiffness between contact surfaces. Based on the calculated surface parameters, elastoplastic contact analysis is performed according to the interference between two surfaces based on the Greenwood-Williamson model. The equivalent bending stiffness is predicted based on the shape and elastoplastic contact stiffness of the curvic coupling. An equation of motion of the rod-fastened rotor, including the bending stiffness of the curvic coupling, is developed. Methods for applying the bending stiffness of a curvic coupling to the equation of motion and for modeling the equation of motion of a rotor that includes both inner and outer rotors are introduced. Rotordynamic analysis is performed through one-dimensional finite element analysis, and each element is modeled based on Timoshenko beam theory. Changes in bending stiffness and the resultant critical speed change in accordance with the rod fastening force are predicted, and the corresponding mode shapes are analyzed.
Steel suspension members subjected to tension and bending offer an economical and efficient alternative for many structural problems. This paper is concerned with the elastic and elastic-plastic behaviour of suspension members with bending stiffness subjected to vertical point and uniformly distributed loads. An experimental study is described which focuses on the response of three suspension members with various T-shaped steel hot rolled sections and geometric configurations. The tests enable direct assessment of the influence of a key parameter such as the sag-to-span ratio on the response of suspension members. Detailed nonlinear finite-element models are generated to provide a tool for theoretical analyses and to facilitate further understanding of the behaviour. Results demonstrate that experimentally obtained responses can generally be closely predicted numerically because there are relatively good agreements between finite element and tests results. The results and observations of subsequent numerical parametric studies offer an insight into the key factors that govern the behaviour of suspension members with bending stiffness in the elastic-plastic range.
Bang, Jin Wook;Lee, Bang Yeon;Lee, Byung Jae;Hyun, Jung Hwan;Kim, Yun Yong
Structural Engineering and Mechanics
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v.52
no.4
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pp.843-855
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2014
Concrete infill and reinforcement are one of the most well-known strengthening methods of structural elements. This study investigated flexural performance of concrete infill composite PHC pile (ICP pile) reinforced by infill concrete and longitudinal rebars in hollow PHC pile. A total four series of pile specimens were tested by four points bending method under simply supported conditions and investigated bending moment experimentally and analytically. From the test results, it was found that although reinforcement of infilled concrete on the pure bending moment of PHC pile was negligible, reinforcement of PHC pile using infilled concrete and longitudinal rebars increase the maximum bending moment with range from 1.95 to 2.31 times than that of conventional PHC pile. The error of bending moment between experimental results and predicted results by nonlinear sectional analysis on the basis of the conventional layered sectional approach was in the range of -2.54 % to 2.80 %. The axial compression and moment interaction analysis for ICP piles shows more significant strengthening effects of infilled concrete and longitudinal rebars.
Finite element analyses are carried out to understand the piezoelectric behaviors of ZnO nanowires. Three different types of ZnO nanowires, with aspect ratios of 1:2. 1:31, and 1:57, are analyzed for uniaxial compression, pure bending, and buckling. Under the uniaxial compression with a strain of $1.0{\times}10^{-4}$ as the reference state, it is predicted that all three types of nanowires develop the same magnitude of the piezoelectric fields, which suggests that longer nanowires exhibit higher piezoelectric potential. However, this prediction is not in agreement with the experimental results previously reported in the literature. Such discrepancy is understood when the piezoelectric behaviors under bending and buckling are considered. When only the strain field due to bending is present in bending or buckling, the antisymmetric nature of the through-thickness stain distribution indicates that two piezoelectric fields, the same in magnitude and opposite in sign, develop along the thickness direction, which cancels each other out, resulting in a zero net piezoelectric field. Once additional strain contribution due to axial deformation is superposed on the bending, such field cancelling is compensated for due to the axial component of the piezoelectric field. Such numerical predictions seem to explain the reported experimental results while providing a guideline for the design of nanowire-based piezoelectric devices.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.10
no.4
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pp.152-162
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1993
The purpose of this study is to investigate problems of residual bending strength and the impact damage experimentally when CFRP composite laminates are subjected to Foreign object damage. The specimens composed of four types of CR/EPOXY and a CF/PEEK composite laminates which involved difference of fiber stracking orientation and matrics. The result were summariged as follows : 1) It is found that both orthotropic and guasi-isotropic composite laminates are increasimg lineally between impact energy and damage delamination area. 2) Delamination devel- opment energy(mm$^{2}$J) OF cf/epoxy composite aminates is less than that of CF/PEEK. 3) When impact energy is applied to specimens within 3J, the residual strength of orthotropic is greater than guasi-isotropic composite laminates. On the other hand, it is predicted that residual bending strength of orthotropic composite laminates is less than that of quasi-isotropic when impact energy is more thaen 3J. 4) It is found in CF/PEEK that for the impact side compression, residual of bending strength versus impact energy is almost constant, while in case of impact side tension, residual bending strength is decreased rapidly near 1.2J. of impact energy due to the effect of delamination buckling.
