Vibration analysis of embedded functionally graded (FG)-carbon nanotubes (CNT)-reinforced piezoelectric cylindrical shell subjected to uniform and non-uniform temperature distributions are presented. The structure is subjected to an applied voltage in thickness direction which operates in control of vibration behavior of system. The CNT reinforcement is either uniformly distributed or functionally graded (FG) along the thickness direction indicated with FGV, FGO and FGX. Effective properties of nano-composite structure are estimated through Mixture low. The surrounding elastic foundation is simulated with spring and shear constants. The material properties of shell and elastic medium constants are assumed temperature-dependent. The motion equations are derived using Hamilton's principle applying first order shear deformation theory (FSDT). Based on differential cubature (DC) method, the frequency of nano-composite structure is obtained for different boundary conditions. A detailed parametric study is conducted to elucidate the influences of external applied voltage, elastic medium type, temperature distribution type, boundary conditions, volume percent and distribution type of CNT are shown on the frequency of system. In addition, the mode shapes of shell for the first and second modes are presented for different boundary conditions. Numerical results indicate that applying negative voltage yields to higher frequency. In addition, FGX distribution of CNT is better than other considered cases.
Composite laminated structures supported on elastic foundations are being increasingly used in a great variety of engineering applications. Composites exhibit larger dispersion in their material properties compared to the conventional materials due to large number of parameters associated with their manufacturing and fabrication processes. And also the dispersion in elastic foundation stiffness parameter is inherent due to inaccurate modeling and determination of elastic foundation properties in practice. For a better modeling of the material properties and foundation, these are treated as random variables. This paper deals with effects of randomness in material properties and foundation stiffness parameters on the free vibration response of laminated composite plate resting on an elastic foundation. A $C^0$ finite element method has been used for arriving at an eigen value problem. Higher order shear deformation theory has been used to model the displacement field. A mean centered first order perturbation technique has been employed to handle randomness in system properties for obtaining the stochastic characteristic of frequency response. It is observed that small amount of variations in random material properties and foundation stiffness parameters significantly affect the free vibration response of the laminated composite plate. The results have been compared with those available in the literature and an independent Monte Carlo simulation.
Laminated composite shells are commonly used in various engineering applications including aerospace and marine structures. In this paper, using semi-analytical finite strip method, the buckling behavior of laminated composite deep as well as thick shells of revolution under follower forces which remain normal to the shell is investigated. The stiffness caused by pressure is calculated for the follower forces subjected to external fibers in thick shells. The shell is divided into several closed strips with alignment of their nodal lines in the circumferential direction. The governing equations are derived based on first-order shear deformation theory which accounts for through thickness-shear flexibility. Displacements and rotations in the middle surface of shell are approximated by combining polynomial functions in the meridional direction as well as truncated Fourier series with an appropriate number of harmonic terms in the circumferential direction. The load stiffness matrix which accounts for variation of loads direction will be derived for each strip of the shell. Assembling of these matrices results in global load stiffness matrix which may be un-symmetric. Upon forming linear elastic stiffness matrix called constitutive stiffness matrix, geometric stiffness matrix and load stiffness matrix, the required elements for the second step analysis which is an eigenvalue problem are provided. In this study, different parameter effects are investigated including shell geometry, material properties, and different boundary conditions. Afterwards, the outcomes are compared with other researches. By considering the results of this article, it can be concluded that the deformation-dependent pressure assumption can entail to decrease the calculated buckling load in shells. This characteristic is studied for different examples.
Lal, Achchhe;Jagtap, Kirankumar R.;Singh, Birgu N.
