Magnucki, Krzysztof;Jasion, Pawel;Szyc, Waclaw;Smyczynski, Mikolaj Jan
Steel and Composite Structures
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v.16
no.3
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pp.325-337
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2014
The strength and buckling problem of a five layer sandwich beam under axial compression or bending is presented. Two faces of the beam are thin aluminium sheets and the core is made of aluminium foam. Between the faces and the core there are two thin binding glue layers. In the paper a mathematical model of the field of displacements, which includes a share effect and a bending moment, is presented. The system of partial differential equations of equilibrium for the five layer sandwich beam is derived on the basis of the principle of stationary total potential energy. The equations are analytically solved and the critical load is obtained. For comparison reasons a finite element model of the beam is formulated. For the case of bended beam the static analysis has been performed to obtain the stress distribution across the height of the beam. For the axially compressed beam the buckling analysis was carried out to determine the buckling load and buckling shape. Moreover, experimental investigations are carried out for two beams. The comparison of the results obtained in the analytical and numerical (FEM) analysis is shown in graphs and figures. The main aim of the paper is to present an analytical model of the five layer beam and to compare the results of the theoretical, numerical and experimental analyses.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.22
no.5
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pp.326-332
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2010
Critical response of seawater pump impeller shaft structure to various exciting loads is a fundamental factor in re-designing of the structure after its functional failure. In this paper, a typical case of the shaft structure's failure is investigated for re-designing purposes. Failure causes of interest are excessive bending moment, fatigue loads and dynamic resonance due to relevant motor rotation and unbalancing of the rotation loads. Static analyses of shaft structure under the conditions of concerned loads are carried out, followed by a dynamic investigation of the effects of resonance between the shaft and the motor on the structure. The relevant structural analyses are carried out using the Finite Element Methods combined with ANSYS code. Based on these, the primary cause for the shaft's structural failure is obtained. It is found that the change of the bending stiffness of the shaft is the primary concern in the re-designing process. A guideline for the re-design process of the seawater pump shaft structure is established, and a re-design scheme of the structure is proposed.
Ahmed Drai;Ahmed Amine Daikh;Mohamed Oujedi Belarbi;Mohammed Sid Ahmed Houari;Benoumer Aour;Amin Hamdi;Mohamed A. Eltaher
Advances in nano research
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v.14
no.3
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pp.211-224
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2023
This work presents a modified analytical model for the bending behavior of axially functionally graded (AFG) carbon nanotubes reinforced composite (CNTRC) nanobeams. New higher order shear deformation beam theory is exploited to satisfy parabolic variation of shear through thickness direction and zero shears at the bottom and top surfaces.A Modified continuum nonlocal strain gradient theoryis employed to include the microstructure and the geometrical nano-size length scales. The extended rule of the mixture and the molecular dynamics simulations are exploited to evaluate the equivalent mechanical properties of FG-CNTRC beams. Carbon nanotubes reinforcements are distributed axially through the beam length direction with a new power graded function with two parameters. The equilibrium equations are derived with associated nonclassical boundary conditions, and Navier's procedure are used to solve the obtained differential equation and get the response of nanobeam under uniform, linear, or sinusoidal mechanical loadings. Numerical results are carried out to investigate the impact of inhomogeneity parameters, geometrical parameters, loadings type, nonlocal and length scale parameters on deflections and stresses of the AFG CNTRC nanobeams. The proposed model can be used in the design and analysis of MEMS and NEMS systems fabricated from carbon nanotubes reinforced composite nanobeam.
Various components including wave scattering, wave passage, and site amplification effects cause the ground motion to vary spatially. The spatially varying ground motion can significantly influence the dynamic response of longitudinal structures such as bridges and tunnels. While its effect on bridges has been extensively studied, there is a lack of study on its effect on underground tunnels. This paper develops a new procedure for simulating the tunnel response under spatially varying ground motion. The procedure utilizes the longitudinal displacement profile, which is developed from spatially variable ground motion time histories. The longitudinal displacement profile is used to perform a series of pseudo-static three dimensional finite element analyses. Results of the analyses show that the spatially variable ground motion cause longitudinal bending of the tunnel and can induce substantial axial stress on the tunnel lining. The effect can be significant at boundaries at which the material properties of the ground change in the longitudinal direction.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.25
no.2
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pp.250-263
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2001
The up and down speed of heddle frames that produce woven cloth by insertion of weft yarns between warp yarns has been increased recently much for productivity improvement, which induces higher inertial stresses and vibrations in the heddle frame. the heddle frame is required to reduce its mass because the heddle frame contributes the major portion of the stresses in the heddle frames during accelerating and decelerating. Conventional aluminum heddle frames have fatigue life of around 5 months at 550rpm due to their low fatigue flexural strength as well as low bending stiffness. In this work, since carbon/epoxy composite materials have high specific fatigue strength(S/p), high specific modulus(E/p), high damping capacity and sandwich construction results in lower deflections and higher buckling resistance, the sandwich structure composed of carbon/epoxy composite skins and polyurethane foam were employed for the high-speed heddle frame. The design map for the sandwich beams was accomplished to determine the optimum thickness and the stacking sequences for the heddle frames. Also the effects of the number of ribs on the stress of the heddle frame were investigated by FEM analyses. Finally, the high-speed heddle frames were manufactured with sandwich structures and the static and dynamic properties of the aluminum and the composite heddle frames were tested and compared with each other.