Nasam S. Khater;Mahmoud H. El-Boghdadi;Nashwa M. Yossef
Steel and Composite Structures
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v.51
no.3
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pp.225-241
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2024
For several reasons, cold-formed steel (CFS) beams are often manufactured with holes. Nevertheless, because of holes, the reduction in the web area causes a decrease in the bending strength. Edge stiffeners are presently added around the holes to improve the bending strength of flexural members. Therefore, this research studies CFSZ-beams with stiffened holes and investigates how edge stiffener affects bending strength and failure modes. Nonlinear analysis was carried out using ABAQUS software and the developed finite element (FE) model was verified against tests from previous studies. Using the verified FE model, a parametric study of 104 FE models was conducted to investigate the influence of key parameters on bending strength of Z- sections. The results indicated that the effect of holes is less noticeable in very thin Z-sections. Moreover, adding edge stiffeners around the holes improves the flexural capacity of Z-beams and sometimes restores the original bending capacity. Because the computational techniques used to solve the CFS buckling mode with stiffened holes are still unclear, a numerical method using constrained and unconstrained finite strip method (CUFSM) software was proposed to predict the elastic distortional buckling moment for a wide variety of CFSZ-sections with stiffened holes. A numerical method with two procedures was applied and validated. Upon comparison, the numerical method accurately predicted the distortional buckling moment of CFS Z-sections with stiffened holes.
Aging has been recognized as the primary cause of disc degeneration. A biomechanical characteristics of disc degeneration has been demonstrated that intradiscal pressure is reduced. With the increasing population of elderly people, disc degeneration and associated problems of nerve entrapment are becoming more prevalent. Presently, research on reduced intradiscal pressure associated with degeneration is insufficient. In this study. we used the Finite Element Method (FEM) of computerized simulations to investigate the effects of variation in intradiscal pressure on mechanical behaviours of L4-5 intervertebral disc degeneration. Degeneration was classified using four grades based on initial intradiscal pressure; Normal (135 kPa), mild(107 kPa), moderate (47 kPa) and severe (15 kPa). The predicted results f3r bending loads were as follows; 1 . Range of motion increased progressively with severity of degeneration with flexion and lateral bending moments, but decreased with extension moments. 2. Discal bulging of posterolateral aspect was larger in lateral bending and extension moment. But bulging was increased with severity of degeneration in lateral bending and torsion(same side).3. The rate of increasing intradiscal pressure was decreased in all bending motions with severity of degeneration. In conclusion, lateral bending and extension moment yield greatest bulging in severe degeneration. In torsion, although bending load produces disc bulging, disc bulging was associated more strongly with severity of degeneration than increasing torsional moments. Clinical Implications: Discal bulging may produce nerve root impingement and irritation. The effect of loading and posture on the varying degrees of disc degeneration has important implications especially in the elderly. In the presence of disc degeneration, avoidance of end range postures, especially extension and lateral bending may help reduce discal bulging and in turn, nerve entrapment.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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