Advances in Computational Design
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제2권3호
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pp.165-194
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2017
The present work proposes the thermo mechanically induced statistics of nonlinear transverse central deflection of elastically supported functionally graded (FG) plate subjected to static loadings with random system properties. The FG plate is supported on two parameters Pasternak foundation with Winkler cubic nonlinearity. The random system properties such as material properties of FG material, external loading and foundation parameters are assumed as uncorrelated random variables. The material properties are assumed as non-uniform temperature distribution with temperature dependent (TD) material properties. The basic formulation for static is based on higher order shear deformation theory (HSDT) with von-Karman nonlinear strain kinematics through Newton-Raphson method. A second order perturbation technique (SOPT) and direct Monte Carlo simulation (MCS) are used to compute the nonlinear governing equation. The effects of load parameters, plate thickness ratios, aspect ratios, volume fraction, exponent, foundation parameters, and boundary conditions with random system properties are examined through parametric studies. The results of present approaches are compared with those results available in the literature and by employing direct Monte Carlo simulation (MCS).
Karami, Behrouz;Shahsavari, Davood;Janghorban, Maziar;Li, Li
Structural Engineering and Mechanics
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제73권2호
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pp.191-207
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2020
This study aims at investigating the size-dependent free vibration of porous nanoplates when exposed to hygrothermal environment and rested on Kerr foundation. Based on the modified power-law model, material properties of porous functionally graded (FG) nanoplates are supposed to change continuously along the thickness direction. The generalized nonlocal strain gradient elasticity theory incorporating three scale factors (i.e. lower- and higher-order nonlocal parameters, strain gradient length scale parameter), is employed to expand the assumption of second shear deformation theory (SSDT) for considering the small size effect on plates. The governing equations are obtained based on Hamilton's principle and then the equations are solved using an analytical method. The elastic Kerr foundation, as a highly effected foundation type, is adopted to capture the foundation effects. Three different patterns of porosity (namely, even, uneven and logarithmic-uneven porosities) are also considered to fill some gaps of porosity impact. A comparative study is given by using various structural models to show the effect of material composition, porosity distribution, temperature and moisture differences, size dependency and elastic Kerr foundation on the size-dependent free vibration of porous nanoplates. Results show a significant change in higher-order frequencies due to small scale parameters, which could be due to the size effect mechanisms. Furthermore, Porosities inside of the material properties often present a stiffness softening effect on the vibration frequency of FG nanoplates.
The present work deals with second order statistics of post buckling response of piezoelectric laminated composite cylindrical shell panel subjected to hygro-thermo-electro-mechanical loading with random system properties. System parameters such as the material properties, thermal expansion coefficients and lamina plate thickness are assumed to be independent of the temperature and electric field and modeled as random variables. The piezoelectric material is used in the forms of layers surface bonded on the layers of laminated composite shell panel. The mathematical formulation is based on higher order shear deformation shell theory (HSDT) with von-Karman nonlinear kinematics. A efficient $C^0$ nonlinear finite element method based on direct iterative procedure in conjunction with a first order perturbation approach (FOPT) is developed for the implementation of the proposed problems in random environment and is employed to evaluate the second order statistics (mean and variance) of the post buckling load of piezoelectric laminated cylindrical shell panel. Typical numerical results are presented to examine the effect of various environmental conditions, amplitude ratios, electrical voltages, panel side to thickness ratios, aspect ratios, boundary conditions, curvature to side ratios, lamination schemes and types of loadings with random system properties. It is observed that the piezoelectric effect has a significant influence on the stochastic post buckling response of composite shell panel under various loading conditions and some new results are presented to demonstrate the applications of present work. The results obtained using the present solution approach is validated with those results available in the literature and also with independent Monte Carlo Simulation (MCS).