For the same configuration of two-dimensional finite element models, 6-node element exhibits stiffer bending stiffness than 8-node element. This is true in the relation between 16-node element and 20-node element for three-dimensional model. This stiffening phenomenon comes from the elimination of several mid nodes from full-node elements. Therefore, this may be called 'relative stiffness stiffening phenomenon'. It seems that there are a couple of ways to correct the stiffening effect, however, we could find only one effective method-the method of modification of Gauss sampling points-which passes the patch test and does not alter other kinds of stiffness, such as extensional stiffness. The quantity of modification is a function of Poisson's ratios of the constituent materials. We could obtain two modification equations, one for plane stress case and the other for plane strain case. This method can be extended to 3-dimensional solid elements. Except the exact plane strain cases, most 3-dimensional plates could be modeled successfully with 16-node element modified by the equation for the plane stress case. The effectiveness of the modification method is checked by applying it to several examples with excellent improvements. In numerical examples, beams with various boundary conditions are subjected to static and time-dependent loads. Free and forced motion analyses of beams and plates are also tested. The beam and plate may be composed of isotropic multilayers as well as a single layer.
Zai, Behzad Ahmed;Park, M.K.;Lim, Seung-Chul;Lee, Joong-Won;Sindhu, Rashid Ali
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2008.04a
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pp.397-401
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2008
Knowledge of dynamic characteristics of structural elements often can make difference between success and failure in the design of structure due to resonance effect. In this paper an analytical model of a cantilever beam having midpoint load is considered for structural optimization. This involves creating the geometry which allows parametric study of all design variables. For that purpose optimization of cantilever beam is elaborated in order to find the optimum geometry which minimizes its volume eventually for minimum weight using ANSYS. But such geometry could be obtained by different combinations of width and height, so that it may have the same cross sectional area yet different dynamic behavior. So for optimum safe design, besides minimum volume it should have minimum vibration as well. In order to predict vibration different dynamic analyses are performed simultaneously to solve the eigenvalues problem assuming no damping initially through MATLAB simulations using state space form for modal analysis, which identifies the resonant frequencies and mode shapes belonging to the lowest three modes of vibration. And next by introducing damping effects tip displacement, bending stress and the vertical reaction force at the fixed end is evaluated under some dynamic load of varying frequency, and finally it is discussed how resonance can be avoided for particular design. Investigation of results clearly shows that only structural analysis is not enough to predict the optimum values of dimension for safe design. Potentially this technique will meet maintenance and cost goals of many organizations particularly for the application where dynamic loading is invertible and helps a lot ensuring that the proposed design will be safe for both static and dynamic conditions.
Chang, Jin Won;Kim, Seung Jun;Park, Jong Sup;Kang, Young Jong
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.19
no.4
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pp.367-381
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2007
A transmission tower was designed using the structural methodology to assume a simple truss behavior. However, there is a big difference between a simple truss behavior and a real one. A suitable explanation of structural stability is that it is a semi-rigid connection and not the assumed hinged connection. This study proposes an alternative structural-analysis modeling strategy for the transmission tower design. The element models that were considered were the truss element model, the beam element model, and the combined beam-truss element model. This study includes linear static analysis, free-vibration analysis, and elastic buckling analysis with respect to the design load. The results of the analysis indicate that the axial forces, axial stresses, and maximum displacements of the three analytical models are very similar. However, the bending moments and stresses of the beam element model and of the combined beam-truss element model are significantly high. The results of the free-vibration and elastic buckling analyses show that the beam-truss model can be conservatively used for the transmission tower design.
Recent earthquakes have demonstrated that the tunnels, which were once considered to be highly resistant to earthquakes, are susceptible to substantial damage under severe seismic loading. Among various modes of deformation under an earthquake loading, the response of the tunnel in the transverse direction is known to be the critical mode. This paper investigates the seismic response of the tunnel in the transverse direction using the method of seismic displacement, which is a type of pseudo-static analysis. Firstly, the methods of calculating the ground deformation are compared. It is shown that the single and double cosine may not provide an accurate estimation of the ground deformation, and that a one-dimensional site response analysis needs to be performed for a more reliable evaluation. Secondly, the tunnel responses are calculated using the simplified, analytical, and numerical solutions. It is demonstrated that the simplified method provides poor estimates of the tunnel response ground deformation. The analytical solution is shown to be effective in modeling circular tunnels in uniform ground, but has serious limitation in modeling tunnel response in non-uniform ground. Numerical analyses are shown to be applicable to all cases, and give the most accurate estimates of the tunnel response. It is also demonstrated that the linear solutions can be so conservative that the soil nonlinearity needs to be accounted for more accurate evaluation of the tunnel response.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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