This paper presents a theoretic model of a smart structure, a transversely isotropic piezoelectric thick square plate constructed with three laminas, piezoelectric-elastic-piezoelectric layer, by adopting the first order shear deformation plate theory and piezoelectric theory. This model assumes that the transverse displacements through thickness are linear, and the in-plane displacements in the mid-plane of the plate are not taken to be account. By using Fourier's series expansion, an exact Navier typed analytical solution for deflection and electric potential of the simply supported smart plate is obtained. The electric boundary conditions are being grounded along four vertical edges. The external voltage and non-external voltage applied on the surfaces of piezoelectric layers are all considered. The convergence of the present approach is carefully studied. Comparison studies are also made for verifying the accuracy and the applicability of the present method. Then some new results of the electric potentials and displacements are provided. Numerical results show that the electrostatic voltage is approximately linear in the thickness direction, while parabolic in the plate in-plane directions, for both the deflection and the electric voltage. These results are very useful for distributed sensing and finite element verification.
In the last decade, displacement-based (DB) methods have become established design procedures for reinforced concrete (RC) structures. They use strain and displacement measures as seismic performance control parameters. As for other simplified seismic design methods, it is of great interest to prove if they are usually conservative in respect to more refined, nonlinear, time history analyses, and can estimate design parameters with acceptable accuracy. In this paper, the current Direct Displacement-Based Design (DDBD) procedure is evaluated for designing simple single degree of freedom (SDOF) systems with specific reference to simply supported RC bridge piers. Using different formulations proposed in literature for the equivalent viscous damping and spectrum reduction factor, a parametric study is carried out on a comprehensive set of SDOF systems, and an average error chart of the method is derived allowing prediction of the expected error for an ample range of design cases. Following the chart, it can be observed that, for the design of actual RC bridge piers, underestimation errors of the DDBD method are very low, while the overestimation range of the simplified displacement-based procedure is strongly dependent on design ductility.
The semi-analytical method to study the nonlinear dynamic behavior of simply supported spiral stiffened functionally graded (FG) cylindrical shells subjected to an axial compression is presented. The FG shell is surrounded by damping and linear/nonlinear elastic foundation. The proposed linear model is based on the two-parameter elastic foundation (Winkler and Pasternak). A three-parameter elastic foundation with hardening/softening cubic nonlinearity is used for nonlinear model. The material properties of the shell and stiffeners are assumed to be FG. Based on the classical plate theory of shells and von $K{\acute{a}}rm{\acute{a}}n$ nonlinear equations, smeared stiffeners technique and Galerkin method, this paper solves the nonlinear vibration problem. The fourth order Runge-Kutta method is used to find the nonlinear dynamic responses. Results are given to consider effects of spiral stiffeners with various angles, elastic foundation and damping coefficients on the nonlinear dynamic response of spiral stiffened simply supported FG cylindrical shells.
Several classical and higher order plate theories were used to study the buckling of functionally graded material (FGM) plates. In the great majority of research, a power function is used to represent metal and ceramic material transverse distribution (P-FGM). Therefore, the effect of having other transverse variation of material properties on the buckling behavior of thick rectangular FGM plates was not properly addressed. In the present work, this effect is investigated using the Third order Shear Deformable Theory (TSDT) for the case of simply supported FGM plate. Both a sigmoid function and an exponential functions are used to represent the transverse gradual property variation. The plate governing equations are combined with a Navier type expanded solution of the unknown displacements to derive the buckling equation in terms of the pre-buckling in-plane loads. Finally, the critical in-plane load is calculated for the different buckling modes. The model is verified by a comparison of the calculated buckling loads with available published results of Al-SiC P-FGM plates. The conducted parametric study shows that manufacturing FGM plates with sigmoid variation of properties in the thickness direction increases the buckling load considerably. This improvement is found to be more significant for the case of thick plates than that of thin plates. Results also show that this stiffening-like effect of the sigmoid function profile is more evident for cases where the in-plane loads are applied along the shorter edge of the plate.
Bulletin of the Society of Naval Architects of Korea
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v.17
no.1
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pp.1-10
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1980
The nonlinear analysis of ship plating with flat bar stiffners has been carried out by the finite element method based on the load incremental approach. The large deflection analysis has been done by using the Lagrangian description. The elastoplastic analysis has been performed by adopting the flow theory of plasticity and the von Mises yield condition. The layered elements are used to show the process of yielding through the plate thickness in the elasto-plastic analysis. The following results are obtained; 1) According to the large deflection analysis, it is shown that the small deflection theory to the plate is applicable in the range of the lateral deflection-the thickness ratio $w/h{\leqq}0.3$ and ship plating in the range of $w/h{\leqq}0.5$. 2) By means of the elasto-plastic analysis, it is found that the maximum load-carrying capacity of the plate increases as much as 1.8 times of the initial yield load in the case of the simply supported condition and 2.2 times in the clamped condition. It is also shown that the maximum load-carrying capacity of ship plating increase as much as 4.3 times in the simply supported condition and 4.2 times in the clamped condition. This method would be applied and extended to solve combined nonlinear problems which involve both material nonlinearity and geometric nonlinearity.