전단변형 효과를 무시하는 경우에 보존력을 받는 박벽공간뼈대구조의 자유진동 및 안정성해석을 위한 일반이론을 유도한다. 이를 위하여 비대칭 박벽단면의 임의점을 통과하는 부재축과 이와 직각을 이루는 두 개의 좌표축을 도입하여 직각좌표계를 정의하고, 이 좌표축을 기준으로 semitangential 회전의 2차항을 고려하는 변위장을 도입하여 연속체에 대한 가상일의 원리로 부터 운동에너지, 탄성변형에너지, 그리고 초기응력에 의한 포텐셜에너지를 유도한다. 이를 이용하여 선형분포하중을 받는 박벽공간뼈대구조의 자유진동 및 안정성해석을 위한 운동방정식을 제시한다. 3차 Hermitian 다항식을 변위파라미터의 형상함수로 사용하여 박벽공간뼈대부재의 질량, 탄성강성 및 기하학적 강성행렬을 산정할 뿐만 아니라, 임의의 위치에 작용하는 분포하중에 대한 하중보정강성행렬(load-correction stiffness matrix)을 제시한다. 본 이론 및 방법의 타당성을 검증하기 위하여 수치해석을 수행하고 문헌의 결과와 비교하여 정당성을 입증한다.
Yongyong Wang;Qixia Jia;Tingting Deng;Mostafa Habibi;Sanaa Al-Kikani;H. Elhosiny Ali
Structural Engineering and Mechanics
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제85권6호
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pp.729-742
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2023
It is a recent attraction to the mechanical scientists to investigate state of wave propagation, buckling and vibration in the sport balls to observe the importance of different parameters on the performance of the players and the quality of game. Therefore, in the present study, we aim to investigate the wave propagation in handball game ball in term of mass of the ball and geometrical parameters wit incorporation of the viscoelastic effects of the ball material into account. In this regard, the ball is modeled using thick shell structure and classical elasticity models is utilized to obtain the equation of motion via Hamilton's principle. The displacement field of the ball model is obtained using first order shear deformation theory. The resultant equations are solved with the aid of generalized differential quadrature method. The results show that mass of the ball and viscoelastic coefficient have considerable influence on the state of wave propagation in the ball shell structure.
The present study follows three main goals. First, an analytical solution with high accuracy is developed to assess the effects of embedding pre-strained shape memory alloy (SMA) wires on the critical buckling temperatures of rectangular sandwich plates made of soft core and graphite fiber/epoxy (GF/EP) face sheets based on piecewise low-order shear deformation theory (PLSDT) using Brinson's model. As the second goal, this study compares the effects of SMAs on the thermal buckling of sandwich plates with those of carbon nanotubes (CNTs). The glass transition temperature is considered as a limiting factor. For each material, the effective ranges of operating temperature and thickness ratio are determined for real situations. The results indicate that depending on the geometric parameters and thermal conditions, one of the SMAs and CNTs may outperform the other. The third purpose is to study the thermal buckling of sandwich plates with advanced hybrid SMA/CNT/GF/EP composite face sheets. It is shown that in some circumstances, the co-incorporation of SMAs and CNTs leads to an astonishing enhancement in the critical buckling temperatures of sandwich plates.
Most of the experimental, theoretical, and numerical studies on the stability of functionally graded composites are deterministic, while there are full of complex interactions of variables with an inherently probabilistic nature, this paper presents a non-intrusive framework to investigate the stochastic nonlinear buckling behaviors of porous functionally graded cylindrical shells exposed to inevitable source-uncertainties. Euler-Lagrange equations are theoretically derived based on the three variable refined shear deformation theory. Closed-form solutions for the shell buckling loads are achieved by solving the deterministic eigenvalue problems. The analytical results are verified with numerical results obtained from finite element analyses that are conducted in the commercial software ABAQUS. The non-intrusive framework is completed by integrating the Monte Carlo simulation with the verified closed-form solutions. The convergence studies are performed to determine the effective pseudorandom draws of the simulation. The accuracy and efficiency of the framework are verified with statistical results that are obtained from the first and second-order perturbation techniques. Eleven cases of individual and compound uncertainties are investigated. Sensitivity analyses are conducted to figure out the five cases that have profound perturbative effects on the shell buckling loads. Complete probability distributions of the first three critical buckling loads are completely presented for each profound uncertainty case. The effects of the shell thickness, volume fraction index, and stochasticity degree on the shell buckling load under compound uncertainties are studied. There is a high probability that the shell has non-unique buckling modes in stochastic environments, which should be known for reliable analysis and design of engineering structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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