Anandrao, K. Sanjay;Gupta, R.K.;Ramchandran, P.;Rao, G. Venkateswara
Structural Engineering and Mechanics
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v.36
no.5
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pp.545-560
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2010
Two or more distinct materials are combined into a single functionally graded material (FGM) where the microstructural composition and properties change gradually. Thermal post-buckling behavior of uniform slender FGM beams is investigated independently using the classical Rayleigh-Ritz (RR) formulation and the versatile Finite Element Analysis (FEA) formulation developed in this paper. The von-Karman strain-displacement relations are used to account for moderately large deflections of FGM beams. Bending-extension coupling arising due to heterogeneity of material through the thickness is included. Simply supported and clamped beams with axially immovable ends are considered in the present study. Post-buckling load versus deflection curves and buckled mode shapes obtained from both the RR and FEA formulations for different volume fraction exponents show an excellent agreement with the available literature results for simply supported ends. Response of the FGM beam with clamped ends is studied for the first time and the results from both the RR and FEA formulations show a very good agreement. Though the response of the FGM beam could have been studied more accurately by FEA formulation alone, the authors aim to apply the RR formulation is to find an approximate closed form post-buckling solutions for the FGM beams. Further, the use of the RR formulation clearly demonstrates the effect of bending-extension coupling on the post-buckling response of the FGM beams.
Kim, Hyun-Sil;Kim, Jae-Seung;Kim, Bong-Ki;Kim, Sang-Ryul
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.24
no.1
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pp.21-27
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2014
In this paper, an approximate formula for radiation efficiency of the plate surround by an infinite rigid baffle is studied. The plate is simply supported and one side is in contact with air, while other side with water. By assuming an infinite plate, the fluid loading effect is derived in terms of an effective mass. Based on the observation that the fluid loading effect decreases as frequency increases, the radiation efficiency formula at high frequency, which was originally derived for a plate vibrating in the air, is modified as the approximate formula for a submerged plate. The fluid loading effect is taken into account in the wavenumber of the plate. Comparisons of the approximate formula with the numerical results shows that they match well except the mid-frequency range in which numerical results show many oscillations. In numerically solving the fully coupled equations of motion, fourfold integrals of the impedance coefficients are reduced to single nonsingular integrals, which results in substantial reduction in computing time.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.17
no.11
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pp.176-184
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2000
Recently, it becomes a very important issue to consider the mechanical systems such as high-speed vehicle and railway train moving on a flexible beam structure. Using general approach proposed in the first part of this paper, it tis possible to predict planar motion of constrained mechanical system and elastic structure with various kinds of foundation supporting condition. Combined differential-algebraic equations of motion derived from both multibody dynamics theory and Finite Element Method can be analyzed numerically using generalized coordinate partitioning algorithm. To verify the validity of this approach, results from simply supported elastic beam subjected to a moving load are compared with exact solution from a reference. Finally, parameter study is conducted for a moving vehicle model on a simply supported 3-span bridge.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.16
no.6
s.111
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pp.643-650
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2006
This paper is concerned with the vibration analysis of a simply-supported rectangular plate with a circular cutout. Even though there have been many methods developed for the free vibration of the rectangular plate with a rectangular cutout, very few research has been carried out for the rectangular plate with a circular cutout. In this paper, a new methodology called independent coordinate coupling method, which was developed to save the computational effort for the free vibration analysis of rectangular plate with a rectangular cutout, is applied to the case of circular cutout. The independent coordinate coupling method employs the global coordinate system for the plate and the local coordinate system for the cutout. In the case of the rectangular plate with a circular cutout, the global coordinate system is the Cartesian coordinate system and the local coordinate system is the polar coordinate system. By imposing the compatibility condition, the relationship between the global coordinates and the local coordinates is derived. This equation is then used for the calculation of the mass and stiffness matrices resulting in eigenvalue problem. The numerical results show the efficacy of the proposed method.
In the present work, by considering the agglomeration effect of single-walled carbon nanotubes, free vibration characteristics of functionally graded (FG) nanocomposite sandwich plates resting on Pasternak foundation are presented. The volume fractions of randomly oriented agglomerated single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) are assumed to be graded in the thickness direction. To determine the effect of CNT agglomeration on the elastic properties of CNT-reinforced composites, a two-parameter micromechanical model of agglomeration is employed. In this research work, an equivalent continuum model based on the Eshelby-Mori-Tanaka approach is employed to estimate the effective constitutive law of the elastic isotropic medium (matrix) with oriented straight CNTs. The 2-D generalized differential quadrature method (GDQM) as an efficient and accurate numerical tool is used to discretize the equations of motion and to implement the various boundary conditions. The proposed rectangular plates have two opposite edges simply supported, while all possible combinations of free, simply supported and clamped boundary conditions are applied to the other two edges. The benefit of using the considered power-law distribution is to illustrate and present useful results arising from symmetric and asymmetric profiles. The effects of two-parameter elastic foundation modulus, geometrical and material parameters together with the boundary conditions on the frequency parameters of the laminated FG nanocomposite plates are investigated. It is shown that the natural frequencies of structure are seriously affected by the influence of CNTs agglomeration. This study serves as a benchmark for assessing the validity of numerical methods or two-dimensional theories used to analysis of laminated plates.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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